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Sachunterricht: Naturwissenschaftlich- technische Aspekte

betreut durch Jürgen Falk, Karl-Heinz Heyden

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Übersicht: Aufgabenschwerpunkte

Eingangsseite des Unterrichtsgegenstandes

Elektrizität
Fachwissenschaftlicher Bezug

	Elektronen Ladung Elektrizität Elektrischer Strom Stromkreis Schaltskizze Leiter und Nichtleiter Batterie Glühlampe Parallelschaltung / Reihenschaltung

Elektronen	Elektronen sind negativ geladene Elementarteilchen. Zusammen mit Protonen und Neutronen bilden sie Atome und Moleküle. Bei vielen Prozessen und Phänomenen in der Natur sind Elektronen von großer Bedeutung. So laufen z.B. viele chemische Reaktionen über Elektronenabgabe (Oxidation) oder Elektronenaufnahme (Reduktion) ab. Das Fließen von elektrischem Strom lässt sich durch die Bewegung von freien Elektronen in einem Leiter beschreiben.
Ladung	Unter einer elektrischen Ladung wird die auf einem Körper befindliche positive oder negative Elektrizitätsmenge verstanden bzw. der Überschuss einer Elektrizitätsmenge gegenüber einer anderen. Bewegte Ladungen sind gleichbedeutend mit elektrischem Strom.
Elektrizität	Elektrizität ist die Bezeichnung für alle Erscheinungen im Zusammenhang mit elektrischen Ladungen, einschließlich der dabei entstehenden elektrischen und magnetischen Felder.

Elektrischer Strom	"Wenn zwei gleich starke, entgegengesetzt geladene Körper über einen metallischen Leiter verbunden werden, "neutralisieren" sich die Ladungen im Prinzip gegenseitig. Diese Neutralisierung wird durch einen Elektronenfluss im Leiter vom negativ geladenen Körper zum positiv geladenen erreicht (in einigen Zweigen der Elektrotechnik geht man vereinbarungsgemäß davon aus, dass die Stromrichtung umgekehrt ist, also von Plus nach Minus). In jedem zusammenhängenden Leitersystem fließen Elektronen von der Stelle mit dem geringsten Potential zu der Stelle mit dem höchsten Potential. Dieser Vorgang wird als elektrischer Strom bezeichnet. So genannter Gleichstrom fließt ständig in die gleiche Richtung, während Wechselstrom ständig seine Richtung ändert. Drei voneinander abhängige Größen bestimmen den Fluss von Gleichströmen. Die erste ist die Potentialdifferenz im Stromkreis, die auch als Spannung bezeichnet wird. Die zweite ist die Stärke des fließenden Stromes. Diese Größe wird üblicherweise in Ampere angegeben, wobei ein Ampere einem Fluss von ungefähr 6,250 × 10¹⁸ Elektronen pro Sekunde entspricht, die einen beliebigen Punkt im Stromkreis innerhalb einer Sekunde durchfließen. Unter normalen Bedingungen leisten alle Substanzen, Leiter ebenso wie Nichtleiter, dem Fluss des elektrischen Stromes einen gewissen Widerstand. Dieser Widerstand begrenzt notwendigerweise den Strom und wird in Ohm (Ù) angegeben. Das Ohm ist als der Widerstand definiert, der den Strom in einem Stromkreis mit einer Potentialdifferenz von einem Volt auf ein Ampere begrenzt. Diese Beziehung ist das Ohm'sche Gesetz und wurde nach dem deutschen Physiker Georg Simon Ohm benannt, der diese Beziehung 1827 aufstellte. Das Ohm'sche Gesetz kann in der algebraischen Gleichung U = I × R ausgedrückt werden, wobei U die Spannung in Volt ist, I die Stromstärke in Ampere und R der Widerstand in Ohm. Aus dieser Gleichung kann für einen gegebenen Stromkreis jede der drei Größen ausgerechnet werden, wenn die anderen beiden Größen bekannt sind. Eine andere Formulierung des Ohm'schen Gesetzes lautet I = U/R. Wenn ein elektrischer Strom durch einen Draht fließt, können zwei wichtige Wirkungen beobachtet werden: Die Temperatur des Drahtes steigt, und ein Magnet oder eine Kompassnadel in der Nähe des Drahtes werden abgelenkt. Während des Stromflusses stoßen die Elektronen mit den Atomen des Leiters zusammen und verlieren Energie, die in Form von Wärme frei wird. Die aufgewendete Energiemenge in einem Stromkreis gibt man in Joule an. Die benötigte Leistung für diesen Vorgang wird in Watt gemessen, wobei ein Watt einem Joule pro Sekunde entspricht. Die Leistung in einem gegebenen Stromkreis kann mit Hilfe der Gleichung P = U × I oder P = I2 × R berechnet werden. Leistung kann auch erbracht werden, wenn mechanische Arbeit geleistet wird, durch elektromagnetische Strahlung wie z. B. Licht oder Radiowellen, sowie durch elektrochemische Prozesse." (Microsoft Encarta 2001) Die Tatsache, dass in einem geschlossenen Stromkreis der elektrische Strom einen Magnetfluss induziert- und somit elektrische Energie in Bewegungsenergie bzw. mechanische Energie umgewandelt werden kann - wird beim Elektromotor genutzt. Ein Generator bzw. ein Dynamo funktioniert genau in umgekehrter Weise, hier wird Bewegungsenergie in elektrische Energie umgewandelt.

Stromkreis	Unter einem Strom- oder Schaltkreis versteht man die Zusammenschaltung von Stromquellen und verschiedenen elektronischen Einheiten. Bei einem geschlossenen Stromkreis fließt der Strom von der Stromquelle aus durch alle angeschlossenen Einheiten (z.B. Transistoren, Widerstände, Schalter...) zurück zum Ausgangspunkt. In einem offenen Stromkreis ist demgegenüber kein Stromfluss möglich. Schalter dienen dazu, den Stromkreis zu unterbrechen.
		Einfacher Stromkreis mit Stromquelle (Batterie), Schalter und Widerstand (Glühlampe)

Schaltskizze	Elektrische Schaltungen können mit Schaltplänen oder -skizzen übersichtlich dargestellt werden. Dazu werden u.a. folgende Symbole verwendet.



	Der oben dargestellte Stromkreis würde also als Schaltskizze so aussehen, wobei der Schalter geschlossen ist:


Leiter und Nichtleiter	Elektrischer Strom wird von verschiedenen Stoffen unterschiedlich gut geleitet. Man unterscheidet zwischen Leitern, Nichtleitern (Isolatoren) und Halbleitern.
	Leiter Leiter sind Stoffe oder Körper, die elektrischen Strom leiten. Hierzu zählen u.a. die meisten Metalle, aber auch Kohle bzw. Graphit. Bei diesen guten Leitern erfolgt der Ladungstransport durch frei bewegliche Elektronen. Auch Salzlösungen, Laugen und Säuren leiten, allerdings spricht man hier von schlechten Leitern.
	Nichtleiter (Isolatoren) Hierzu gehören u.a. Kunststoffe, textile Stoffe, Keramik, Glas und trockenes Holz. Unter den Isolatoren spielen Keramik (z.B. bei Überlandleitungen) und vor allem Kunststoffe eine besondere Bedeutung. Sie ermöglichen die gefahrlose Berührung von stromführenden Kabeln und verhindern das Überfließen der Elektrizität von einer Leitung auf eine andere.
	Halbleiter Halbleiter sind kristalline Stoffe, deren Leitfähigkeit erst durch Wärme- oder Lichteinwirkung aktiviert wird. Ansonsten verhalten sie sich wie Isolatoren. Diese nützlichen Eigenschaften erfahren vielerlei Anwendungen, die in der Grundschule noch nicht thematisiert werden.
	Prüfung der Leitfähigkeit Die Leitfähigkeit von Materialien überprüfen Grundschulkinder i.d.R. mit einer einfachen Prüfschaltung aus Batterie, Verbindungsdrähten, Prüfstelle und einer Glühlampe als Stromanzeiger (Bausteine der Umsetzung: Materialien, die als Leiter geeignet sind und Stromkäfer). Hiermit können Kinder einfache Zuordnungen "leitet den Strom" / "leitet den Strom nicht" vornehmen, allerdings werden schlecht leitende Stoffe nicht als Leiter erkannt. Ein Problem stellt Wasser dar. Die darin gelösten Salze machen es leitend, auch wenn die Glühlampe nicht leuchtet. Den Kindern muss dennoch deutlich gemacht werden, dass elektrische Geräte niemals in der Nähe von offenem Wasser betrieben werden dürfen. Es droht Lebensgefahr!

Batterie	Batterien sind Energiewandler, die chemische Energie speichern und durch Ionenwanderung in elektrische Energie umwandeln.
	Der Grundaufbau besteht aus folgenden Bestandteilen: einem Gehäuse aus Metall und Kunststoff einer positiven Elektrode (Kathode) und einer negativen Elektrode (Anode) einem Scheider, der die beiden Elektroden elektrisch gegen Kurzschluss trennt und den Durchgang der Ionen ermöglicht einer meist wässrigen Lösung (Elektrolyte von Salzen, Säuren oder Laugen), die in den Poren der Elektroden und des Scheiders vorhanden ist metallischen Ableitern, die den Strom bei der Entladung zu den Endpolen + und - führen
	Für die elektrochemische Reaktion kommen Metalle und Metallverbindungen wie Blei, Cadmium, Zink, Lithium, Magnesium, Nickel, Quecksilber, Silber in Frage.
	Durch das Eintauchen der Elektroden in die Elektrolytlösung gehen Metallionen in die Lösung oder schlagen sich aus der Lösung auf den Elektroden nieder, so dass elektrische Spannungen entstehen. An der Anode, dem Minuspol, befindet sich ein Elektroden-Überschuss, so dass bei leitender Verbindung beider Elektroden durch einen äußeren Draht ein Strom vom negativen zum positiven Potenzialniveau fließt. Für Schülerversuche eignen sich in der Grundschule 4,5 Volt Batterien, da sich hier die Leitungsdrähte gut befestigen lassen.

Glühlampe	Glühlampen stellen Lichtquellen mit einem durch elektrischen Strom zur Glut erhitzen Glühfaden dar. Die Glühlampe besteht aus einem Glaskolben, einem Glühdraht (Glühwendel), einem Zuleitungsdraht, einem Schraubsockel, Isolierplättchen und Kontaktplättchen.
		Der Glaskolben dient nicht nur dem Schutz des Glühdrahtes, sondern auch seiner längeren Haltbarkeit. Damit der Glühdraht nicht zu schnell verbrennt oder verdampft, befindet sich innerhalb des Glaskolbens ein Gasgemisch z.B. aus Argon und Stickstoff.
		Die erste Glühlampe wurde 1854 von dem deutschen Uhrmacher Heinrich Goebel gebaut. Als Glühfaden benutzte er Holz- und Pflanzenfasern, die aber nicht lange haltbar waren. Um 1880 entwickelte der Amerikaner Thomas Alva Edison die Glühlampe weiter und machte sie wirtschaftlicher, indem er Kohlefäden nutzte, die höheren Temperaturen standhielten. Er verwendete sie in seinen Glühlampen, die damit über 13 Stunden brannten.

	Heutige Glühfäden bestehen aus Wolfram. Dieses Metall schmilzt erst bei ca. 3400 Grad Celsius. Somit verfügt es über einen hohen Schmelzpunkt und verdampft auch bei hohen Temperaturen nur langsam. Der Glühfaden aus Wolfram ist somit thermisch stabiler und ermöglicht eine bessere Lichtausbeute. Der heute benutzte Draht ist sehr dünn. Wird der Faden mehrfach gewendelt (gedreht), kann bis zu einem Meter Draht in dem Glaskolben untergebracht werden und dadurch mehr Licht entstehen.
	Fließt elektrischer Strom durch eine Glühlampe, so erhitzt sich durch den Stromfluss der Glühdraht schnell auf eine Temperatur von ca. 2600 Grad Celsius und beginnt durch die Widerstandserwärmung zu glühen. Dieser glühende Draht sendet ein helles Licht aus. Elektrische Energie wird somit in Licht und Wärme umgewandelt.

	Ein Stromkreis kann sowohl durch eine Parallelschaltung als auch durch eine Reihenschaltung hergestellt werden.
Parallelschaltung	Die Parallelschaltung (Nebeneinanderschaltung) zeichnet sich dadurch aus, dass alle Stromquellen und verschiedene elektronische Einheiten z. B. Glühlampen parallel mit ein und derselben Gesamtspannung verbunden sind. Sie werden alle von gleicher Stromstärke durchflossen, d.h. die von der Stromquelle (z.B. Batterie) gelieferte Gesamtspannung bleibt innerhalb der Schaltung bei jeder elektronischen Einheit (z.B. Glühlampe) gleich hoch.

Reihenschaltung	Bei der Reihenschaltung (Hintereinander- /Serienschaltung) sind alle Energiequellen oder -verbraucher hintereinander geschaltet. Dabei entfällt auf jede elektronische Verbrauchseinheit (z.B. Glühlampe) der ihrem Widerstand entsprechende Teil der von der Spannungsquelle gelieferten Gesamtspannung. Ist, wie bei einer Batterie gegeben, nur eine begrenzte Gesamtspannung vorhanden, fällt an jeder der leistunsgleichen Glühlampen die Spannung 1/[Anzahl der Glühlampen] ab. Die Helligkeit aller (leistungsgleichen) Glühlampen ist gleich. Die Helligkeit der einzelnen Glühlampen ist geringer als bei der Parallelschaltung der gleichen Glühlampen.