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Elektrizitätslehre (1)

 

Hier findest du alle Inhalte zur Unterrichtseinheit.


Inhalt - Elektrizitätslehre

Teil1:
Elektrische Erscheinungen
1) Elektrizität im Alltag
2) LADEN und ENTLADEN    
3) Nachweis elektrischer Ladungen
Das Elektroskop        
Wie können sich Körper elektrisch aufladen?
Teilchenmodell (Kugelmodell)
Atommodell nach Bohr    
Leiter und Nichtleiter        
Der elektrische Stromkreis
Schaltsymbole
Energie
Was ist Energie?    
Der elektrische Strom    
Elektrischer Strom wird gemessen:    
Das Amperemeter    
Die elektrische Spannung    
Messung der elektrischen Spannung    
Der elektrische Widerstand    
Widerstand und Temperatur    
Das Ohmsche Gesetz    
Der spezifische Widerstand    
Der spezifische Widerstand: Aufgaben    
Die elektrische Leistung    
Die elektrische Arbeit    
Teil 2:

Reihenschaltung und Parallelschaltung    
1. Die Reihenschaltung
  a) Elektrische Ströme in der Reihenschaltung    
  b) Elektrische Spannungen in der Reihenschaltung
  c) Widerstände in der Reihenschaltung
2. Die Parallelschaltung
  a) Elektrische Ströme in der Parallelschaltung
  b) Elektrische Spannungen in der Parallelschaltung
  c) Widerstände in der Parallelschaltung
Der Gesamtwiderstand bei der Parallelschaltung:
Elektrizität  (Übersicht)
Magnetismus (1)
Magnetismus (2)
Ströme erzeugen Magnetfelder
Bewegte Ladungsträger im Magnetfeld
Leiterschleife im Magnetfeld
Der Elektromotor
Die Klingel
Elektromagnetische Induktion
Der Generator (1)
Der Generator (2)
Wechselspannung , Wechselstrom
Das Drehstromnetz
Der Transformator
Aufgaben zum Transformator   

Alle Folien in einem Heft

Produktplatzierungen

Hinweis:
Für die Unterrichtseinheit ist die Anschaffung des Skripts für meine Schüler nicht notwendig! Die Folien werden nacheinander bearbeitet und notwendige Materialien ggf. kopiert. Es sind keine Lösungen zu den Aufgaben enthalten.

Publikationen

Hinweis:
Die Inhalte dieser Unterrichtseinheit zielen ab auf die Vermittlung der Grundlagen der Thematik und stellen den Stoff inhaltlich zusammenhängend dar. Den Schülern soll die Struktur der physikalischen Themenbereiche somit im Rahmen des Physikunterrichts der Mittelstufe deutlich vermittelt werden.


Physik: Skriptsammlung





Infotext - Elektrische Erscheinungen


Elektrische Erscheinungen rühren von den Kräften her, die elektrische Ladungen aufeinander ausüben. Ein klassisches Beispiel ist, dass geriebener Bernstein Teilchen anzieht. Auch wenn die Kräfte klein erscheinen, ist die elektrische Kraft zum Beispiel im Vergleich zur Gravitation (Massenanziehungskraft; Erdanziehungskraft) außerordentlich stark.

Schon im Altertum war bekannt, dass bestimmte Materialien wie beispielsweise Bernstein nach dem Reiben an einem Tuch oder Fell kleine leichte Teilchen anziehen. Dies wurde bereits um 550 v. Chr. von Thales von Milet an Bernstein beschrieben. Diese beruht auf dem energetisch günstigen Übergang von elektrischen Ladungen (Elektronen) zwischen zwei sich berührenden Stoffen. William Gilbert war ein englischer Arzt und als Physiker einer der Wegbereiter der modernen naturwissenschaftlichen Forschung, insbesondere auf dem Gebiet der Elektrizität und des Magnetismus. Er setzte Arbeiten aus dem 13. Jahrhundert fort und fand heraus, dass auch andere Stoffe durch Reibung elektrisiert werden können. Er führte 1600 den dem Neulateinischen entlehnten Begriff „electrica“ für die Erscheinungen ein, die er im Zusammenhang mit dem Bernstein entdeckte, „elektron“ stammt vom griechischen Wort für Bernstein. Im 17. und 18. Jahrhundert führten Zahlreiche Naturforscher eingehende Experi¬mente zur Natur der elektrischen Ladung durch. Bei Versuchen mit einer durch Reibung elektrostatisch aufgeladenen Glasröhre sprach Benjamin Franklin von „einer Ladungsart“, die nur ihren Aufenthaltsort verändert und somit positive oder negative Aufladung verursacht. Elektrische Ausladungen sind die Ursache von verschiedenen Phänomenen in unserem Alltag, dazu zählen Blitze bei einem Gewitter oder auch abstehende Haare nachdem man beispielsweise einen Pullover ausgezogen hat. Jeder kennt das Gefühl „eine gewischt zu bekommen“, z.B. an einer Autotür oder beim Kontakt mit einem anderen metallischen Gegenstand. Dabei werden elektrische Ladungen durch einen kleinen Blitz ausgeglichen. Mit guten Kameras lässt sich ein solcher Blitz sogar nachweisen und sichtbar machen.

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.



Aufgaben:

1) Wie lässt sich überprüfen, ob ein Gegenstand elektrisch aufgeladen ist?

2) Wie geht man vor, wenn man einen Gegenstand elektrisch aufladen will?

3) Darf ein Gegenstand aus Metall in der Hand gehalten werden, wenn man ihn aufladen will?

4) Beschreibe den Aufbau und die Funktionsweise eines Elektroskops.



Aufgaben:

1) Welche Aggregatzustände kennst du und wie heißen die Übergänge zwischen den Aggregatzuständen. Hinweis: Auf der Themenseite Wärmelehre findest du auf der ersten Folie Informationen dazu.

2) Brillenträger kennen das: Wenn man im Winter von draußen kommt und betritt einen warmen Raum, dann beschlägt die Brille. Was passiert da eigentlich und warum?

3) Was genau passiert bei der Aufladung eines Körpers? Beschreibe!

4) Körper können auf zwei verschiedene Arten aufgeladen sein. Was genau ist dabei der Unterschied? Warum ist der Aufbau der Atome dabei so wichtig? Was geschieht bei der Aufladung mit den Atomen?



Aufgaben:

1) Nenne vier Leiter und vier Nichtleiter (Isolatoren).

2) Isolatoren können den eletrischen Strom nicht leiten. Sind das deshalb "schlechtere" Materialien? Was meinst du? Erläutere!

3) Das Netzkabel an deinem TV-Gerät kannst du in die Hand nehmen, auch wenn das TV-Gerät angeschaltet ist. Hier wird doch elektrischer Strom geleitet, oder?! Warum ist das dann nicht gefährlich für dich?

4) Ist Wasser ein elektrischer Leiter? In den Videos findest du dir Antwort auf die Frage. Beschreibe den Versuchsaufbau des entsprechenden Videos und beantworte die Frage schriftlich in deinem Heft.



Infos zum Thema:

Elektrizität



Bildergalerie - Elektrizität (1)

(Abbildungen mit freundlicher Genehmigung des DEUTSCHEN MUSEUMS München)



Aufgaben:

1) Nenne die Bestandteile des elektrischen Stromkreises und des Wasserstromkreises auf Folie [04]. Welche Entsprechungen gibt es zwischen den Bestandteilen?
2) Was ist jeweils die Energiequelle in den beiden Abbildungen auf Folie [04] und wie wird die Energie transportiert?
3) Was versteht man unter einem „offenen“ Stromkreis und unter einem „geschlossenen“ Stromkreis?
4) Aus welchem Grund werden zur Darstellung von elektrischen Stromkreisen „Schaltsymbole“ verwendet?
5) Zeichne den elektrischen Stromkreis mit einem Schalter, einem Motor und einer Batterie (siehe Folie [05]). Gibt es verschiedenen Möglichkeiten?

Elektrizität (1): [7:01]

Der einfache elektrische Stromkreis

Im Video wird ein einfacher Stromkreis aus Schalter, Batterie und Glühbirne aufgebaut und verschiedene Variationen vorgeführt.


Aufgaben:

1) Im Haushalt hast du viele Geräte. Nenne vier Geräte und gib jeweils an, welche Energieform sie benötigen und welche sie abgeben.
2) Bei jedem technischen Gerät entstehen „Verluste“! Was ist damit gemeint, nenne 5 Beispiele.
3) In den Videos hast du gesehen, dass Energie durch technische Anlagen gewonnen wird. Nenne vier Beispiele.
4) Warum werden die Energieformen in unserer Umwelt in elektrische Energie umgewandelt? Könnte man die Energieformen vielleicht auch direkt nutzen? Nimm Stellung dazu.
5) In einem Stromkreis strömen Elektronen entlang der Leiterbahnen in einem geschlossenen Kreislauf. Gilt das auch für die Energie?

Querverweis → Themenseite: Energietechnik

Infotext - Hans Christian Ørsted


Hans Christian Ørsted, (1777 - 1851) war ein dänischer Physiker, Chemiker und Naturphilosoph. 1820 entdeckte Ørsted die magnetische Wirkung des elektrischen Stromes und gilt als Mitbegründer der Elektrizitätslehre und Elektrotechnik. Er gilt als eine der führenden Persönlichkeiten des Goldenen Zeitalters Dänemarks.

 

Leben

Hans Christian Ørsted wurde als einer der beiden Söhne des Apothekers Søren Christian Ørsted geboren. Da es bis 1814 keine allgemeine Schulbildung gab, erhielten die beiden Söhne hauptsächlich privaten Unterricht, u. a. Deutsch und Mathematik. Durch die Arbeit in der Apotheke seines Vaters, in der er mit zwölf Jahren anfing auszuhelfen, wurde Ørsteds Interesse an der Wissenschaft geweckt. Er erlangte seine weitere Bildung hauptsächlich autodidaktisch und studierte später in Kopenhagen Naturwissenschaften und Pharmazie. 1799 erlangte er den Doktorgrad mit einer Dissertation über Kants Naturphilosophie und wurde später Professor an der Uni in Kopenhagen. Ørsted hatte drei Söhne und vier Töchter. Als er im Alter von 73 Jahren in Kopenhagen verstarb, war er anerkannter Physiker, Chemiker und Astronom.

 

Physik

1820 beobachtete Ørsted während einer Vorlesung die Ablenkung einer Kompassnadel durch einen stromdurchflossenen Draht und entdeckte somit die magnetische Wirkung des elektrischen Stromes. Er unternahm daraufhin hierzu weitere Experimente. Ørsted war nicht der Erste, der einen Zusammenhang zwischen Elektrizität und Magnetismus entdeckte, denn bereits 18 Jahre zuvor (1802) hatte der Italiener Gian Domenico Romagnosi die gleichen Beobachtungen gemacht. Diese fanden aber zu jener Zeit keine Beachtung und gerieten in Vergessenheit. Ørsted erkannte sofort die Tragweite der Verknüpfung beider Phänomene. Er löste damit die Entwicklung der Elektrizitätslehre und Elektrotechnik aus.

 

Philosophie

Ørsted führte als erster den Begriff Gedankenexperiment als Beziehung zwischen mathematischer und physikalischer Erkenntnis bei Kant ein. Die Prägung des Begriffs wird aber Ernst Mach zugeschrieben, da Ørsteds kantische Perspektive nahezu ohne begriffsgeschichtlichen Einfluss blieb.

 

Austausch mit anderen Wissenschaftlern

Johann Wolfgang von Goethe wurde auf die Pionierleistung von Ørsted aufmerksam und lud ihn ein, seine Experimente am Weimarer Hof vorzuführen. Anfangs war André-Marie Ampère skeptisch, ließ sich aber durch die Wiederholungen der Versuche überzeugen. Michael Faraday war von den Forschungsergebnissen beeindruckt und entdeckte elf Jahre später die elektromagnetische Induktion

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.



Aufgaben:

1) Neben dem elektrischen Strom gibt es auch andere „Ströme“. Nenne drei Beispiele.
2) Was genau strömt bei einem Luftstrom?
3) Aus einer Quelle strömen in 24 Sekunden 1200 Liter Wasser. Eine zweite Quelle liefert in 15 Sekunden 720 Liter. Welcher Wasserstrom ist größer?
4) Durch ein Kupferkabel kann der elektrische Strom unterschiedlich groß sein. Was genau bedeutet das dann für die Elektronen? Was ist der Unterschied zwischen einem kleinen und einem großen Ladungsstrom?
5) Metalle leiten den elektrischen Strom, aber nicht alle Metalle leiten ihn gleich gut. Vergleiche die Metalle hinsichtlich ihrer elektrische Leitfähigkeit: Silber, Gold, Kupfer, Aluminium, Eisen.

Elektrizität - Oersted-Versuch (1): [7:27]

In diesem Video wird der Oersted-Versuch vorgeführt. Dabei wird auch gezeigt, dass über und unter dem Leiter die Magnetfeldrichtung unterschiedlich orientiert ist.

Elektrizität - Oersted-Versuch (2): [5:38]

Es wird mit der Magnetnadel an verschiedenen Orten und bei unterschiedlichen Stromstärken das Magnetfeld untersucht.

Infotext - André-Marie Ampère


André-Marie Ampère (1775 - 1836) war ein französischer Physiker und Mathematiker. Er war der herausragende Experimentator und Theoretiker der frühen Elektrodynamik. Nach ihm ist die internationale Einheit der Stromstärke Ampere benannt. 

 

Leben

Ampère fiel schon früh als wissbegieriger Knabe und durch sein gutes Gedächtnis auf. Ampère las als Jugendlicher Buffons Naturgeschichte, systematisch eine 35-bändige Enzyklopädie und lernte Griechisch, Latein und Italienisch. Sein Vater wurde 1793 nach dem Fall von Lyon (während der Französischen Revolution) als Girondist hingerichtet, was bei Ampère eine tiefe Krise auslöste. Als Achtzehnjähriger befasste er sich mit mathematischen und physikalischen Lehrbüchern. Er wandte sich ebenfalls der Botanik und der Psychologie zu, ehe er Mathematik und Physik studierte. 1802 wurde er Lehrer für Physik und Chemie an der École centrale in Bourg-en-Bresse. Sein mathematisches Werk zu einem wahrscheinlichkeits¬theoretischen Aspekt von Glücksspielen machte ihn unter Wissenschaftlern in Paris bekannt. 1814 wurde Ampère Mitglied in der französischen Akademie der Wissenschaften. 1824 erhielt er den Lehrstuhl für Experimentalphysik am Collège de France. 1836 starb Ampère in Marseille im Alter von 61 Jahren an einer Lungenentzündung. 

 

Werk

Seine bedeutendsten Arbeiten entstanden ab 1820 und machten ihn zum Begründer der Elektrodynamik. Ampère vertrat ein Verfahren des wissenschaftlichen Erkenntnisgewinns bei dem der Naturforscher zunächst eine Hypothese aufstellt. Im nächsten Schritt muss dann die Frage gestellt werden, welche Experimente unternommen werden müssen, um die Theorie zu stützen oder zu falsifizieren (also zu widerlegen). 
Später beschäftigte er sich mit der Naturphilosophie. Da das Denken des Menschen ein Bild des Denkens Gottes sei und Gott das Universum geschaffen habe, sollte des Menschen Geist imstande sein, das Universum in reinen Denkakten zu verstehen. Einheit der Wissenschaft sollte die Widerspiegelung des göttlichen Geistes sein. 

 

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.


Elektrizität (2): [12:36]

Messung der elektrischen Stromstärke im einfachen elektrischen Stromkreis

Im Video wird ein einfacher Stromkreis mit Glühbirne, Batterie und Schalter aufgebaut und die elektrische Stromstärke gemessen. Dabei werden verschiedenen Varianten vorgeführt.

Bildergalerie - Elektrizität (2)

Infotext - Alessandro Volta


Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta, ab 1810 Graf von Volta (1745 - 1827) war ein italienischer Physiker. Er gilt als Erfinder der elektrischen Batterie und als einer der Begründer der Elektrizitätslehre. Das "Volt" ist die physikalische Einheit der elektrischen Spannung. Es wurde 1897 nach dem italienischen Physiker Alessandro Volta benannt. Als Einheitenzeichen wird der Großbuchstabe „V“ verwendet.

Volta wurde als eines von neun Kindern einer wohlhabenden Familie in Norditalien geboren. Im Selbststudium beschäftigte er sich mit Büchern über Elektrizität und korrespondierte mit führenden Gelehrten. 1769 veröffentlichte er seine erste physikalische Arbeit. 1778 wurde Volta zum Professor für Physik und bis 1819 Lehrstuhlinhaber für Experimentalphysik an die Universität Pavia berufen. Dort erfand er ein Elektroskop zur Messung kleinster Elektrizitätsmengen und quantifizierte die Messungen unter Einführung eigener Spannungseinheiten (das Wort „Spannung“ stammt von ihm).
1792 erfuhr er von den Frosch-Experimenten des angesehenen Anatomen Luigi Galvani, die dieser auf „animalische Elektrizität“ zurückführte. Volta erkannte aber die Ursache der Muskelzuckungen in äußeren Spannungen, und es entsprang ein Streit, der die Wissenschaftler in ganz Europa in Lager teilte. Heute ist immer noch wichtig, dass sich daraus Voltas bahnbrechende Erfindung der Batterie ergab.
Voltas größte und erfolgreichste Erfindung war die um 1800 konstruierte Voltasche Säule, die erste funktionierende Batterie. Sie bestand aus übereinander geschichteten Elementen aus je einer Kupfer- und einer Zinkplatte, die von Textilien, die mit Säure getränkt waren, voneinander getrennt wurden. Erst diese Erfindung der Batterie ermöglichte die weitere Erforschung der magnetischen Eigenschaften elektrischer Ströme im folgenden Jahrhundert.
1791 ernannte ihn die Royal Society zum Mitglied und verlieh ihm 1794 ihre Copley-Medaille. 1801 reiste er nach Paris, wo er am 7. November Napoleon Bonaparte seine Batterie vorführte. Nach der Erfindung der Batterie gab er die Forschung und Lehre zunehmend auf. Seine Karriere hatte die wechselnden politischen Herrschaftsverhältnisse unbeschadet überstanden – er war sowohl bei den Habsburgern als auch bei Napoleon in Gunst. 
Alessandro Volta starb 1827 mit 82 Jahren in Como. Er liegt in Camnago, einem Ortsteil von Como begraben, der seit 1863 Camnago Volta heißt. Dort kann man auch seine Instrumente im Museum Tempio Voltiano besichtigen.

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.



Aufgaben:

1) Die elektrische Spannung kann man sich anschaulich mit Hilfe des Wasserkreislaufs vorstellen. Erläutere!
2) Nicht alle elektrischen Geräte werden mit der gleichen elektrischen Spannung angetrieben. Nenne fünf Beispiele.
3) Was passiert, wenn man ein 12V-Lämpchen an eine 9V-Batterie anschließt? Beschreibe, was man dabei beobachten kann.
4) Was passiert, wenn man ein 3,5V-Lämpchen an eine 9V-Batterie anschließt? Beschreibe, was man dabei  beobachten kann.
5) Welche Bedeutung hat die elektrische Spannung für die Elektronen im Stromkreis?

Elektrizität (3): [18:19]

Messung der elektrischen Spannung im einfachen Stromkreis

Gezeigt wird die Spannungsmessung im einfachen, unverzweigten Stromkreis in verschiedenen Varianten. Der Stromkreis besteht aus Batterie, bzw. Netzgerät, Schalter und Glühbirne.

Infotext - Georg Simon Ohm


Georg Simon Ohm (1789 - 1854) war ein deutscher Physiker.

Ohm entstammte einer alten Bürgerfamilie, die seit vielen Generationen das Schlossergewerbe vom Vater auf den Sohn weitergab. Der Vater führte seine beiden Söhne Georg Simon und Martin, die entgegen der Familientradition das Gymnasium besuchen durften, früh an die Mathematik heran und erteilte ihnen selbst Mathematik-Unterricht. Im Alter von fünfzehn Jahren wurde Georg Simon Ohm einer fünfstündigen Prüfung durch den Mathematikprofessor Karl Christian von Langsdorf unterzogen, der seine außerordentliche Begabung und sein weit überdurchschnittliches Wissen auf dem Gebiet der Mathematik bestätigte. 1805 begann Georg Simon Ohm als 16-Jähriger ein Studium der Mathematik, Physik und Philosophie in Erlangen. Wegen finanzieller Schwierigkeiten musste er das Studium nach einem Jahr abbrechen und ging als Mathematiklehrer an eine Privatschule in der Schweiz. Mit 22 Jahren kehrte er nach Erlangen zurück, wurde dort 1811 mit einer Arbeit über Licht und Farben zum Doktor promoviert und arbeitete in weiterhin als Privatdozent und Lehrer für Mathematik und Physik in Bamberg, Köln und später in Berlin.

Sein Hauptinteresse galt der damals noch weitestgehend unerforschten Elektrizität. 1833 wurde er Professor in Nürnberg, 1849 wechselte er an die Universität München, wo er eine Professur für Experimentalphysik innehatte.

Ohms Name ist in die Terminologie der Elektrizitätslehre eingegangen. Als ohmsches Gesetz wird die Proportionalität zwischen Stromstärke und Spannung in einem elektrischen Leiter bezeichnet, die Ohm im Frühjahr 1826 gefunden hatte. Die Proportionalitätskonstante wird als elektrischer Widerstand bezeichnet, dessen SI-Einheit das Ohm (Symbol Ω) ist.

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.


Elektrizität: Leitfähigkeit eines elektrischen Leiters [15:29]

In Versuchen wird die Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit elektrischer Leiter vom Material, der Länge und dem Durchmesser (Querschnitt) des Leiters untersucht. Es kommen Drähte aus Kupfer, Eisen, Chromnickel und Konstantan zum Einsatz. Anschließend werden die Ergebnisse zusammengefasst und noch einige Detailbilder des Versuchs gezeigt.


Aufgaben:

  1. Den elektrischen Strom kannst du dir als Modell so vorstellen, dass Tischtennisbälle eine schräge Tischplatte hinunter rollen (vgl. Video). Wie muss ich mir in diesem Modell den elektrischen Widerstand vorstellen? Beschreibe aus Sicht der Elektronen und die Auswirkung auf deren Bewegung.
  2. Bei einem "schlechten Leiter" fließt weniger Strom als bei einem "guten Leiter". Wie lässt sich das in der Modellvorstellung aus Aufgabe 1 erklären?
  3. Warum hat ein langer Draht einen höheren Widerstand als ein kurzer Draht? Erkläre in der Modellvorstellung von Aufgabe 1.
  4. Warum hat ein dicker Draht einen kleinere Widerstand als ein dünner Draht? Erkläre in der Modellvorstellung von Aufgabe 1.
  5. Welchen Einfluss hat die Temperatur auf den elektrischen Strom durch einen Leiter? Erkläre in der Modellvorstellung von Aufgabe 1.
  6. Verschiedene Materialien leiten den Strom unterschiedlich gut. Welche Materialien leiten den Strom gut, welche schlecht? Ordne die folgenden Materialien nach ihrer Eigenschaft wen elektrischen Strom zu leiten: Blei, Eisen, Kupfer, Kohlenstoff, Gummi, Messing, Stahl, Silber, Porzellan
  7. Das Material Konstantan hat eine besondere Eigenschaft. Woraus besteht Konstantan und was ist dies besondere Eingenschaft? Recherchiere und erkläre.

Elektrizität: Widerstand und Temperatur [10:35]

Im Versuch wird die Abhängigkeit der elektrischen Stromstärke durch einen Leiter von der Temperatur untersucht. Dabei werden die Materialien Eisen, Kupfer und Konstantan verwendet.

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Elektrizität: Das Ohmsche Gesetz (1) [8:01]

Im Versuch wird das Ohmsche Gesetz hergeleitet. Zunächst werden die Messwerte erfasst und anschließend ausgewertet. Das führt auf den zentralen Zusammenhang des Ohmschen Gesetzes.

Elektrizität: Das Ohmsche Gesetz (2) [4:09]

Im zweiten Teil zum Ohmschen Gesetz werden drei einfache Beispiele vorgerechnet. Weiterhin wird das Merkdreieck zum Ohmschen Gesetz gezeigt.


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Elektrizität: Die elektrische Leistung [13:16]

Im Versuch werden die Stromstärke und die Spannung von verschiedenen Glühbirnen vermessen und mit der Leuchtkraft verglichen. Daraus wird die elektrische Leistung abgleitet: P = U * I. Weiterhin wird ein Beispiel vorgerechnet.

Infotext - James Watt


James Watt (1736 - 1819) war ein schottischer Erfinder. Seine einflussreichste Erfindung war die Verbesserung des Wirkungsgrades der Dampfmaschine. 

Watt wurde als Sohn armer, gebildeter Eltern geboren. Sein Vater war Zimmermann und Konstrukteur von nautischen Geräten. Schon als Junge experimentierte er gern und soll die Funktionsweise von jedem Gegenstand, den er in die Finger bekam, erforscht haben. Für ein Medizinstudium, für welches Watt sich interessierte, waren seine Eltern jedoch zu arm. Deshalb begann Watt in London eine inoffizielle Mechanikerlehre. Watt erhielt 1757 eine Stelle als Instrumentenmacher an der Universität von Glasgow. Sein Einraum-Labor entwickelte sich schon bald zum Treffpunkt von Dozenten und Studenten. Watt fand an der Universität viele Freunde, obwohl er „nur“ ein Handwerker war. 

 

Weiterentwicklung der Dampfmaschine

1764 erhielt Watt als Universitätsmechaniker den Auftrag, das Modell einer Dampfmaschine zu reparieren. Watt beschloss, die Maschine zu verbessern. Watt gab seine Stelle an der Universität Glasgow auf, um sich stärker der Weiterentwicklung der Dampfmaschine zu widmen. Erst 1769 fand er dann aber die notwendigen Geldgeber und reichte 1769 das englische Patent ein. Watts Verbesserungen ermöglichten eine Ersparnis an Steinkohle von über 60 Prozent. Die erste einsatzfähige Dampfmaschine nach dem Wattschen Prinzip wurde 1776 installiert. Durch Watts Ideen wurden wesentlich stärkere Maschinen möglich. Auch führte er die Pferdestärke (PS) als Maßeinheit für die Leistung ein (1PS = 0,74kW; 1 kW = 1,36PS). . 

 

Wettbewerber

Watt und sein Geldgeber Matthew Boulton behinderten während der Zeit, in der die Watt verliehenen Patente Gültigkeit hatten, erfolgreich die Weiterentwicklung der Dampfmaschine durch konkurrierende Ingenieure. 

 

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Elektrizität: Die elektrische Arbeit [6:20]

Beschrieben wird am Beispiel die Berechnung der Kosten bei einer "Stromrechnung" (Energiekostenabrechnung). Dabei wird an einleuchtenden Beispielen die Formel für die elektrische Arbeit abgeleitet.

Infotext - James Prescott Joule


James Prescott Joule (1818 - 1889) war ein britischer Brauer, der als Physiker zu größten Ehren kam. Als Spross einer Brauerfamilie war er selbst Besitzer einer Bierbrauerei und forschte, ausgehend von technischen Fragen des Maschinenbaus und des Brauereiwesens, zu naturwissenschaftlichen Fragen. Er war Autodidakt, die physikalische Einheit der Energie wurde ihm zu Ehren „Joule“ genannt.


Joule als Brauer

James Joule übernahm und betrieb zusammen mit seinem Bruder Benjamin die in Salford gelegene Brauerei.  Sein Briefwechsel mit William Thomson (1. Baron Kelvin) deutet auf ein großes Interesse Joules an der Verbesserung der technisch-physikalisch-chemischen Abläufe der väterlichen Brauerei hin. Durch die Erkrankung seines Vaters und den Rückzug seines Bruders aus dem Brauereibetrieb musste James Joule sich mit der technischen und der kaufmännischen Seite der Bierherstellung auseinandersetzen. Die Brauerei wurde im Jahr 1855, im Zusammenhang mit Krankheit und Tod des Vaters, verkauft, damit sich Joule ganz seinen naturwissenschaftlichen Experimenten widmen konnte.


Joule als Naturwissenschaftler

Joule war in seiner Jugendzeit sehr experimentierfreudig. So verlor Joule seine Augenbrauen durch ein Experiment mit Sprengstoffen. Er ließ Drachen bei Gewitter steigen oder steigerte Elektroschocks bei einem Dienstmädchen, bis sie bewusstlos wurde. 1837 richtete Joule sich im Keller der Brauerei ein Labor ein.
1838 begann Joule mit elektromagnetischen Experimenten. Er führte quantitative Untersuchung der Wärmewirkungen des Stroms durch. Joule bewies, dass die von einer Batterie erzeugte Wärmemenge direkt mit der Menge des chemisch umgesetzten Metalls in der Batterie zusammenhängt.
Joule vermutete eine Äquivalenz von mechanischer Arbeit und Wärme. Der klassische, nach ihm benannte Versuch, wurde 1843 von ihm durchgeführt: Einer thermisch isolierten Wassermenge wurde eine definierte Menge mechanischer Energie zugeführt und anschließend die Temperaturerhöhung gemessen. Dieses Wärmeäquivalent bestimmte er in zahlreichen unterschiedlichen Versuchen in den Jahren 1843 bis 1847. 
Joule beschäftigte sich mit vielen weiteren Phänomenen. 1847 formulierte er beispielsweise die Ansicht, dass die Sternschnuppen sehr schnell in die Erdatmosphäre eintauchende Körper sind, bei denen die umgewandelte Bewegungsenergie zum Aufglühen führt. 
Die Tatsache, dass Joule keine akademische Ausbildung in den Naturwissenschaften hatte, machte ihn aber zum Außenseiter und verzögerte die Anerkennung seiner Leistungen deutlich. Erst um 1850 herum wurden seine Leistungen gewürdigt, er wird trotz fehlendem Universitätsstudium als „Physiker“ klassifiziert.

 

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Aufgaben:

  1. Eine Waschmaschine hat eine Leistungsaufnahme von 1,3 kW. Wie groß ist die elektrische Arbeit bei einem Waschprogramm mit der Dauer von
    a) 2 Stunden  und
    b) bei einem Waschprogramm mit der Dauer von 1,5 Stunden?
  2. Ein Computer ist während der Arbeitszeit in einem Büro (8 Stunden) in Betrieb. Er hat ein Netzteil mit einer Leistung von 450 W. 
    a) Wie hoch ist die elektrische Arbeit während dieser Zeit?
    b) Wie hoch ist die elektrische Arbeit in einer Woche (5 Arbeitstage)?
    c) Der PC wird jetzt als Server verwendet. D.h. er läuft ständig und wird nicht mehr abgeschaltet. Wie hoch ist die elektrische Arbeit in einem Jahr?
  3. Im Treppenhaus einer Wohnanlage hängen acht 60W-Lampen. Sie leuchten täglich von 17:00 Uhr bis 9:00 Uhr am nächsten Tag. Welche elektrische Arbeit ist dafür in einem Jahr nötig?
  4. Beim Betrieb (230V) eines Wasserkochers fließt eine elektrische Stromstärke von 12A. Er wird täglich zwei Mal verwendet und ist jeweils für einen Zeitraum von 20 Minuten eingeschaltet. Wie groß ist hierfür die elektrische Arbeit?
  5. Für den Betrieb eines TV-Gerätes (40 Zoll) ist im Jahr (365 Tage) eine elektrische Arbeit von 80,3 kWh nötig. Das Gerät hat eine Leistungsaufnahme von 55 W. 
    a) Wie lange war das Gerät durchschnittlich pro Tag in Betrieb?
    b) Im Standby-Modus hat das Gerät eine Leistungsaufnahme von 0,15 W. Wie hoch ist die dafür nötige elektrische Arbeit pro Jahr? 
    c) Eine Kilowattstunde kostet in Deutschland (Stand 2020) ca. 29,4 Cent. Wie hoch sind die Kosten für den Betrieb des Gerätes pro Jahr insgesamt und wie hoch ist der Anteil durch den Standby-Betrieb?
  6. Für die Heizung in einem Ferienhaus wird ein Energieverbrauch von 250 kWh in Rechnung gestellt. Die Heizung hat eine Leistung von 4000W. a) Wie lange war die Heizung angeschaltet?  b) Welche Kosten fallen dafür an?
  7. Ein Haushalt mit 3 Personen bezahlt im Durchschnitt pro Jahr etwa 1000€ am Energiekosten für die elektrische Versorgung. Wie hoch war die elektrische Arbeit für die Versorgung des Haushalts?
  8. Im Standby-Betrieb nimmt ein älteres TV-Gerät ca. 0,3W Leistung auf. Eine Familie hat zwei solcher Geräte. Welche Kosten entstehen dabei pro Jahr bei einer durchschnittlichen täglichen Einschaltdauer von 4 Stunden pro Gerät?
  9. Eine Taschenlampe wir mit einer Spannung von 9V betrieben. Dabei fließt durch die Lampe ein elektrischer Strom von 35mA. Die Lampe erlischt nach 13 Stunden und 30 Minuten. Welche Energie war in der Batterie gespeichert?
  10. In einer Autobatterie sind 0,5 kWh Energie gespeichert. Beim Auto vergisst der Inhaber das Licht auszuschalten, das Auto schaltet automatisch auf Standlicht. die beiden Standlichtlampen haben eine Leistungsaufnahme von 10W. Hinzu kommt, dass auch die beiden Rücklichter mit jeweils 5W leuchten. Wie lange kann der Besitzer dem Auto fern bleiben bis die Batterie leer ist?





Wärmelehre - Thermodynamik
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Anregungen für Elektronikinteressierte

Hinweis: Es werden keine Bücher oder sonstige, hier benannte Materialien im Unterricht verwendet oder benötigt. 

Alle von mir erstellten Materialien stehen für Bildungszwecke frei zur Verfügung, dürfen allerdings nicht von jemand anderem kommerziell vertrieben werden.

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Quellenangaben zu den Inhalten auf dieser Seite


Infotext ([01] Elektrizität)

Creative Commons Lizenzvertrag Dieser Text basiert auf den Artikeln Elektrostatik, Reibungselektrizität, Kontaktselektrizität und Wiliam Gilbert aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der Lizenz Creative Commons CC-BY-SA 3.0 Unported (Kurzfassung). Der Text wurde von Andreas Rueff überarbeitet und auf der Grundlage didaktischer Überlegungen angepasst und gekürzt. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.

Infotext ([07/23] Elektrizität)

Creative Commons Lizenzvertrag Dieser Text basiert auf dem Artikel Hans Christian Ørsted aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der Lizenz Creative Commons CC-BY-SA 3.0 Unported (Kurzfassung). Der Text wurde von Andreas Rueff überarbeitet und auf der Grundlage didaktischer Überlegungen angepasst und gekürzt. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.

Infotext ([08] Elektrizität)

Creative Commons Lizenzvertrag Dieser Text basiert auf dem Artikel André-Marie Ampère aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der Lizenz Creative Commons CC-BY-SA 3.0 Unported (Kurzfassung). Der Text wurde von Andreas Rueff überarbeitet und auf der Grundlage didaktischer Überlegungen angepasst und gekürzt. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.

Infotext ([09] Elektrizität)

Creative Commons Lizenzvertrag Dieser Text basiert auf dem Artikel Alessandro Volta aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der Lizenz Creative Commons CC-BY-SA 3.0 Unported (Kurzfassung). Der Text wurde von Andreas Rueff überarbeitet und auf der Grundlage didaktischer Überlegungen angepasst und gekürzt. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.

Infotext ([10] Elektrizität)

Creative Commons Lizenzvertrag Dieser Text basiert auf dem Artikel Georg Simon Ohm aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der Lizenz Creative Commons CC-BY-SA 3.0 Unported (Kurzfassung). Der Text wurde von Andreas Rueff überarbeitet und auf der Grundlage didaktischer Überlegungen angepasst und gekürzt. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.

Infotext ([15] Elektrizität)

Creative Commons Lizenzvertrag Dieser Text basiert auf dem Artikel James Watt aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der Lizenz Creative Commons CC-BY-SA 3.0 Unported (Kurzfassung). Der Text wurde von Andreas Rueff überarbeitet und auf der Grundlage didaktischer Überlegungen angepasst und gekürzt. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.

Infotext ([16] Elektrizität)

Creative Commons Lizenzvertrag Dieser Text basiert auf dem Artikel James Prescott Joule aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der Lizenz Creative Commons CC-BY-SA 3.0 Unported (Kurzfassung). Der Text wurde von Andreas Rueff überarbeitet und auf der Grundlage didaktischer Überlegungen angepasst und gekürzt. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.