Elektrizitätslehre (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.

Videos:

→ Spannung, Strom und Widerstand

→ Spannung erklärt

→ Alessandro Volta und die Batterie

→ Spannung und Stromstärke

→ Strom aus der Kartoffelbatterie gewinnen

Weiterführendes Video für die "Experten":

→ Elektrische Spannung und Potential, Volt

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Aufgaben:

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.

Videos:

→ Spannung, Strom und Widerstand

→ Widerstand - Wirkungsweise im Stromkreis, Wassermodell | Gleichstromtechnik #2

→ Elektrischer Widerstand kurz 4Min

→ Meilensteine der Naturwissenschaft und Technik - Georg Simon Ohm (engl.)

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Videos:

→ Abhängigkeit des Widerstands von der Temperatur - Realexperiment

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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.

Videos:

→ Ohmsches Gesetz, URI | Gleichstromtechnik #3

→ Ohmsches Gesetz - einfach und anschaulich erklärt

→ Ohmsche Gesetz (URI) mit Beispielen | Physik | Lehrerschmidt

→ elektrischer Widerstand - ohmscher Widerstand (R) | Physik - einfach erklärt | Lehrerschmidt

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Videos:

→ Spezifischer Widerstand

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

Videos:

→ Energie und Leistung, kWh, Watt, Teil 1

→ Energie und Leistung, kWh, Watt, Teil 2 (Bezug zur Mechanik)

→ P = U * I - Formel für elektrische Leistung

→ Exploring the Life and Times of James Watt

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

Videos:

→ Elektrische Arbeit

→ Arbeit, Leistung, Energie (Bezug zur Mechanik)

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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?

Infotext - Reihenschaltung und Parallelschaltung

Mit mehreren elektrischen Bauelementen in einem Stromkreis entstehen je nach deren Anordnung Reihen- oder Parallelschaltungen. 

 

Reihenschaltung

Die Reihenschaltung beschreibt die Hintereinanderschaltung zweier oder mehrerer Bauelemente in einer Schaltung so, dass sie einen einzigen Strompfad bilden. Zwei Bauelemente sind demnach in Reihe geschaltet, wenn deren Verbindung keine Abzweigung aufweist. Die Anzahl der in Reihe geschalteten Elemente ist beliebig. Sie werden alle von demselben Strom durchflossen. Die Gesamtspannung teilt sich auf die einzelnen Bauteile auf. Der Gesamtwiderstand ist gleich der Summe der einzelwiderstände.  Es gilt:

 

 

Dabei ist U die elektrische Spannung, R der elektrische Widerstand und I die elektrische Stromstärke. Analog der englischen Bezeichnung series circuit werden inzwischen anstelle des Begriffs „Reihenschaltung“ bzw. des Ausdrucks „in Reihe geschaltet“ häufig die Ausdrücke „Serienschaltung“ bzw. „in Serie geschaltet“ verwendet. Auch die Energiequellen können in Reihe geschaltet werden, dies ermöglicht es, eine höhere Gesamtspannung zu erzeugen (Die Summe der Einzelspannungen ergibt dann die Gesamtspannung). Das wird z. B. in Batterien oder Solarzellen angewendet. Ein Problem bei der Reihenschaltung von mehreren Energiewandlern ist die Anfälligkeit für Ausfälle (im Sinne einer Unterbrechung). Wenn ein einzelnes Element die elektrische Leitung unterbricht oder aus der Leitung entfernt wird, fällt die komplette Reihe aus (vgl. Lichterkette am Weihnachtsbaum). Erwünscht ist dieses bei einer in Reihe zum Energiewandler geschalteten Sicherung, im Falle einer falsch funktionierenden Schaltung „brennt die Sicherung durch“ und schaltet die Funktion automatisch ab.

 

Parallelschaltung

Sind Bauelemente parallel zueinander geschaltet, so bieten sich dem Strom mehrere Wege. Jeden einzelnen dieser Wege nennt man Stromzweig. An parallelen Energiewandlern liegt jeweils dieselbe Spannung an. Der Gesamtstrom teilt sich auf die einzelnen Zweige. Für den Gesamtwiderstand in einer Parallelschaltung gilt:

 

 

Die Anzahl der parallelgeschalteten Elemente ist beliebig. Die Parallelschaltung mehrerer elektrischer Verbraucher mit einer idealen Spannungsquelle ist unanfällig für Ausfälle einzelner Verbraucher (bei Ausfall im Sinne einer Unterbrechung). Wenn ein einzelnes Element seine elektrische Leitung unterbricht oder aus der Leitung entfernt wird, werden alle intakten Verbraucher unverändert versorgt.

 

Gemischte Schaltungen

Schaltungen, die sowohl Elemente von Reihenschaltungen als auch Parallelschaltungen enthalten, nennt man gemischte Schaltungen. Jede gemischte Schaltung lässt sich auf Reihen- und Parallelschaltungen zurückführen. Die Gesetzmäßigkeiten dieser Schaltungen werden können jeweils auf die Gesetzmäßigkeiten von einzelnen Reihen- und Parallelschaltungen zurückgeführt werden. Wichtige Grundlage ist dabei immer das Ohmsche Gesetz.

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

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Zusätzliche Videos:

→ Elektrizität - Reihenschaltung und Parallelschaltung

→ Reihen-, Serien- und Parallelschaltung von Widerständen

→ Reihenschaltung | Sachuntericht - Physik | Lehrerschmidt

→ Parallelschaltung | Sachunterricht - Physik | Lehrerschmidt

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Quellenangaben zu den Inhalten auf dieser Seite

Infotext ([09] Elektrizität - Alesandro Volta)

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 - Georg Simon Ohm)

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 - James Watt)

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 - Joule)

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.

Infotext ([17/18/19] Elektrizität - Reihen- und Parallelschaltung)

Dieser Text basiert auf den Artikeln Stromkreis, Parallelschaltung und Reihenschaltung 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.

Using PhET Simulations in Teaching

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Hintergrundbild: Bild von Ashraf Chemban auf Pixabay (electricity-pylon-3916956)