Kann man Strom sehen? Im Rahmen der vorrangegangenen Experimentierreihe (Strom (2) zum elektrischen Strom kam von den Kinder auf immer wieder die Frage: Kann man Strom sehen? Diese grundlegende Frage ist verständlich, ist es doch sogar für Erwachsene schwierig, sie einfach und fachlich doch richtig zu beantworten. Im folgenden Abschnitt wird zunächst versucht, die Phänomene um den Strom zu erklären. Es wird eine Unterrichtreihe vorgestellt, in der den Schülern durch einige Versuche die Frage Kann man Strom sehen beantwortet wird. Dabei sollen nur einfach zu beschaffende Alltagsmaterialien zur Verwendung kommen. Schon in der Antike hat sich der Philosoph Thales intensiv mit dem Thema Elektrizität beschäftigt. Man fand nämlich heraus, dass Bernstein eine eigenartige Anziehungskraft entwickelt, wenn es mit einem Tuch gerieben wurde. Der griechische Begriff für Bernstein ist Elektron. Der Erfinder Otto von Guericke, der vor allen Dingen durch seine Experimente rund um den Luftdruck bekannt wurde, fand als einer der ersten Wissenschaftler im 17. Jahrhundert durch Zufall heraus, dass Reibung Elektrizität erzeugt. Guericke wollte eigentlich herausfinden, unter welchem Einfluss sich die Himmelskörper bewegen. Er konstruierte deshalb eine Schwefel-Elektrisiermaschine. Eine an den Händen reibende Schwefelkugel erzeugte statische Aufladung. Dieser historische Versuch soll in modifizierter Form Ausgangspunkt für das erste Schülerexperiment sein. Dabei sollte es dem Lehrer freigestellt sein, verschiedene Versuche zusammenzufassen. 1. Reibung erzeugt Elektrizität die man hören kann (Teil 1). 1. Kabelkanal/Plastikrohr ca. 60 lang, Als 2 m Stange ca. Baumarkt 1,5 cm dick oder dicker 0,50 Euro 2. Küchentuch/Trockentuch 1,00 Euro Kaufhaus Arbeitskarte 1: Das benötigst du: Plastikrohr, Tuch Aufgabe: Reibe mit dem Tuch mehrmals über das Plastikrohr! Was kannst du feststellen? 1
Die Unterrichtsstunde wird in Arbeitsgruppen durchgeführt. Dabei ist es wichtig, dass alle Schüler den Versuch einmal durchgeführt haben. Ihre Beobachtungen und Vermutungen sollen sie zunächst besprechen und später dann aufschreiben. Wenn die Schüler mit dem Stab über das Tuch reiben, hören sie ein leises Knistern und Knacken. Erklärung: Reibt man zwei Stoffe aneinander, z.b. Wolle und Plastik. Eine der beiden Substanzen hält seine Elektronen weniger stark fest als die andere. Die Substanz, bei der die Elektronen weniger stark gebunden sind, verliert einen Teil davon aufgrund der Reibung. Das Phänomen muss danach im Lehrervortrag erklärt werden: Alles was uns umgibt, besteht aus Atomen. Diese Atome sind so klein, dass man sie mit dem bloßen Auge nicht sehen kann. Etwa 2 Millionen Atome aneinandergereiht ergeben 1 Millimeter. Jedes Atom hat einen Kern um den Elektronen mit großer Geschwindigkeit herumschwirren. (eventuell ein Modell zeigen) Normalerweise sind Atome neutral und haben keine Anziehungskraft. Nimmt man den Atomkern jedoch eines der Elektronen weg, die es umgibt, dann gerät das ganze Modell ins Ungleichgewicht. Das Atom versucht wieder den normale Zustand herzustellen und sucht nun das abhanden gekommene Elektron. Wenn man über den Stab reibt, dann nimmt das Tuch den Atomen auf dem Stab ein Elektron weg. Die Atome, denen das Elektron fehlt, sind nun bestrebt wieder neutral zu werden, das heißt, sie wollen ein Elektron wieder haben. Wenn wir mit dem aufgeladenen Stab nun etwas berühren, gleicht sich dieser Unterschuss wieder aus und die Atome holen sich die fehlenden Elektronen wieder. 2. Die Kraft der Elektrizität kann man sehen! (Teil 1) 1. Kabelkanal/Plastikrohr ca. 60 lang, Als 2 m Stange ca. Baumarkt 1,5 cm dick oder dicker 0,50 Euro 2. Küchentuch/Trockentuch 1,00 Euro Kaufhaus 3. Watte 1,00 Euro Kaufhaus Auch diese Unterrichtssequenz wird wieder als Gruppenarbeit durchgeführt. Neben dem bekannten Material (Plastikrohr, Trockentuch) wird den Kindern nun noch eine kleine Menge Watte zur Verfügung gestellt. 2
Arbeitskarte 2: Das benötigst du: Plastikrohr, Tuch Aufgabe: Reibe mit dem Tuch mehrmals über das Plastikrohr! Halte ein bisschen Watte in die Nähe des Plastikrohrs! Was kannst du feststellen? Die Schüler erkennen: Die Watte wird vom Stab angezogen und bleibt am Stab regelrecht kleben. Die Erklärung können die Kinder nach dem letzten Lehrervortrag selber geben. Die Atome auf dem Plastikrohr sind in Unordnung geraten. Ihnen wurde ein Elektron weggenommen. Nun sind sie bestrebt, wieder den Normalzustand herzustellen. Dabei ziehen sie leichte Stoffe wie Watte an. 3. Die Kraft der Elektrizität kann man sehen! (Teil 2) 1. Plastiklöffel 0,50 Euro Kaufhaus 2. Küchentuch/Trockentuch 1,00 Euro Kaufhaus 3. Salz, Pfeffer 1,00 Euro Kaufhaus Arbeitskarte 3: Das benötigst du: Plastiklöffel, Salz, Pfeffer Aufgabe: Streue etwas Salz und etwas Pfeffer auf den Teller. Reibe mit dem Tuch mehrmals über Den Plastiklöffel Halte den Löffel über den Teller mit Salz und Pfeffer! Vermute zunächst was passiert und erkläre deine Vermutung! Führe den Versuch durch! Was kannst du sehen? Erkläre indem du das Atommodell berücksichtigst! 3
3. Die Kraft der Elektrizität kann man sehen und spüren! 1. Fotodose, Plastikdose - 2. Messingdraht (15 cm) - Baumarkt, Opitec 3. Aluminiumfolie Rolle 1,50 Euro Kaufhaus (zwei Stücke, 10cm x 10 cm) 4 Klebestift - - Bevor die Kinder das letzte Experiment machen, sollten sie die Geschichte, die um dieses Experiment rankt, kennen lernen. Text zur Leidener Flasche Viele Wissenschaftler und Tüftler beschäftigten sich im 18. Jahrhundert mit der Elektrizität. Zwar hatte man herausgefunden, dass man Elektrizität durch Reibung erzeugen konnte. Wie sollte man diese aber auffangen oder speichern? Bei der Reibungselektrizität, dachte man, handele es sich um eine Art Fluidum, um einen flüssigen, aber nicht sichtbaren Stoff. Auch der Tüftler Georg von Kleist um 1745 experimentierte mit diesem Fluidum. Dabei versuche er die Elektrizität in Wasser zu lösen und in Flaschen aufzubewahren. Kleist hatte beim Experimentieren einen Nagel in die mit Flüssigkeit gefüllte Flasche gesteckt. Beim Aufräumen seines Labors wollte er den Nagel wieder herausziehen. Er bekam einen Stromschlag. Durch Zufall hatte Georg von Kleist herausgefunden, wie man elektrische Energie speichern kann. Nun wurden verschiedene Flüssigkeiten als Speicher ausprobiert, etwa Quecksilber oder einfaches Wasser. Nichts brachte den richtigen Erfolg. Schließlich versuchten die Wissenschaftler sogar mit warmen Tee, geschmolzener Butter oder Wein. Die Menge des Stroms die gespeichert werden konnte, war aber sehr gering. Später verlegte ein Wissenschaftler das Leiterkabel von der Mitte an die Innenwand der Flasche, umgab sie innen und außen mit einer Ummantelung aus Metall. So entstand die Leidener Flasche, die wir heute noch kennen. Bauanleitung für eine Leidener Flasche: 1. Material: Filmdose, Alufolie, Kleber, Draht (am besten Messingdraht) 2. Zuerst den Deckel von der Dose lösen. 3. Die Innenwand und die Außenwand komplett mit Alufolie bekleben. Die Innenund die Außenfolien dürfen sich nicht berühren. (Achtung, nur wasserlöslichen Klebstoff verwenden, Klebstoff der Lösungsmittel enthält kann sich entzünden!) 4
4. Den Draht so biegen, dass eine Schlaufe entsteht, die man in die Dose stecken kann. Die Drahtschlaufe sollte die mit Alufolie beklebten Innenwand berühren. 5. Ein mittiges Loch in den Deckel machen und den Draht durchführen. 6. Den Draht so biegen, dass er die Außenwand der Dose fast berührt. Arbeitskarte 4: Das benötigst du: Plastikrohr, Tuch, Leidener Flasche Aufgabe: Reibe mit dem Tuch über den Stab. Ziehe den Stab vorsichtig über den Draht der Leidener Flasche! (So als ob du etwas abstreifen wolltest) Wiederhole den Vorgang wenigsten dreimal. Berühre in dieser Zeit den Draht nicht mit dem Finger. Möglichkeit 1: Nimm dann ein Stück Styropor und drücke damit den Draht an die Außenhaut der Dose! (Vorsichtig!) Möglichkeit 2: Berühre den Draht vorsichtig mit dem Finger. Vermute zunächst was passiert und erkläre deine Vermutung! Führe den Versuch durch! Was kannst du sehen? Erkläre indem du das Atommodell berücksichtigst! Die Leidener Flasche kann von den Kinder zunächst in Eigenarbeit gebaut werden. Das Experiment führt man am besten in Partner- oder Gruppenarbeit durch. Indem die Kinder den Plastikstab an Messingdraht der Leidener Flasche reiben, streifen sie sozusagen die auf dem Plastikstab befindliche Ladung auf den Draht und 5
damit auf die Flasche ab. Die Flasche kann eine minimale Menge an Energie speichern. Wird nun der Draht gebogen oder angefasst, kommt es zur Entladung. Entweder sehen die Kinder dann einen ganz kleinen Funken, oder (wenn sie den Draht berühren) sie bekommen einen ganz kleinen (ungefährlichen) elektrischen Schlag. 3. Mit der Kraft der Elektrizität kann zaubern! 1. Reibung erzeugt Elektrizität die man hören kann (Teil 1). 1. Kabelkanal/Plastikrohr ca. 60 lang, Als 2 m Stange ca. Baumarkt 1,5 cm dick oder dicker 0,50 Euro 2. Plastikfolie (möglichst dünn!) Paket 1,00 Euro Kaufhaus Arbeitskarte 5: Das benötigst du: Plastikrohr, Tuch Aufgabe: Reibe mit dem Tuch mehrmals über das Plastikrohr! Reibe mit dem Tuch auch über das Stück Plastikfolie! Werfe das Stück Folie in die Luft! Du kannst es balancieren! Vermute zunächst was passiert und erkläre deine Vermutung! Führe den Versuch durch! Was kannst du sehen? Erkläre indem du das Atommodell berücksichtigst! Die Folie lässt sich mit dem Stab wirklich in der Luft halten. Sowohl der Folie als auch dem Rohr werden Elektronen weggenommen. Beide sind nun negativ geladen. Gleiche Ladungen stoßen sich ab. 6