Einleitung Erläuterungen zu den Arbeitsblättern Elektrotechnisches Hintergrundwissen Hinweise zu den Experimentiermaterialien Basisaufgaben zum Thema Strom Experiment 7 Leiter und Nichtleiter Musterseiten aus: Expertikus Elektrischer Strom und Energie 3/4 Best.-Nr. 486 Themenhandbuch "Strom und Technik" Finken-Verlag www.finken.de herausgegeben von Erik Dinges und Peter Nink Autorinnen: Katharina Baumeister, Ursula Breu, Gabriele Schickel, Anja Wall, Julia Wenderoth illustriert von Franziska Harvey und Martina Knapp Strom und Technik 3/4 Themenhandbuch Sämtliche Kommentare, Kopiervorlagen und Lösungsseiten zu den Experimenten 7 Die Glühlampe Schalter Parallel- und Reihenschaltung Elektrische Schaltzeichen und -skizzen Elektromagnetismus Gefahren im Haushalt Lernzielkontrolle 2 3 4 5 6 7 Anhang Leitfaden für Präsentationen Lernpfeil Beobachtungsbogen für den Sachunterricht
Inhaltsverzeichnis Erläuterungen zu den Arbeitsblättern................................................ Seite 4 Elektrotechnisches Hintergrundwissen............................................... Seite 7 Hinweise zu den Experimentiermaterialien............................................ Seite 3 Basisaufgaben zum Thema Strom.................................................. Seite 5 Experimente bis 7........................................................... ab Seite 9 Experiment Leiter und Nichtleiter Welche Gegenstände leiten Strom und welche nicht? Experiment 2 Die Glühlampe Wann leuchtet eine Glühlampe? Experiment 3 Schalter Wie funktioniert ein Schalter? Experiment 4 Parallel- und Reihenschaltung Warum gehen manche Lichterketten ganz aus, obwohl nur ein Lämpchen kaputt ist? Experiment 5 Elektrische Schaltzeichen und -skizzen Warum gibt es spezielle elektrische Schaltzeichen? Experiment 6 Elektromagnetismus Kann man mit Strom einen Magneten erzeugen? Experiment 7 Gefahren im Haushalt Warum sollten elektrische Geräte nicht in die Nähe von Wasser kommen? Lernzielkontrollen und Lösungen................................................... Seite 75 Leitfaden zur Präsentation........................................................ Seite 82 Lernpfeil....................................................................... Seite 84 Beobachtungsbogen für den Sachunterricht.......................................... Seite 85 Musterseiten aus: Expertikus Elektrischer Strom und Energie 3/4 Best.-Nr. 486 Themenhandbuch "Strom und Technik" Finken-Verlag www.finken.de EXPERTIKUS Strom und Technik stellt Ihnen eine Auswahl an Experimenten zur Verfügung, aus denen Sie entsprechend Ihrem Lehrplan und den Interessen Ihrer Schüler die relevanten Versuche auswählen können. Auf der Posterabbildung finden Sie durch Ziffern markiert, auf welche Sachverhalte sich die Experimente hauptsächlich beziehen. 4 4 7 7 3 5 2 3 6 6 3
Kommentar zu Experiment Leiter und Nichtleiter E Strom und Technik Leiter und Nichtleiter Willst du wissen, welche Gegenstände Strom leiten und welche nicht? Dann brauchst du: eine Flachbatterie eine Fassung ein Glühlämpchen drei Drähte vier Krokodilklemmen einen Schraubendreher Gegenstände aus verschiedenen Materialien zum Testen Schwierigkeitsgrad: Experiment: Experimentierkarte(n) Kopien des Begleitbogens und des Informationsbogens in ausreichender Anzahl eine Flachbatterie eine Fassung ein Glühlämpchen drei Drähte vier Krokodilklemmen ein Schraubendreher Materialien zum Testen, z. B. Büroklammer, Nagel, Schraube, Alufolie, Schlüssel, Radiergummi, Korken, Trinkhalm, Gummiring, Wollfaden, Stein, Murmel, trockenes Holzstück Musterseiten aus: Expertikus Elektrischer Strom und Energie 3/4 Best.-Nr. 486 Themenhandbuch "Strom und Technik" Finken-Verlag www.finken.de Hinweise zur Materialvorbereitung: Bei den Materialien zum Testen kann variiert werden. Dabei sollte allerdings darauf geachtet werden, dass die Anzahl von Leitern und Nichtleitern ungefähr gleich ist und insgesamt 9 Gegenstände zum Testen zur Verfügung stehen, um die Tabelle des Begleitbogens entsprechend ausfüllen zu können. Hinweise zur Durchführung: Einzelne Gegenstände (z. B. Murmeln) passen möglicherweise nicht in die Krokodilklemmen. In diesen Fällen genügt es, die beiden Klemmen an den zu testenden Gegenstand zu halten. Dabei sollte besonders darauf geachtet werden, dass sich die beiden Krokodilklemmen nicht berühren (Kurzschluss-Gefahr!). Empfehlungen zur Weiterarbeit im Sachunterricht: Im Anschluss an die Präsentation der Gruppe bietet es sich an, die getesteten Gegenstände versehen mit den Begriffen Leiter und Nichtleiter auszustellen. In der kommenden Zeit könnten die Kinder dann Gegenstände von zu Hause mitbringen, um sie auf ihre Leitfähigkeit hin zu überprüfen und die Ausstellung damit zu ergänzen. Präsentation: ein Zuhörerbogen zur Orientierung Versuchsaufbau (s. Experiment) Tabelle vom Zuhörerbogen auf Folie kopiert ein Folienstift Overhead-Projektor Beispiele für Isolatoren-Einsatz (Stecker, Schalter, Kabel ) das Lupenbild, auf Folie kopiert zwei Pappkärtchen zur Beschriftung der Ausstellung ein dunkler Filzstift Zuhörer: Kopien des Zuhörerbogens und des Informationsbogens in ausreichender Anzahl 9
Musterseiten aus: Expertikus Elektrischer Strom und Energie 3/4 Best.-Nr. 486 Themenhandbuch "Strom und Technik" Finken-Verlag www.finken.de Leiter und Nichtleiter
I Strom und Technik Leiter und Nichtleiter Es gibt in unserer Umwelt Materialien, die Strom leiten, und solche, die Strom nicht leiten. Materialien werden daher in zwei Gruppen unterteilt, in Leiter und Nichtleiter. Meistens sind es Metalle, die elektrischen Strom leiten. Alle anderen Materialien leiten Strom gar nicht oder nur schlecht. Nichtleiter wie zum Beispiel Kunststoff werden zum Schutz vor Stromschlägen genutzt. Da sie keinen Strom leiten, sagt man, dass sie den Strom isolieren (also abgetrennt halten). Man nennt sie deshalb auch Isolatoren. Damit wir Strom sicher nutzen können, ist es wichtig zu wissen, welche Materialien den Strom leiten und welche es mit Sicherheit nicht tun. Nur durch die Isolation von Kabeln, Schaltern, Steckdosen und Steckern mit Kunststoff können elektrische Geräte genutzt werden, ohne dass man beim Anfassen einen Stromschlag bekommt. Ein Stromschlag ist lebensgefährlich! Das Innere von Kabeln, Schaltern, Steckdosen und Steckern muss dagegen aus gut leitendem Metall sein, damit dort Strom fließen kann. Ist die Kunststoffummantelung eines elektrischen Geräts beschädigt worden, darf es nicht mehr benutzt werden. Um eine Beschädigung zu vermeiden, sollte man z. B. einen Stecker immer direkt anfassen und aus der Steckdose ziehen, niemals am Kabel. Musterseiten aus: Expertikus Elektrischer Strom und Energie 3/4 Best.-Nr. 486 Themenhandbuch "Strom und Technik" Finken-Verlag www.finken.de Vorsicht! Beschädigtes Kabel Gut aufpassen sollte man auf nagende Haustiere (Hasen, Meerschweinchen, Hamster ), wenn sie frei in der Wohnung herumlaufen: Sie könnten an der Ummantelung, also an der Isolation von Gerätekabeln, knabbern und damit sich selbst und andere gefährden.
B Strom und Technik Leiter und Nichtleiter Welche Gegenstände leiten Strom, welche nicht? Ich möchte herausfinden, welche Folgendes habe ich getan: Musterseiten aus: Expertikus Elektrischer Strom und Energie 3/4 Best.-Nr. 486 Themenhandbuch "Strom und Technik" Finken-Verlag www.finken.de Materialien, Gegenstände, leitet Strom, leitet keinen Strom, Metall Das habe ich im Experiment beobachtet: Gegenstand / Material Trage die Gegenstände deines Experiments und ihre jeweilige Materialart ein und kreuze an. Vermutung Ergebnis Leiter Nichtleiter Leiter Nichtleiter
Du hast die Gegenstände aus deinem Experiment nach ihrer Materialart geordnet. Was ist dir aufgefallen? Die Stichworte im Kasten links können dir helfen. 2 Erkläre mit deinen Worten, warum es sehr wichtig ist, genau zu wissen, welche Materialien Strom leiten und welche nicht. Musterseiten aus: Expertikus Elektrischer Strom und Energie 3/4 Best.-Nr. 486 Themenhandbuch "Strom und Technik" Finken-Verlag www.finken.de 3 Welche Dinge müssen aus einem leitenden Material sein, sind also Leiter? Welche Dinge müssen aus einem nicht leitenden Material sein, sind also Nichtleiter? Kreuze an. a) das Kunststoffgehäuse bei einem Kassettenrekorder Leiter Nichtleiter b) die Taste am Lichtschalter Leiter Nichtleiter c) die Pole einer Batterie Leiter Nichtleiter d) das Innere eines Stromkabels Leiter Nichtleiter e) die Ummantelung an einem Stromkabel Leiter Nichtleiter Tipps zur Präsentation: Hole dir bei deiner Lehrerin die Tabelle vom Zuhörerbogen auf Folie kopiert. Führe deinen Versuch mit verschiedenen Gegenständen (Leiter und Nichtleiter) der Klasse vor. Lass vorher die Kinder vermuten, was passieren wird. Füllt während der Präsentation die Tabelle auf der Folie gemeinsam aus. Erkläre, wo und warum wir Nichtleiter als Isolatoren nutzen. Zeige Beispiele dafür. Du kannst auch das Lupenbild dazu benutzen. Mache eine Ausstellung mit Leitern und Nichtleitern. Beschrifte dazu zwei Pappkarten mit Leiter und Nichtleiter und stelle sie zur Ausstellung.
Z Strom und Technik Leiter und Nichtleiter Welche Gegenstände sind Leiter, welche Nichtleiter? Trage ein und kreuze an. Gegenstand / Material Leiter Nichtleiter Beobachtung: Gegenstände aus leiten Strom. Musterseiten aus: Expertikus Elektrischer Strom und Energie 3/4 Best.-Nr. 486 Themenhandbuch "Strom und Technik" Finken-Verlag www.finken.de 2 Warum sind diese Situationen gefährlich?
Lösungen zu Experiment Leiter und Nichtleiter Begleitbogen linke Seite, Lösungsbeispiele: Material Leiter Nichtleiter Büroklammer Nagel Schraube Alufolie Schlüssel Korken Trinkhalm Gummiring Wollfaden Stein Murmel trockenes Holzstück Radiergummi Musterseiten aus: Expertikus Elektrischer Strom und Energie 3/4 Best.-Nr. 486 Themenhandbuch "Strom und Technik" Finken-Verlag www.finken.de 2 3 Schlüsselwörter in möglicher Antwort: Alle Gegenstände aus Metall leiten Strom. Alle anderen leiten keinen Strom. Schlüsselwörter in möglicher Antwort: Es ist wichtig zu wissen, welche Materialien Strom leiten und welche nicht, um sich vor lebens - gefährlichen Stromschlägen zu schützen. Nichtleiter können als Isolatoren genutzt werden. a) das Kunststoffgehäuse bei einem Kassettenrekorder Leiter Nichtleiter b) die Taste am Lichtschalter Leiter Nichtleiter c) die Pole einer Batterie Leiter Nichtleiter d) das Innere eines Stromkabels Leiter Nichtleiter e) die Ummantelung an einem Stromkabel Leiter Nichtleiter Zuhörerbogen 2 Tabelle: siehe oben, Lösungsbeispiele für Begleitbogen, linke Seite Beobachtung: Gegenstände aus Metall leiten Strom. Schlüsselwörter in möglicher Antwort: Diese Situationen sind gefährlich, weil die schützenden Isolatoren / Nichtleiter beschädigt sind. Daher liegen die Leiter frei und man kann einen lebensgefährlichen Stromschlag bekommen.
Einleitung Erläuterungen zu den Arbeitsblättern Elektrotechnisches Hintergrundwissen Hinweise zu den Experimentiermaterialien Basisaufgaben zum Thema Strom Experiment 8 4 Die Batterie 8 von Ursula Breu, Dr. Erik Dinges, Peter Nink, Gabriele Schickel, Sabine Weis illustriert von Franziska Harvey Strom erzeugt Wärme Strom aus Bewegungsenergie 9 0 Musterseiten aus: Expertikus Elektrischer Strom und Energie 3/4 Best.-Nr. 486 Allgemeines Handbuch Finken-Verlag www.finken.de Strom und Energie 3/4 Themenhandbuch Sämtliche Kommentare, Kopiervorlagen und Lösungsseiten zu den Experimenten 8 4 Strom aus Sonnenenergie Stromverbrauch Strom sparen Stromversorgung Lernzielkontrolle 2 3 4 Anhang Beobachtungsbogen für den Sachunterricht Leitfaden für Präsentationen Lernpfeil
Inhaltsverzeichnis Erläuterungen zu den Arbeitsblättern................................................ Seite 4 Elektrotechnisches Hintergrundwissen............................................... Seite 7 Hinweise zu den Experimentiermaterialien............................................ Seite 3 Basisaufgaben zum Thema Strom.................................................. Seite 5 Experimente 8 bis 4........................................................... ab Seite 9 Experiment 8 Die Batterie Kann man aus zwei verschiedenen Metallen und Essig eine Batterie bauen? Experiment 9 Strom erzeugt Wärme Kann man mit Strom Wärme erzeugen? Experiment 0 Strom aus Bewegungsenergie Kann man mit Bewegung Strom erzeugen? Experiment Strom aus Sonnenenergie Kann man mit der Energie des Sonnenlichts Strom erzeugen? Experiment 2 Stromverbrauch Welches der elektrischen Geräte verbraucht am meisten Strom? Experiment 3 Strom sparen Wird eine gewöhnliche Glühlampe heißer als eine Energiesparlampe, wenn sie leuchtet? Experiment 4 Die Stromversorgung Warum kann es schwierig sein, Strom über lange Strecken zu leiten? Lernzielkontrollen und Lösungen................................................... Seite 75 Beobachtungsbogen für den Sachunterricht.......................................... Seite 8 Leitfaden zur Präsentation........................................................ Seite 82 Lernpfeil....................................................................... Seite 84 Musterseiten aus: Expertikus Elektrischer Strom und Energie 3/4 Best.-Nr. 486 Allgemeines Handbuch Finken-Verlag www.finken.de EXPERTIKUS Strom und Energie stellt Ihnen eine Auswahl an Experimenten zur Verfügung, aus denen Sie entsprechend Ihrem Lehrplan und den Interessen Ihrer Schüler die relevanten Versuche auswählen können. Auf der Posterabbildung finden Sie durch Ziffern markiert, auf welche Sachverhalte sich die Experimente hauptsächlich beziehen. 2 2 8 3 4 9 3 4 2 4 4 Finken Verlag www.finken.de EXPERTIKUS Strom und Energie 3/4 0 8 8 4 0 0 8 8 0
7 7 Erläuterungen zu den Arbeitsblättern Abschließende Lernzielkontrolle Lernzielkontrolle Lösungen zur Lernzielkontrolle Lernzielkontrolle Strom und Technik Seite von 3 Name: Datum: a) Materialien, die Strom leiten, nennt man: Materialien, die keinen Strom leiten, nennt man: b) Nenne mindestens drei Gegenstände, die Strom leiten. 2 a) Beschrifte die Zeichnung mit den passenden Begriffen. b) Zeichne eine Batterie mit ihren Polen so an die Glühlampe, dass die Lampe zu leuchten beginnt. Lösungen Lernzielkontrolle Strom und Technik Seite von 3 a) Materialien, die Strom leiten, nennt man Leiter. Materialien, die keinen Strom leiten, nennt man Nichtleiter (Isolatoren). b) Lösungsbeispiele: Schraube, Nagel, Löffel aus Metall, Büroklammer, Alufolie, Schlüssel, Spitze eines Schraubendrehers 2 a) Beschrifte die Zeichnung mit den passenden Begriffen. b) Zeichne eine Batterie mit ihren Polen so an die Glühlampe, dass die Lampe zu leuchten beginnt. Glaskolben Glühdraht (gewendelt) Schraubsockel Zuleitungsdrähte Lernzielkontrolle und Lösungen Die Lernzielkontrolle (3 Seiten) enthält Aufgaben zu allen Experimenten zum Themenschwerpunkt Strom und Energie. Zur raschen Kontrolle gibt es separate Lösungsseiten. Kontaktplättchen 3 a) Was kann man mit einem Schalter in einem Stromkreis bewirken? 3 Schlüsselwörter in möglichen Lösungssätzen: a) Man kann den Stromkreis mit einem Schalter schließen und unterbrechen. b) Es wäre unpraktisch, eine Lampe ohne Schalter auszumachen. Man müsste den Stecker aus der Steckdose ziehen oder die heiße Glühlampe herausdrehen und könnte sich dabei die Finger verbrennen. b) Welchen Nachteil hätte es, eine Lampe ohne Schalter ausmachen zu müssen? Musterseiten aus: Expertikus Elektrischer Strom und Energie 3/4 Best.-Nr. 486 Allgemeines Handbuch Finken-Verlag www.finken.de 6 Übergreifende Materialien im Anhang Leitfaden für die Präsentation Leitfaden für Präsentationen. Was ist eine Präsentation? Eure Klasse bearbeitet im Sachunterricht gerade das Thema Strom. Ihr habt Gruppen gebildet, die sich mit verschiedenen Einzelheiten zu diesem Thema beschäftigen. Am Ende sollen alle Kinder wissen, was die anderen Gruppen gelernt und herausgefunden haben. Deshalb präsentiert ihr ihnen am Ende eure Ergebnisse. Dafür habt ihr verschiedene Möglichkeiten: a) Vortrag: Das ist ein mündlicher Vortrag, in dem ihr den anderen eure Ergebnisse vorstellt und erklärt, was ihr herausgefunden habt. Dabei können euch Bilder helfen. Zum Beispiel ein Lupenbild als Folie oder ein Bild an der Tafel, das ihr bereits vor der Präsentation aufgemalt habt. b) Ausstellung: Das kann ein Tisch oder eine Ablage in eurem Klassenraum sein, auf dem ihr Gegenstände aus euren Experimenten und kleine Texte, Bilder oder Fotos ausstellt. c) Lernplakat oder Wandzeitung: Das ist ein großes Plakat mit kleinen Texten, selbst gemalten Bildern oder Fotos. Es kann während eures Vortrags gezeigt werden. d) Vorstellung: Das kann ein Experiment sein, das ihr den anderen Kindern vorführt. Auf jedem Begleitbogen findet ihr am Ende ein paar Tipps, welche Präsentations - formen besonders gut zu eurem Experiment passen. 2. Wie könnt ihr eure Präsentation vorbereiten? Um eine tolle Präsentation zu gestalten, müsst ihr sie gut vorbereiten. Drei Punkte müsst ihr unbedingt beachten:. Überlegt genau: Was sollen die anderen Kinder durch eure Präsentation lernen und erfahren? Schaut euch dazu den Zuhörerbogen an. Den sollen die Zuhörer nach eurer Präsentation ausfüllen können! 2. Lest die Tipps auf dem Begleitbogen. Sie helfen euch bei der Vorbereitung der Präsentation. 3. Gestaltet eure Präsentation mit besonderer Mühe. Ein besonders schön gestaltetes Plakat oder ein gut eingeübter Vortrag kommt bei den anderen Kindern gut an! Leitfaden für Präsentationen 3. Haben wir an alles gedacht? Beobachtungsbogen für den Sachunterricht A. Fähigkeiten und Fertigkeiten B. Kenntnisse C. Einstellungen und Haltungen 2 3 4 2 3 4 5 2 3 4 5 5 Name des Kindes Fragehaltungen aufbauen Experimente planen, durchführen und auswerten Ergebnisse dokumentieren und präsentieren Naturerscheinungen bewusst wahrnehmen Mit geeigneten Verfahren Messungen vornehmen über elementare Erscheinungen in der unbelebten Natur über elementare Erscheinungen in der belebten Natur über Regelhaftigkeiten in der belebten Natur über Lebensbedingungen von Pflanzen und Tieren über Kreisläufe in der Natur und deren Bedeutung für die belebte Natur Respekt vor Lebewesen Die anderen Kinder werden eure Präsentation mithilfe der Zielscheibe bewerten. Dabei werden sie folgende Dinge beurteilen: War die Präsentation verständlich? (Kann ich nun die Aufgaben auf dem Zuhörerbogen lösen?) War die Präsentation interessant und gut gestaltet? (schönes Plakat, gut beschriftete Bilder, guter Vortrag ) War die Präsentation gut vorbereitet? (Waren alle Materialien vorbereitet, die gebraucht wurden? Konnte auf meine Fragen gut geantwortet werden? ) Dazu werden sie euch Punkte für eure Präsentation geben. Je näher die meisten Punkte in der Mitte der Zielscheibe landen, desto besser war euer Vortrag. Macht nun selbst den Test: Wenn ihr mit der Vorbereitung eurer Präsentation fertig seid, überlegt, wie sie wohl bei den anderen Kindern ankommen wird. Jedes Kind aus eurer Gruppe muss dazu einen Punkt zu jeder Bewertungsart (also zu jedem Kuchenstück ) machen. Werdet ihr ins Schwarze treffen? Beobachtungsbogen für den Sachunterricht gut vorbereitet Interesse an Naturphänomenen Wissbegier gegenüber technischen Sachverhalten Sensibilität für Anliegen des Umweltschutzes Bereitschaft zur sachbezogenen Kommunikation verständlich interessant Auf diesem Bogen können Sie Beobachtungen zur Methodenkompetenz eines jeden Kindes festhalten. Leitfaden für Präsentationen Der Leitfaden dient den Schülern zur Einführung in Präsentations tech niken und Präsentations vorbereitungen. Die auf dem Leitfaden abgebildete Ziel scheibe liegt nicht als separate Kopier vorlage vor. Sie wird an die Tafel ge zeichnet. Lernpfeil Finken Verlag www.finken.de EXPERTIKUS Strom und Energie 3/4 Lernpfeil anschauen erzählen fragen vermuten experimentieren lesen notieren besprechen erklären aufschreiben planen vorbereiten präsentieren
Elektrotechnisches Hintergrundwissen Im Folgenden finden Sie Texte, in denen Begriffe aus dem Bereich der Elektrotechnik erläutert werden. Die Texte beinhalten Aspekte, die über den Inhalt der Informationsbögen der Kinder hinausgehen. Dabei handelt es sich stets um stark reduzierte Darstellungsweisen, die Ihnen in erster Linie zum gezielten Nachschlagen dienen sollen, um möglichen Fragen der Kinder begegnen zu können oder um zeitsparend und unkompliziert das eigene Wissen zu vertiefen bzw. aufzufrischen. Folgende Fragen werden beantwortet: Woher kommen die Begriffe Strom und Elektrizität? Was ist Strom? Was ist der Unterschied zwischen Stromstärke und Spannung? Warum leiten nicht alle Materialien Strom? Wann leitet Wasser Strom? Woran erkennt man elektrischen Strom? Wohin geht die unsichtbare elektrische Energie? Was ist der Unterschied zwischen Gleichstrom und Wechselstrom? Warum kann ein Stromschlag lebensgefährlich sein? Was geschieht in einem Eisenstück, wenn es zum Elektromagneten wird? Wie funktionieren verschiedene Leuchtmittel? In welche Richtung muss Strom durch eine Glühlampe fließen? Was ist ein Kurzschluss? Warum verbrauchen manche Elektrogeräte Strom, obwohl sie nicht eingeschaltet sind? Was ist eine Solarzelle? Musterseiten aus: Expertikus Elektrischer Strom und Energie 3/4 Best.-Nr. 486 Allgemeines Handbuch Finken-Verlag www.finken.de Woher kommen die Begriffe Strom und Elektrizität? Der Begriff Elektrizität kommt von dem griechischen Wort für Bernstein: Elektron. Die alten Griechen entdeckten, dass sich Bernsteine elektrisch aufladen, wenn man sie an einem Fell reibt. So wurde aus dem griechischen Wort Elektron (Bernstein) später unser Begriff Elektrizität. Da man früher die Vorstellung hatte, dass elektrische Energie wie Wasser fließt, kam es zu der Bezeich nung elektrischer Strom. Was ist Strom? Die kleinsten Teilchen, aus denen jede Materie auf unserer Welt besteht, sind die Atome. Jedes Atom ist zusammengesetzt aus einem Atomkern und aus Elektronen, die sich immer um den Atomkern herum bewegen. In manchen Materialien können sich Elektronen von ihrem Atomkern weg bewegen, zum nächsten Atom hin. Wandern Elektronen, wie bei einer Ketten reaktion, von einem Atom zum nächsten, entsteht ein Elektronenfluss = Strom 2. 2 Freie Elektronen beginnen dann gezielt in eine Richtung zu wandern, wenn sie ungleichmäßig verteilt sind. Sie haben immer das Ziel, sich möglichst gleichmäßig zu verteilen. Beispielsweise in einer Batterie befinden sich am Minuspol viel mehr freie Elektronen als am Pluspol. Sobald die beiden Pole miteinander verbunden werden, wandern die Elektronen vom Minus- zum Pluspol, bis sie sich gleichmäßig in der Batterie verteilt haben. Finken Verlag www.finken.de EXPERTIKUS Strom und Energie 3/4 7
Elektrotechnisches Hintergrundwissen Was ist der Unterschied zwischen Stromstärke und Spannung? Sind freie Elektronen ungleichmäßig verteilt (zum Beispiel in einer Batterie) bezeichnet man diesen Zustand mit Spannung. Die Elektronen drängeln dann danach, sich gleichmäßig zu verteilen. Je ungleichmäßiger die freien Elektronen verteilt sind, um so mehr drängeln sie. Die Spannung bezeichnet also den Druck, mit dem sich Elektronen durch einen Leiter bewegen ( drängeln ), wenn der Stromkreis geschlossen wird. Die Stromstärke dagegen gibt an, wie viele Elektronen sich in einer bestimmten Zeit durch einen Leiter bewegen. Vergleicht man die Elektronen mit Wasser, würde die Spannung angeben, mit welchem Druck Wasser durch ein Rohr fließt. Die Stromstärke dagegen gibt an, wie viel Wasser in einer bestimmten Zeit durch ein Rohr fließt, also die Menge. In den Informationsbögen zu den Experimenten wird Spannung manchmal mit Kraft bezeichnet, die Stromstärke dagegen mit Energie. Die Stromstärke misst man in Ampere (A). Spannung misst man in Volt (V). Zum Vergleich: Die Flachbatterien, wie sie in den Experimenten verwendet werden, verfügen über eine Spannung von 4,5 Volt (4,5 V). Unser Haushaltsstrom aus den Steckdosen dagegen hat eine Spannung von 230 V (früher 220 V). In Hochspannungsleitungen kann die Spannung sogar 380 000 V überschreiten. Musterseiten aus: Expertikus Elektrischer Strom und Energie 3/4 Best.-Nr. 486 Allgemeines Handbuch Finken-Verlag www.finken.de 8 Warum leiten nicht alle Materialien Strom? Elektronen können sich in einem Stoff (z. B. Kupfer ) nur bewegen, wenn sie frei sind und eine Spannung besteht (anliegt). Alle Stoffe, in denen das möglich ist, bezeichnet man als Leiter. In Stoffen, bei denen die Elektronen fest an ihren Atomkern gebunden sind (z. B. Kunststoff), kommt auch bei vorhandener Spannung keine Bewegung der Elektronen zustande. Diese Stoffe bezeichnet man als Nichtleiter. Nichtleiter werden oft als Isolatoren eingesetzt, um eine Berührung mit stromdurchflossenen Leitern oder Kurzschlüsse zu vermeiden. Wann leitet Wasser Strom? Reines, d. h. destilliertes Wasser ist ein Nichtleiter. Sind hingegen im Wasser Salze gelöst, werden bisher fest gebundene Elektronen frei und beweglich. Deshalb kann unreines Wasser den elektrischen Strom leiten. Unser Trinkwasser beinhaltet Mineralien und leitet daher Strom. In Experiment 7 ist diese Wirkung (erkennbar am Leuchten des Glühlämpchens) besser sichtbar, wenn dem Wasser zusätzlich Salz zugefügt wird. Durch seine stromleitende Eigenschaft kann (Trink-)Wasser in unserem Alltag zu einer Gefahrenquelle werden (Föhn im Badezimmer, Gewitter während eines Freibadaufenthaltes ) und erfordert daher besondere Aufmerksamkeit und Vorsichtsmaßnahmen. Finken Verlag www.finken.de EXPERTIKUS Strom und Energie 3/4
Elektrotechnisches Hintergrundwissen Warum kann ein Stromschlag lebensgefährlich sein? Auch in unserem Körper gibt es einige Vorgänge, die mit Strom funktionieren. Beispielsweise bewegen sich unsere Muskeln aufgrund ganz schwacher elektrischer Signale, die vom Gehirn zu unseren Muskeln laufen. Haben wir nun Kontakt mit einem Leiter, durch den starker Strom fließt (zum Beispiel Strom aus einer Steckdose), dann überdeckt dieser starke Strom die schwachen elektrischen Signale unseres Körpers. Das kann zur Folge haben, dass unsere Muskeln verkrampfen und wir uns nicht mehr bewegen können. Beispielsweise sind wir dann nicht mehr in der Lage, den Leiter loszulassen, und hängen damit am Strom fest. Unser Herz ist auch ein Muskel und wird mit schwachen elektrischen Impulsen zum Schlagen gebracht. Ein Stromschlag mit Strom aus der Steckdose kann unser Herz aus dem eigenen Rhythmus bringen (Herzflimmern). Es kann verkrampfen und unter Umständen schließlich ganz aufhören zu schlagen. Dies hängt auch mit der Frequenz unseres Haushaltsstroms (50 Hz = 50 Impulse in der Sekunde = 3 000 Impulse in der Minute) zusammen. (Siehe hierzu auch im vorliegenden Kapitel unter der Frage Was ist der Unterschied zwischen Gleichstrom und Wechselstrom?.) Diese ist sehr viel höher als die Frequenz unserer Herzschläge (Ruhepuls ca. 80 Schläge pro Minute). Haben wir Kontakt mit unserem Haushaltsstrom, reagiert das Herz auf die Impulsgabe des Stroms und verkrampft bei dem Versuch, der hohen Frequenz zu folgen. In unserem Körper können innere Organe durch hindurchfließenden Strom auch erhitzt und damit geschädigt werden. Außerdem kann Strom eine chemische Reaktion in unserem Blut auslösen. Für unseren Körper kann sich das wie eine Vergiftung auswirken. Gerade die Schäden an unseren inneren Organen und am Blut machen sich oft erst Stunden oder Tage nach einem Stromschlag bemerkbar. Deshalb gilt, auch wenn jemand einen Stromschlag überlebt hat: Immer auf schnellstem Weg zu einem Arzt gehen! Musterseiten aus: Expertikus Elektrischer Strom und Energie 3/4 Best.-Nr. 486 Allgemeines Handbuch Finken-Verlag www.finken.de 0 Was geschieht in einem Eisenstück, wenn es zum Elektromagneten wird? Normales Eisen, zum Beispiel in einem Eisennagel, besteht aus lauter kleinen Minimagneten, den sogenannten Elementarmagneten. Diese Elementarmagnete liegen jedoch ungeordnet im Eisennagel. Deshalb wirkt der Nagel nach außen nicht magnetisch. Steckt ein Eisennagel jedoch in einer Spule, durch die Strom fließt, werden die Elementarmagnete im Nagel durch das Magnetfeld der Spule geordnet 2. So wird der Nagel selber zum Magneten. Diesen nennt man dann Elektromagnet. Er ist stark genug, um andere Gegenstände (zum Beispiel kleine Nägelchen oder Büroklammern) anzuziehen. Fließt jedoch kein Strom mehr durch die Spule, verschwindet ihr Magnetfeld. Der Nagel verliert nach und nach seine magnetische Kraft, da die Elementarmagnete wieder ihre Ordnung verlieren. Im Gegensatz zum Elektro - magneten sind im Eisen eines sogenannten Dauermagneten die Elementarmagnete immer geordnet. (Siehe hierzu auch im Informationsbogen zu Experiment 6.) 2 Finken Verlag www.finken.de EXPERTIKUS Strom und Energie 3/4