Grundbegriffe der Elektrik-G

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Grundbegriffe der Elektrik

elektrische Ladung, elektrische Spannung,
elektrische Stromstärke & elektrischer Widerstand


G-Niveau.svg

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Mit diesem Heft lernst Du die wichtigsten Grundlagen, um den elektrischen Strom zu verstehen.


Erstellt von K. Kowalski

Anforderungen
F-Niveau.svg forschendes Niveau (Pflicht)
F-Niveau-Plus.svg forschendes Niveau (Wahl)
G-Niveau.svg grundlegendes Niveau (Pflicht)
G-Niveau-Plus.svg grundlegendes Niveau (Wahl)
E-Niveau.svg erweitertes Niveau (Pflicht)
E-Niveau-Plus.svg erweitertes Niveau (Wahl)
Arbeitsform
Text-x-generic with pencil.svg Arbeitsblatt
Office-book.svg Buch
Input-keyboard.svg Computer
Conical flask blue.svg Experiment
Video-x-generic.svg Film
X-office-presentation.svg Referat
Tools-spanner-hammer.svg Werken
Sozialform
Farm-Fresh user female.png Einzelarbeit
Farm-Fresh tandem.png Partnerarbeit
Farm-Fresh gruppe4.png Gruppenarbeit
Kontrolle
Farm-Fresh user female.png Schüler
Farm-Fresh user suit.png Lehrer
Dialog-apply.svg Aufgabe erledigt
# Name der Aufgabe Niveau Dialog-apply.svg Kontrolle
1 Glossar G-Niveau.svg Farm-Fresh user female.png
2 Die elektrische Ladung G-Niveau.svg Farm-Fresh user suit.png
3 Ladungen verschieben E-Niveau.svg Farm-Fresh user suit.png
4 Bewegte Ladungen sind ein elektrischer Strom G-Niveau.svg Farm-Fresh user suit.png
5 Die Stromstärke messen E-Niveau.svg Farm-Fresh user suit.png
6 Die elektrische Spannung messen E-Niveau.svg Farm-Fresh user suit.png

Zusätzlich habe ich folgendes gemacht:






























Nuvola Stift.png   Aufgabe 1: Ein Glossar anlegen

Recherchiere die Bedeutung aller wesentlichen Fachbegriffe aus diesem Heft und notiere diese im Glossar!
Einige Fachbegriffe stehen möglicherweise bereits im Glossar.

Begriff Erklärung
die elektrische Ladung














Fachbegriff Jede Wissenschaft hat eine eigene Fachsprache. Sie besteht aus Fachbegriffen und bestimmten Formulierungen. Ein Fachbegriff hat – anders als die meisten Worte aus unserer Alltags-Sprache – eine eindeutige und festgelegte Bedeutung. Wenn man diese Begriffe verwendet, kann man sich leichter ausdrücken und verständlich machen. Außerdem vermeidet man so Missverständnisse.
elektrischer Leiter








Isolator






























































Begriff Erklärung
elektrischer Strom








Versuchsreihe In einer Versuchsreihe wird systematisch ein Parameter nach dem anderen verändert und beobachtet, wie sich der Ausgang des Versuches dadurch ändert.
Die Stromstärke














Die elektrische Spannung










































































Blitze sind ein beeindruckendes Naturschauspiel. Sie entstehen durch elektrische Aufladung in Gewitterwolken. Aber auch aus unserem Alltag ist Elektrizität nicht wegzudenken. Lampen, Computer, Smartphones, Wasserkocher, Mikrowellenherde und zukünftig auch Autos werden mit elektrischem Strom betrieben. Auch Mikrochips - die wichtigsten Bauteile aller elektronischen Geräte - funktionieren mit elektrischem Strom. Strom bietet uns heute Möglichkeiten und Komfort, von dem Eure Ur-Ur-Urgroßeltern vor 150 Jahren noch nicht zu träumen wagten. Aber Strom birgt auch Gefahren. Der Elektrische Strom ist in der Lage einen Menschen lebensgefährlich zu verletzen. Um so wichtiger ist es, ein grundlegendes Verständnis vom elektrischen Strom zu besitzen.

Sicherlich hast Du auch schon einmal "eine gewischt" bekommen, wenn Du einen Türgriff aus Metall, eine Heizung oder einen Freund berührt hast. Vielleicht hast Du auch schon einmal beobachtet, dass Deine Haare knistern, wenn Du Dir einen Fleece-Pulli über den Kopf streifst.
Beide Fälle sind auf das gleiche Phänomen zurück zu führen. Um dieses Phänomen genauer zu untersuchen, kannst Du einige Versuch selbst durchführen:

Nuvola apps edu science.svg   Versuch 1: Die selbsthaftende Folie

Du benötigst für diesen Versuch ein Stück Klarsichtfolie und eine Kunststoffplatte.
Probiere, ob die Folie an den verschiedenen Oberflächen der Wände im Physik-Raum haften bleibt und notiere Dein Ergebnis in einer Tabelle!
Reibe jetzt mit der Folie etwa einige Sekunden an der Kunststoffplatte! Zieh die Folie vorsichtig von der Platte ab. Probiere, an welchen Oberflächen die Folie jetzt haften bleibt! Notiere Deine Beobachtungen in der gleichen Tabelle!
Der Tabellenkopf könnte so aussehen:

# Oberfläche unbehandelte Folie behandelte Folie
Nuvola apps edu science.svg   Versuch 2: Luftballon

Erstellt für diesen Versuch ein Versuchsprotokoll mit einer eigenen These (Vermutung) über den Ausgang des Experiments, einer kurzen Versuchsbeschreibung mit Skizze (die Versuchsdurchführung ist darin vermutlich schon enthalten), Eurer Beobachtung und Eurer Schlussfolgerung. Du benötigst für diesen Versuch einen Luftballon und jemand Freiwilligen mit etwas längeren Haaren. Reibe mit dem aufgepusteten Luftballon an den Haaren und entferne den Luftballon langsam vom Kopf. Was beobachtest Du dabei? Hast Du eine Erklärung für Deine Beobachtungen? l


Nuvola apps edu science.svg   Versuch 3: seltsame Verhältnisse

Erstelle auch für diesen Versuch ein Versuchsprotokoll. Du benötigst für diesen Versuch zwei Klarsichtfolien und eine Kunststoffplatte.
Reibt nun zwei Folien nacheinander an der Kunststoffplatte wie in Versuch 1! Haltet nun beide Folien mit zwei Fingern an einem Ende so zusammen, dass die Seiten der Folien sich anschauen, die vorher gegen die Kunststoffplatte gerieben wurden! Beobachtet die Folien! Untersuche, wie sich die Folien gegenüber der Kunststoffplatte verhalten! Notiere Deine Beobachtungen! Welche Schlussfolgerungen ergeben sich daraus?

So kann man sich ein Atom vorstellen. Nur sehr viel kleiner!

Alle Dinge bestehen aus winzig kleinen Bausteinen, den Atomen. Diese Atome sind aus noch kleineren Teilchen zusammengesetzt, die Kräfte aufeinander ausüben. Sie ziehen sich gegenseitig an oder stoßen sich gegenseitig ab. Die Ursache dafür bezeichnen wir als Farm-Fresh bullet go-16px.pngdie elektrische Ladung eines Teilchens. Wir kennen zwei Arten elektrischer Ladungen; positive elektrische Ladungen (+) und negative elektrische Ladungen (—).
Wenn in einem Körper gleich viele positive und negative Ladungen vorhanden sind (und diese gleichmäßig verteilt sind), dann spüren wir diese Ladungen nicht. Wir sagen dann, der Körper ist elektrisch neutral. Sobald aber eine Art von Ladungen überwiegt, können wir diese feststellen. Diese Ladungsüberschüsse bewirken eine Kraft. Diese Kraft ist verantwortlich für die Effekte in den Versuchen, die Du auf diesem Arbeitsblatt findest.

Nuvola Stift.png   Aufgabe 1: Die elektrische Ladung. Eine Definition.

Recherchiere im Physikbuch nach der elektrischen Ladung. Sammle Dein Wissen über die elektrische Ladung in Deiner Mappe. Wenn Du genug Wissen gesammelt hast und sicher bist, dass Du die elektrische Ladung verstanden hast, formuliere eine knappe Definition in Deinen eigenen Worten und notiere diese im Glossar in diesem Heft!
Verfahre von nun an mit allen gekennzeichneten Farm-Fresh bullet go-16px.pngFachbegriff en (für die keine Erklärung im Glossar angegeben ist) auf diese Weise!

Nuvola Stift.png   Aufgabe 2: Eine Erklärung für die seltsamen Effekte

Erkläre mit Hilfe Deines Wissens über die elektrischen Ladungen, den Versuch 3!

Nuvola Stift.png   Aufgabe 3: Der Fleece-Pulli
  • Wenn Du Dir einen Fleece-Pulli über den Kopf streifst, knistert es ganz schön.
  • Manchmal bekommt man "eine gewischt" wenn man einen Türgriff berührt.

Erkläre, wie beide Phänomene zustande kommen und was sie gemeinsam haben!
Hast Du das Überstreifen eines Flece-Pullis schon einmal im Dunklen beobachtet?


Quelle: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Stylised_Lithium_Atom.svg
Gut zu wissen: Niemand hat bisher je ein Atom oder ein Elektron gesehen weil sie dafür viel zu klein sind. Wir können sie nur messen. So wie das Atom hier gezeichnet ist können wir es uns aber leicht vorstellen. Im Kern befinden sich die positiv geladenen Protonen und die ungeladenen Neutronen. In der Hülle sind genau so viele der negativ geladenen Elektronen unterwegs wie Protonen im Kern sind. So erscheint das Elektron nach außen elektrisch neutral.
Einigen Atomen kann man Elektronen wegnehmen, andere Atome können noch welche aufnehmen. Weil dann die Anzahl der positiven und negativen Ladungen nicht mehr übereinstimmen, sind diese Atome dann positiv oder negativ geladen.

Du hast vermutlich schon festgestellt, dass Du unterschiedliche Ladungen voneinander trennen kannst. Wenn Du mit einem Luftballon an Deinen Haaren reibst, werden Deine Haare vom Luftballon angezogen.

Der Grund dafür ist, dass durch die Reibung einige der negativen Ladungen aus Deinen Haaren auf dem Luftballon haften bleiben. Der Ballon hat nun zu viele negative Ladungen. Er ist also negativ geladen. Deinen Haaren fehlen diese Ladungen, sie haben nun mehr positive als negative Ladungen. Sie sind daher positiv geladen. Genau genommen sind es also die ungleichmäßig verteilten Ladungen in Deinen Haaren und dem Ballon die sich anziehen.

Wenn Du gut aufgepasst hast, konntest Du so erklären, wieso zwei Folien sich gegenseitig abstoßen, wenn Sie z.B. an einer Kunststoffplatte aufgeladen wurden.
Aber wie lässt sich erklären, dass du Papierschnipsel unter einer Kunststoffplate zum Tanzen bringen kannst, wenn Du mit einem Tuch über die Kunststoffplatte wischt!? Die Papierschnipsel stehen mit der Kunststoffscheibe doch gar nicht in Kontakt!

Das kannst Du mit Hilfe eines Elektroskops verstehen. Das Elektroskop ist ein Gerät zum Nachweis von elektrischen Ladungen. Das Prinzip, mit dem es funktioniert, kennst Du bereits.

Mit einem Elektroskop können elektrische Ladungen nachgewiesen werden.

Ein einfaches Elektroskop

Ladungen die auf ein Elektroskop aufgebracht werden, verteilen sich gleichmäßig auf allen Metallteilen. Wenn sich ein Überschuss positiver oder negativer Ladungen auf dem Elektroskop befindet, dann schlägt der Zeiger aus. Je größer der Ladungsüberschuss ist, desto stärker ist der Ausschlag des Zeigers.

Gnome-dev-floppy.svg   Merke

Gleichnamige Ladungen stoßen sich gegenseitig ab.
Ungleichnamige Ladungen ziehen sich gegenseitig an.


Nuvola apps edu science.svg   Versuch 1: Ladungen auf dem Elektroskop

Reibe eine Kunststofffolie an der Kunststoffplatte und lade beide elektrisch auf. Streife nun die Plattee an der Metallkugel eines Elektroskops ab!
Erkläre Deine Beobachtung!

Streife nun die aufgeladene Folie an der Metallkugel ab! Wiederhole diesen Schritt mehrfach und erkläre Deine Beobachtung!

Nuvola Stift.png   Aufgabe 1: Erkläre wie ein Elektroskop funktioniert

Erläutere in Deiner Mappe, wie ein Elektroskop funktioniert!

Nuvola apps edu science.svg   Versuch 2: Ladung im Elektroskop?

Erstelle ein Versuchsprotokoll zu diesem Versuch! Entladet zunächst das Elektroskop indem ihr die Metallkugel mit der Hand berührt!

Ladet nun die Kunststoffplatte erneut auf und führe die Platte langsam zur Metallkugel, ohne dass die Kunststoffplatte die Kugel berührt! Entfernt die Platte langsam wieder von der Kugel und notiert Eure Beobachtungen!

Welche Bedingungen müssen erfüllt sein, damit der Zeiger des Elektroskops ausschlägt? Notiert diese Bedingungen in Eurem Protokoll!

Welche Erklärung ergibt sich daraus für dieses Experiment?

In einigen Stoffen können sich elektrische Ladungen (Elektronen) ganz besonders gut bewegen. Dazu zählen vor allem die Metalle.

Diese Eigenschaft der Metalle nutzt man beim Stromkabel. Wenn man auf ein Ende eines Stromkabels viele elektrische Ladungen aufbringt und diese am anderen Ende des Kabels wieder aufsammelt, fließen die Ladungen durch das Stromkabel, genauso wie Wasser durch eine Wasserleitung fließt. Man sagt, das Stromkabel (oder allgemeiner gesagt Metall) leitet den Strom der elektrischen Ladungen (oder umgangssprachlich den elektrischen Strom). Daher bezeichnen wir Metall als einen elektrischen Leiter.
Stoffe, in denen sich elektrische Ladungen nicht bewegen können bezeichnen wir als elektrische Isolatoren. Der Kunststoffmantel des Stromkabels ist ein Isolator - zum Glück, denn sonnst würde man ja stets einen elektrischen Schlag bekommen, wenn man ein Stromkabel berührt.

Nuvola Stift.png   Aufgabe 2: Definitionen

Recherchiere in Deinem Physik-Buch die Bedeutung der BegriffeFarm-Fresh bullet go-16px.pngelektrischer Leiter und Farm-Fresh bullet go-16px.pngIsolator ! Nenne jeweils Beispiele für elektrische Leiter und elektrische Isolatoren!


Du hast vermutlich bereits gelernt, dass es Stoffe gibt, in denen sich elektrische Ladungen gut bewegen können. Diese Stoffe bezeichnen wir als elektrische Leiter. Alle Metalle sind elektrische Leiter.

Stoffe in denen sich Ladungen nicht bewegen können bezeichnen wir als elektrische Nichtleiter oder als Isolatoren.

Ein Stromkabel besteht immer aus einem elektrischen Leiter. Meistens wird hierfür Kupfer verwendet. Außerdem ist ein Stromkabel mit einem Isolator ummantelt, damit man nicht aus Versehen mit dem elektrischen Leiter in Kontakt kommt.

Bild eines Wasserstroms und einer kurzgeschlossenen Batterie
Wenn man an einem Stromkabel auf der einen Seite viele gleichnamige Ladungen aufbringt und am anderen Ende des Kabels diese Ladungen abzieht, dann strömen die Ladungen durch das Kabel. Sie versuchen den Ladungsunterschied auszugleichen. Je größer der Unterschied zwischen den beiden Seiten ist, desto dringender strömen die Ladungen durch das Kabel.

Die Bewegung der Ladungen kann man weder sehen noch hören. Man kann sie sich aber vorstellen: Wenn Du zwei Glasgefäße am Boden mit einem Schlauch verbindest, und nur in eines der beiden Gefäße Wasser füllst, dann wird das Wasser vom volleren Gefäß durch den Schlauch in das leere Gefäß strömen, bis in beiden Gefäßen gleich viel Wasser steht.

Bei den elektrischen Ladungen ist das beinahe genauso. Nur dass hier statt Wasser elektrische Ladungen fließen. Am Minus-Pol befinden sich viel mehr negative Ladungen. Würdest Du die Pole einer Batterie direkt mit einem elektrischen Leiter verbinden, dann würden die negativen Ladungen vom Minus-Pol durch den Leiter zum Plus-Pol fließen, bis die Ladungen wieder gleichmäßig verteilt sind. (Achtung: Die Batterie wird dabei sehr heiß!)

In unserem Stromnetz sorgen Stromkraftwerke dafür, dass an einem Pol immer genügend Ladungen vorhanden sind. Wir können die fließenden Ladungen in all unseren elektrischen Geräten nutzen.

Wir sagen, es fließt ein Farm-Fresh bullet go-16px.pngelektrischer Strom , wenn Ladungen durch einen elektrischen Leiter strömen.

Nuvola Stift.png   Aufgabe 1: Unterschiedliche Wasserstände vs. ungleichmäßige Ladungsverteilung

Markiere in dem obigen Bild den Begriff Glaßgefäße und den entsprechenden Begriff in der Zeichnung von der Batterie blau!
Markiere im obigen Bild außerdem den Begriff "Wasserschlauch und den entsprechenden Begriff in der Zeichnung der Batterie grün!

Zeichne nun einen Pfeil unter den Wasserschlauch der die Strömungsrichtung anzeigt und notiere, was hier strömt!
Zeichne außerdem einen Pfeil unter das Stromkabel der die Strömungsrichtung anzeigt und notiere, was hier strömt!


Nuvola apps edu science.svg   Versuch 1: Bewegte Ladungen erkennen

Dokumentiere diesen Versuch in einem Versuchsprotokoll! Baue eine Prüfstrecke für elektrische Leiter auf! Du benötigst dafür:

  • eine Spannungsversorgung mit Netzanschluss
  • zwei Messkabel
  • zwei Isolatoren
  • eine Laborunterlage
  • verschiedene Metallkabel

Stelle die Isolatoren im Abstand von ca. 20cm auf die Laborunterlage! Verbinde einen Isolator mit dem roten und einen Isolator mit dem blauen Anschluss der Spannungsversorgung! Spanne einen Draht zwischen beiden Isolatoren ein! Lass den Aufbau von Deinem Lehrer überprüfen!

Beobachte, was passiert, wenn Du die Spannung an der Spannungsversorgung langsam hochdrehst!

Nuvola apps edu science.svg   Versuch 2: Systematische Untersuchung

Überlege Dir eine Farm-Fresh bullet go-16px.pngVersuchsreihe mit der Du das Verhalten des Drahtes unter dem Einfluss von elektrischem Strom systematisch untersuchen kannst! Besprich diesen Versuch in Deinem 2er-Team! Stellt Euren Versuch Eurem Lehrer vor bevor Ihr mit der Versuchsreihe beginnt!

Dokumentiert Eure Messergebnisse in einer Tabelle deren Kopf wie folgt aussehen könnte:

#MaterialStärkeLängeSpannung.........
Nuvola apps edu science.svg   Versuch 3: Wie viele Ladungen strömen?

Du benötigst für diesen Versuch ein Multimeter und ein weiteres Messkabel.

Lass Dir zeigen, wie Du mit dem Multimeter die Stromstärke messen kannst!

Führe eine Messreihe durch mit der Du ermittelst, ob es einen systematischen Zusammenhang zwischen der Länge des Drahtes und der Stromstärke gibt bei der der Draht durchbrennt!

Eine Messtabelle könnte wie folgt aussehen:

#MaterialStärkeLängemaximale
Stromstärke

Quelle: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ampere_Andre_1825.jpg
Die Maßeinheit der Stromstärke das Ampere wurde nach dem Französischen Physiker André-Marie Ampère benannt.
Farm-Fresh bullet go-16px.pngDie Stromstärke gibt an, wie viele Ladungen pro Zeit durch ein Kabel fließen. Weil die Stromstärke in der Elektrik so eine wichtige Größe ist, wurde für die Stromstärke eine eigene Maßeinheit eingeführt. Wir messen die Stromstärke in Ampere (abgekürzt durch ein großes A) und schreiben z.B.: die höchste zulässige Stromstärke des Multimeters beträgt 10A.
Gnome-dev-floppy.svg   Merke 1: Die Stromstärke

Die Stromstärke ist eine physikalische Größe die durch das große I abgekürzt wird. Die Stromstärke wird in der Maßeinheit Ampere gemessen.

Die Stromstärke ist gleich fünf Ampere
ist also bedeutungsgleich mit
I = 5A

Die untere Schreibweise wird üblicherweise in der Physik verwendet.

Um die Stromstärke die z.B. durch eine Glühlampe fließt zu messen, muss ein entsprechend eingestelltes Multimeter in Reihe mit der Glühlampe geschaltet werden. Dabei sind unbedingt mehrere Dinge zu beachten!

Gnome-dev-floppy.svg   Merke 2: Die Stromstärke mit dem Multimeter messen
Schaltbild zum Messen der Stromstärke in einer Lampe
  1. Der Messbereich des Multimeters muss vor der Messung auf Stromstärke (I) bzw. Ampere (A) eingestellt sein.
  2. Der Messbereich muss zu Anfang so hoch wie möglich eingestellt werden.
  3. Das Multimeter muss in Reihe mit einem Verbraucher geschaltet werden.
  4. Das Multimeter muss mit den Anschlüssen für die Messung der Stromstärke verbunden werden.
  5. Die Spannungsversorgung darf erst eingeschaltet werden wenn das Messgerät richtig angeschlossen wurde.
  6. Wenn die Messung mit dem gewählten Messbereich zu ungenau wird, kann der Messbereich schrittweise verringert werden.

Nuvola apps edu science.svg   Versuch 3: Wie viele Ladungen strömen durch die Lampe?
Du benötigst für diesen Versuch
  • eine Spannungsversorgung mit Netzanschluss
  • drei Messkabel
  • eine Lampe mit Fassung auf
  • eine Steckplatine
  • ein Multimeter

Lass Dir zeigen, wie Du mit dem Multimeter die Stromstärke messen kannst!

Führe eine Messreihe durch mit der Du ermittelst, ob es einen systematischen Zusammenhang zwischen der an der Spannungsversorgung eingestellten Spannung und der Stromstärke gibt!

Eine Messtabelle könnte wie folgt aussehen:

#Bezeichnung der LampeSpannung (U in V)Stromstärke (I in A)empfundene
Helligkeit

Farm-Fresh bullet go-16px.pngDie elektrische Spannung
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