Elektrizität – Magnetismus
"Man nennt die Erscheinung Eisen anzuziehen Magnetismus (Eisenerzmagnetit)". Wir beginnen, natürlich, mit einer Definition.
Die ferro-magnetischen Stoffe (Eisen etc.) kommen in der Natur vor. Man kann Stabmagnete, Hufeisenmagnete und Nagelmagnete herstellen.
Die ungleichnamigen Pole ziehen einander an, die gleichnamigen stossen einander ab. Wir schauen uns den inneren Aufbau von Magneten an, mit den Elementarmagneten, die geordnet sein müssen, damit ein Eisenstück überhaupt magnetisch ist. Und wie man Magnete entmagnetisieren kann, indem man sie erhitzt oder klopft. Dank der magnetischen Influenz überträgt sich die magnetische Kraft.
"Mit Hilfe von Eisenstaub können die magnetischen Kraftlinien sichtbar gemacht werden": die Feldlinien. Und "Je dichter gedrängt die Feldlinien verlaufen, desto stärker ist das Magnetfeld." Das probieren wir natürlich aus:
Beim Erdmagnetismus ist daran zu denken, dass er "nicht mit der Schwerkraft der Erde verwechselt werden darf. Die Schwerkraft wirkt auf alle Körper, magnetische Kraft wirkt nur auf Eisen, Nickel und Kobalt."
Mit der Deklinationsnadel "wird der Winkel zwischen der geographischen Nordrichtung und der magnetischen Nordrichtung gemessen." Sie misst in der horizontalen Ebene. Am Pol selbst ist sie deshalb verwirrt und kann nichts angeben. Im Gegensatz dazu misst die Inklinationsnadel die Kraft in der vertikalen Ebene. Dementsprechend zeigt sie am Pol genau nach unten.
Der elektrische Strom
oder von Hand:
Wie oft in der Physik und der Chemie bei Lehrer Bundi: wir machen einen Versuch!
Was leitet den elektrischen Strom (Metalle und Kohle zum Beispiel), und was leitet ihn nicht (Luft und Glas und Öl etc.)?
In welche Richtung fliesst der Strom? Ein nicht ganz einfacher Eintrag beim Gleichstrom: "(festgelegt) von Plus-Pol zu Minus-Pol. In Wirklichkeit umgekehrt." Beim Wechselstrom ist es anders: da ändert der Strom ständig die Richtung, die Pole sind – zum Beispiel – pro Sekunde 50 mal positiv und 50 mal negativ, was eine Frequenz von 50 Hertz (Hz) ergibt.
Weshalb gibt es bei den meisten Leitungen zwei Adern (mit der Erdung drei), beim Tram aber nicht? Weil die Schienen als Rückleitung dienen.
Wie schaltet man mehrere Geräte an eine Stromquelle? Parallel oder in Serie:
Hier käme dann noch die Frage nach den verschiedenen Arten von Schaltern hinzu…
Die Wirkungen des elektrischen Stroms
Je mehr Strom fliesst, desto stärker glühen die Drähte, durch die er fliesst. In der Praxis: in der elektrischen Kochplatte, im Bügeleisen etc. sind Drähte eingebaut, die dann eben heiss werden.
Was tut man, wenn man verhindern will, dass zu viel Strom durch eine Leitung fliesst und die Leitungen zu stark erhitzt werden? Man baut Sicherungen ein, eine 'schwächste Stelle', die durchbrennt, bevor es sonstwo brenzlig wird. Zum Beispiel eine solche Schmelzsicherung:
Bei der Bimetallsicherung krümmt sich ein Bimetall-Streifen in der Leitung und unterbricht die Leitung oder schliesst einen andern Stromkreis und löst dadurch eine Warnung aus.
Glühlampen
"Ein Mitalldraht von hohem Schmelzpunkt (Wolfram) wird bis zur Weissglut erhitzt (ca. 3000°). Damit die Metallspirale nicht oxidiert, enthält die Glühbirne keinen Sauerstoff."
Daneben gibt es die Lichtbogen-Technik: da wird ein Zwischenraum zwischen zwei Kohlestäben durch einen hellen Lichtbogen überbrückt. Dieser Bogen übernimmt auch die Leitung des Stroms. Zu finden im "Lichtbogenschweisser, Lichtbogenschmelzofen, Lichtbogenschweinwerfer."
Die magnetische Wirkung des Stroms
"Um jeden stromdurchflossenen Draht bildet sich ein Magnetfeld."
"Eine Spule mit einem Kern aus Weicheisen heisst Elektromagnet."
Und wo findet man das im Alltag? Bei der elektrischen Hausklingel etwa oder beim Telephon – jenes mit ph, das läutet, und damals so aussehen konnte:
Das Schema zum Klingeln im Physikheft:
Die chemischen Wirkungen des elektrischen Stroms
Durch destilliertes Wasser fliesst kein Strom, durch eine Kochsalzlösung aber sehr wohl. Und dabei wird die Lösung chemisch verändert: An der Kathode (Minus-Pol) sammeln sich Metalle (Natrium, +), an der Anode (Plus-Pol) Nichtmetalle (Chlor, -). Das heisst dann Elektrolyse.
Anwendung findet die Elektrolyse z.B. beim Galvanisieren: Da wird ein Gegenstand mit einer Metallschicht überzogen: verzinkt, verchromt, vergoldet etc.
Die elektrischen Grössen
Nach weiteren Versuchen mit unterschiedlich 'aufgeladenen' Dingen halten wir fest: "Das Bestreben der elektrischen Ladungen von einem Pol zum anderen Pol der Stromquelle zu gelangen nennt man elektrische Spannung. Ohne Spannung kein Strom." Und die Spannung (U) erhält auch einen Namen: Volt (V).
Die Stromstärke (I) wiederum ist die Ladungsmenge (Q) geteilt durch die Beobachtungszeit (t) und wird in Ampère (A) angegeben.
'Ladungsmenge' bedeutet dabei eine Anzahl von Elektronen. Wenn während einer Sekunde der Strom mit einer Stärke von 1 Ampère fliesst, "so beträgt die Ladungsmenge Q = I x t à 1 A x 1 sec = 1 Ampèresekunde bzw. 1 Coulomb (C)". Ein Coulomb sind zwischen 20 und 30 Trillionen Elektronen.
Als nächstes folgt der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstärke – und gleich der nächste Versuch:
Damit lässt sich die Spannung und die Stromstärke messen. Wenn man nun den Strom durch Drähte unterschiedlichen Materials fliessen lässt, so ist bei gleicher Spannung die Stromstärke unterschiedlich. Die Drähte leisten mehr oder weniger Widerstand. Diesen Widerstand messen wir mit der Formel: Widerstand (R) = Spannung (U) : Stromstärke (I). "Anstelle der Einheit Volt/Ampère setzt man 'Ohm' (Ω)." 1 Ω = 1 V : 1 A.
Aus Spannung, Stromstärke und Widerstand lassen sich jetzt natürlich unterschiedlichste Aufgaben formulieren!
Was wir ebenfalls durch Versuche herausfinden: Der Widerstand wächst mit der Länge eines Drahtes, und zwar proportional. Ein doppelt so langer Draht erzeugt einen doppelt so hohen Widerstand.
Wenn der Querschnitt des Drahtes zunimmt, nimmt der Widerstand im gleichen Verhältnis ab.
Der Widerstand ist schliesslich abhängig vom Material des Drahtes, genauer: von der Zahl freier Elektronen. Je grösser die Zahl der freien Elektronen, desto kleiner der Widerstand. Jedes Material hat so seinen eigenen spezifischen Widerstand.
Es folgen diverse Aufgaben, in denen mit den verschiedenen Grössen hantiert wird. Unter anderem:
Bis hierher hat sich das erste Heft gefüllt, es reicht gerade noch für den nächsten Titel:
Die elektrische Leistung
Spannung (U) x Stromstärke (I) = Leistung (N). Die Einheit der Leistung: VA bzw. Watt.
Die Aufgabe dazu aus dem Alltag:
Die elektrische Arbeit
"Wird eine Glühlampe eingeschaltet, so bringt der Strom die Lampe zum leuchten. Es wird elektrische Arbeit verrichtet, die bezahlt werden muss. Für die Berechnung der Arbeit ist die Betriebszeit zu berücksichtigen."
Und das geht nach der Formel: Elektrische Arbeit (Ae) = Spannung (U) x Stromstärke (I) x Zeit (t).
Die Einheit: Wattstunde (Wh) / Kilowattstunde (KWh)
Die elektromagnetische Influenz
Jetzt geht es um Ströme im Magnetfeld und um Elektromotoren. Der Elektromotor "besteht aus einer Drehspule in einem Magneten, Rotor genannt", und er ist "eine Maschine, die elektrische Energie in mechanische umwandelt." Schematisch:
"Der Stromwender (Kommutator) ändert im toten Punkt (senkrechte Lage) des Ankers die Stromrichtung in der Wirkung und ermöglicht eine fortlaufende Drehung des Rotors."
"Die Gesamtheit der magnetischen Feldlinien, die die Spule umgeben, nennt man magnetischer Fluss." Ändert sich das Feld und damit der magnetische Fluss, so spricht man von Induktion.
Die Spannung, die in einem Magnetfeld induziert wird, "ist Wechselspannung, der induzierte Strom ein Wechselstrom." Und eine "Maschine, die mechanische Arbeit in elektrische umwandelt, nennt man Generator."
Hier hätte man zweifellos weitermachen können. Aber das Jahr schien seinem Ende zuzugehen, der 'Generator' ist der letzte Eintrag.
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Wie in andern Fächern auch: Wir machen uns Notizen im Unterricht und übertragen sie dann sauber ins Heft. Bezeichnend für die Wertschätzung der unterschiedlichen Schreib-Werkzeuge: die Notizen sind mit dem Kugelschreiber geschrieben, die Fassung im Heft dann mit Tinte aus dem Fülli. Das ergibt sich, wenn man die Eintragungen im Heft vergleicht mit einem Notizblatt, das ich noch in einem der Hefte fand:
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Veröffentlicht: 23. Mai 2022