Ph3 by Olympe Verlag GmbH

Physik fĂźr alle

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3. Klasse

Monyk, Kaiblinger

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www.olympe.at

SBN: 170.192

9 783902 779298 ISBN: 978-3-902779-29-8

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Physik fĂźr alle

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3. Klasse

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Christian Monyk, Gabriele Kaiblinger

Dieses Buch ist laut Bescheid des Bundesministeriums für Bildung und Frauen vom 24. März 2014 (GZ BMUKK-5.000/0034-B/8/2013) gemäß § 14 Abs. 2 und 5 des Schulunterrichtsgesetzes, BGBl. Nr. 472/86 und gemäß den geltenden Lehrplänen als für den Unterrichtsgebrauch in Neuen Mittelschulen und an allgemein bildenden höheren Schulen – Unterstufe – für die 3. Klasse im Unterrichtsgegenstand Physik geeignet erklärt.

Schwierige und neue Wörter sind im Text orange hervorgehoben und werden in der Spalte daneben erklärt. Wichtige Begriﬀe sind im Text dick hervorgehoben, du siehst also mit einem Blick, was in jedem Kapitel besonders wichtig ist.

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Aufgaben und Arbeitsaufträge, die du während des Unterrichts – alleine oder mit der ganzen Klasse – lösen kannst, sind in der seitlichen Spalte angegeben.

Wichtige Merksätze, physikalische Gesetze und Merktexte sind im Text gesondert hervorgehoben.

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Am Ende jedes Kapitels sind die wichtigsten Punkte in einem kurzen Text zusammengefasst. Du kannst also noch einmal wiederholen, was in dem Kapitel vorgekommen ist. Nun geht’s los – Aufgaben für schlaue Köpfe! Unter diesem Motto findest du an vielen Stellen in diesem Buch Arbeitsblätter, die du ausfüllen kannst. Du wiederholst damit das, was du zuvor gelernt hast. Die Aufgaben sind mit Sternchen gekennzeichnet. Je mehr Sternchen du findest, desto schwieriger ist die Aufgabe. Du kannst diese Arbeitsblätter auch heraustrennen und in deiner Portfolio-Mappe sammeln.

Unter dem Titel „Physik-Labor“ findest du nach den Hauptkapiteln des Buches Vorschläge für Experimente, die du mit einfachen Mitteln selbst durchführen kannst.

Nach den Hauptkapiteln des Buches haben wir für dich auch Spannendes zum jeweiligen Thema, das du zuvor kennen gelernt hast, zusammengestellt. In Form einer Zeitung erzählen wir dir interessante Geschichten. Wenn dich dieses Thema besonders interessiert, dann kannst du darüber mehr in den Büchern erfahren, die wir dir dort vorschlagen.

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Umschlagbilder: photos.com (StrikingPhotography, tolokonov, pixel1962, denphumi, Paul Fleet, johnnorth, Pitris, Sergei Butorin, gyn9038) Schulbuchnummer: 170.192

Kopierverbot: Dieses Werk ist für den Einsatz im Schulunterricht bestimmt. Laut Urheberrecht in der Fassung der Urheberrechtsgesetz-Novelle 2003 (§ 43 (6)) darf es weder ganz noch in Teilen auch für den Einsatz im Schulunterricht nicht kopiert oder vervielfältigt werden.

Lektorat: Mag. Krista Satzke, Wien

Umschlaggestaltung, Satz, Layout: Raoul Krischanitz, Wien, transmitterdesign.com Grafik: Raoul Krischanitz, transmitterdesign.com Druck, Bindung: Druckerei Berger, Horn ISBN: 978-3-902779-29-8

Inhaltsverzeichnis ATOMPHYSIK 1. Aufbau der Materie 2. Die Vielfalt der Stoﬀe PHYSIK-NEWS: Atomphysik

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5 9 15

17 20 25 31 35 41 47 51 53 55

ELEKTRIZITÄT IM TÄGLICHEN LEBEN 11. Strom für Menschen 12. Wärme aus Strom 13. Licht aus Strom 14. Kraft aus Strom 15. Der Wirkungsgrad elektrischer Geräte 16. Elektrische Installationen und Schutzmaßnahmen 17. Gefahren des Stroms 18. Stromsparen und Umwelt PHYSIK-LABOR: Elektrotechnik PHYSIK-NEWS: Elektrotechnik

57 61 63 67 69 75 78 83 87 89

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ELEKTRIZITÄT 3. Was ist Elektrizität? 4. Die elektrische Ladung – Elektrostatik 5. Der elektrische Strom 6. Der Stromkreis 7. Kennzeichen des elektrischen Stroms 8. Das Ohmsche Gesetz 9. Leitung in ionisierter Luft 10. Stromrichtungen PHYSIK-LABOR: Elektrizität PHYSIK-NEWS: Elektrizität

91 93 97 103 107 111 114 121 123

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WÄRME IST ENERGIE 19. Wärme und Temperatur 20. Wärmeenergie und spezifische Wärme 21. Übergänge zwischen Aggregatzuständen 22. Wärme breitet sich aus 23. Wärme im Wohnraum 24. Wärme und Kälte 25. Wärme in der Technik PHYSIK-LABOR: Wärme PHYSIK-NEWS: Wärme

125 127 131 137 143 149 151

ANHANG Physik-Domino Spannende Experimente Spannende Experimente: Lösungen Periodensystem der Elemente Stichwortverzeichnis Bildquellen

153 157 170 173 174 176

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WÄRME AUF DER ERDE 26. Wärme ist Leben 27. Wärmespender Sonne 28. Wettererscheinungen auf der Erde 29. Das Klima und seine Veränderung 30. Umweltschutz ist Klimaschutz PHYSIK-LABOR: Wetter PHYSIK-NEWS: Wetter

Atomphysik

Schon lange fragten sich die Menschen, was geschieht, wenn man einen Gegenstand wie einen Stein immer weiter zerteilt, sodass immer kleinere Stücke entstehen. Sie überlegten, ob man irgendwann kleinste Teilchen erhält, die sich nicht mehr zerteilen lassen.

Demokrit

Zur damaligen Zeit hatte man aber noch keine Vorstellung davon, was ein Atom wirklich ist. Erst zu Beginn des 20. Jh. konnten Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen mit Experimenten das Atom genauer erforschen.

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Ist ein Atom wirklich unteilbar?

Wie machte Rutherford seine Entdeckung? Rutherford schoss mit Teilchen aus einer radioaktiven Quelle auf eine dünne Goldfolie. Dabei stellte er fest, dass die meisten Teilchen gerade hindurchgingen. Nur wenige Teilchen wurden abgelenkt, einige wurden sogar zurückgeworfen. Daraus schloss er, dass in den Atomen der Goldfolie die Masse ungleichförmig verteilt ist und die Teilchen nur vom Atomkern abgelenkt werden.

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Schon im Jahr 450 v. Chr. beschäftigten sich griechische Wissenschaftler mit dieser Frage. Einer von ihnen war Demokrit. Dieser behauptete, dass man irgendwann zu Teilchen kommt, die man nicht mehr zerteilen kann. Diese nannte er „atomos“, was auf Griechisch so viel wie „das Unzerteilbare“ bedeutet.

1. AUFBAU DER MATERIE

Ursprünglich stellte man sich das Atom als kleines Kügelchen vor, so wie du es schon aus dem Teilchenmodell kennst. Im Jahr 1909 erkannte der englische Physiker Ernest Rutherford jedoch, dass Atome aus zwei gänzlich unterschiedlichen Bereichen bestehen, nämlich aus einem Kern und einer Hülle. Er stellte fest, dass sich fast die gesamte Masse eines Atoms im Kern befindet. Der Kern ist sehr klein, die Hülle ist etwa 1000-mal so groß wie der Kern. Ernest Rutherford

Die Hülle und der Kern werden durch eine Kraft zusammengehalten. Diese Kraft bezeichnet man als „elektrische Kraft“. Der Kern im Mittelpunkt eines Atoms ist positiv geladen und hält die negativ geladene Hülle fest. Die Hülle selbst besteht aus einzelnen negativ geladenen Teilchen, den Elektronen.

Positiv und negativ geladene Teilchen ziehen einander an.

Das Bohrsche Atommodell

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Rutherford nahm an, dass die Elektronen gleichmäßig in der Hülle des Atoms verteilt sind. Im Jahr 1913 fand aber der dänische Physiker Niels Bohr heraus, dass die Elektronen in bestimmten Abständen um den Kern kreisen, so wie die Planeten um die Sonne. Nach ihm ist das Bohrsche Atommodell benannt. Nach diesem Modell wird der positiv geladene Atomkern auf festen Bahnen von negativ geladenen Elektronen umgeben. Diese Elektronen bilden die Atomhülle.

Bohrsches Atommodell

Niels Bohr

Im Rutherfordschen Atommodell sind die Elektronen gleichmäßig in der Hülle verteilt, so wie das Fruchtfleisch den Kern eines Pfirsichs umgibt.

Modell: wie man sich etwas vorstellt; das muss nicht genau der Wirklichkeit entsprechen, sondern dient dazu, sich etwas vorstellen zu können.

Atomphysik

– +

–

Wasserstoﬀ

Proton: aus dem Griechischen; bedeutet „das Erste“

–

Helium

Wasserstoﬀ hat in seiner Hülle 1 Elektron, während die Hülle von Helium 2 Elektronen enthält. Die in der Hülle des Heliums enthaltene negative Ladung ist also bei Helium doppelt so groß. Damit die Elektronen an den Kern gebunden werden, muss auch die positive Ladung im Kern doppelt so groß sein.

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Neutron: lateinisch „neutralis“ = weder-noch

Wie groß ist ein Atom? Der Durchmesser eines Atoms beträgt etwa 0,000 000 1 mm. Das heißt, wenn du 10 Mio. Atome nebeneinander legst, ergeben sie eine Strecke von 1 mm. Ein Sandkorn enthält ca. 1 000 000 000 000 000 000 Atome.

Atome unterscheiden sich voneinander. Die Eigenschaften eines Stoffes hängen davon ab, aus welchen Atomen er besteht. Die beiden Stoffe, deren Atome am einfachsten gebaut sind, sind Wasserstoff und Helium.

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Der Atomkern

Zwischen 2 Protonen ist die Abstoßung größer als die Anziehung.

So wie die Hülle des Atoms aus einzelnen Teilchen, den Elektronen, besteht, so besteht auch der Kern aus einzelnen Teilchen. Im Kern gibt es zwei unterschiedliche Arten von Teilchen: die positiv geladenen Protonen und die ungeladenen Neutronen. Je mehr Protonen im Kern vorhanden sind, desto mehr Elektronen befinden sich in der Hülle.

Kräfte im Atomkern

Ähnlich wie bei den Magneten gibt es auch bei elektrischen Ladungen anziehende und abstoßende Kräfte. Die anziehenden Kräfte, die zwischen positiven und negativen Ladungen wirken, halten den Kern und die Hülle eines Atoms zusammen. Zwischen zwei positiven Ladungen herrscht eine abstoßende Kraft, die umso größer ist, je näher die Ladungen beieinander sind.

Diese abstoßende Kraft würde bewirken, dass sich die Protonen im Kern voneinander entfernen. Jedoch gibt es zusätzlich noch eine stark anziehende Kraft zwischen allen Teilchen im Kern: die Kernkraft. Diese ist stärker als die abstoßende Kraft und wirkt auch zwischen den nicht geladenen Neutronen. Daher tragen die Neutronen zum Zusammenhalt des Atomkerns bei. Neutronen sind also so etwas Ähnliches wie ein Klebstoﬀ, der den Atomkern zusammenhält.

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Befindet sich ein Neutron zwischen den Protonen, wird die Abstoßung durch den größeren Abstand geringer, die Anziehung zwischen den Teilchen ist jedoch gleich groß.

Das Atom: Das Wichtigste auf einen Blick

Ein Atom besteht aus dem Atomkern und der Atomhülle. Die Hülle besteht aus elektrisch negativ geladenen Elektronen. Im Kern befinden sich elektrisch positiv geladene Protonen und ungeladene Neutronen.

Proton

Neutron

Helium

Elektronen

Ein Atom besteht aus dem Atomkern und der Atomhülle. Die Anzahl der positiv geladenen Protonen im Kern legt fest, wie viele Elektronen in der Hülle vorhanden sind. Zusätzlich gibt es im Kern noch Neutronen. Je mehr Protonen sich im Kern befinden, desto mehr Neutronen sind erforderlich, um die Abstoßung zwischen den Protonen zu verhindern. Im Kern eines Wasserstoﬀatoms findet man nur ein einzelnes Proton. Aber im Kern von Helium, der 2 Protonen enthält, gibt es auch noch 2 zusätzliche Neutronen.

Atomphysik

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

Das ______________________ Es ist das leichteste Atomteilchen,

1) Die Bestandteile des Atoms – Schreib die richtigen Überschriften zu den Informationstexten! %%%

Das _______________

als die der Teilchen im Atomkern. Es

Es ist das positiv

ist für die chemische Bindung

geladene Teilchen im

verantwortlich.

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seine Masse ist etwa 2000-mal kleiner

Atomkern. Es ist aus noch kleineren Teilchen zusammengesetzt, die

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man Quarks nennt.

Das ______________________

Es hat keine elektrische Ladung. Außerhalb des Atomkerns ist es

nicht stabil. Nach etwa 15 Minuten zerfällt es in ein Proton und ein Elektron.

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2) Was ist was? Verfasse zu diesen Abbildungen jeweils eine Bildlegende! %%

Atomphysik

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

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Jedes Atom besteht aus einem Atomkern und einer Atomhülle. In der Hülle des Heliums befindet sich ein Elektron, während Wasserstoff zwei Elektronen hat. Die in der Hülle des Heliums enthaltene negative Ladung ist also doppelt so groß. Jeder Kern enthält geladene Protonen und ungeladene Neutronen. Je mehr Protonen sich in der Hülle befinden, desto weniger Elektronen befinden sich im Kern. Die Anzahl der positiv geladenen Protonen im Kern legt fest, wie viele Elektronen in der Hülle vorhanden sind.

3) Der Aufbau des Atoms – Beschrifte zuerst diese Abbildung und ziehe Pfeile! Dann entscheide, welche Aussagen im Merktext falsch sind, und streiche diese durch! Schreibe den richtigen Merktext zum Schluss in dein Heft! %%

waagrecht: 2. Wer erkannte, dass sich fast die gesamte Masse eines Atoms im Kern befindet? 3. Welche Ladung haben Elektronen? 7. Die … Kraft hält Hülle und Kern eines Atoms zusammen. 9. stark anziehende Kraft zwischen den Teilchen im Kern 10. positiv geladene Teilchen im Kern

senkrecht: 1. Welche Ladung weist der Kern eines Atoms auf? 4. Die Hülle eines Atoms besteht aus negativ geladenen … 5. dänischer Physiker 6. griechischer Wissenschaftler der Antike 8. griechisches Wort für „unzerteilbar“

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4) Atom-Rätsel: Löse dieses Kreuzworträtsel! %%%%

Atomphysik

2. DIE VIELFALT DER STOFFE Überlege, aus welchen Elementen die hier abgebildeten Gegenstände bestehen könnten!

Hast du dir schon einmal Gedanken darüber gemacht, woraus Gegenstände bestehen, mit denen du täglich zu tun hast?

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Chemiker/innen: Wissenschaftler/innen, die sich mit den Eigenschaften von Stoﬀen und deren Zusammensetzung und Veränderung beschäftigen

Chemiker und Chemikerinnen sind in der Lage, diese Gegenstände in ihre Bestandteile zu zerlegen. All diese Dinge bestehen aus nur etwa 30 unterschiedlichen Grundbausteinen. Auch Lebewesen wie der Mensch, Tiere oder Pflanzen sind aus denselben Stoﬀen aufgebaut.

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Diese Grundstoffe bezeichnen wir als Elemente. Einige Elemente, die du sicherlich kennst, sind Eisen, Aluminium, Gold, Silber, Sauerstoff, Kohlenstoff, Kupfer, Chlor oder Schwefel.

Wodurch unterscheiden sich Elemente?

Jedes Element besteht aus einer eigenen Atomsorte. Alle Atome eines Elements haben dieselbe Anzahl von Protonen im Atomkern und dieselbe Anzahl von Elektronen in der Hülle. Die Elektronenhülle eines Atoms ist aus Schalen aufgebaut. Jede Schale hat einen bestimmten Abstand zum Atomkern. In jeder Schale ist Platz für eine gewisse Anzahl von Elektronen. Die erste Schale hat Platz für 2 Elektronen, die zweite Schale kann bis zu 8 Elektronen aufnehmen und die dritte bis zu 18. Das Element Sauerstoﬀ hat insgesamt 8 Elektronen. Die 1. Schale ist mit 2 Elektronen gefüllt, in der 2. Schale befinden sich 6 Elektronen.

Die Elektronenschalen Die Schalen in der Elektronenhülle werden von innen nach außen mit Buchstaben bezeichnet. Die innerste Schale ist die K-Schale, dann folgen die L-, M- und N-Schale. Elektronen auf inneren Schalen haben eine geringere Energie als Elektronen auf äußeren. Daher werden immer die inneren Schalen zuerst besetzt.

chemische Reaktion: Vorgang, bei dem sich die Zusammensetzung der Atome eines Materials verändert

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Die Eigenschaften der Elemente wie die Wärmeleitfähigkeit oder die elektrische Leitfähigkeit hängen vom Aufbau der Atome und ihrer Elektronenhülle ab. Auch für das chemische Verhalten eines Stoﬀes ist die Elektronenhülle verantwortlich. Bei chemischen Reaktionen spielen ausschließlich die Elektronen der äußersten Schale eine Rolle. Diese nennt man Valenzelektronen.

Warum sind Edelgase so edel?

Zu den Edelgasen zählen die Gase Helium, Neon, Argon und Xenon. Von manchen hast du vielleicht schon gehört. Edelgase sind Elemente, die bei Raumtemperatur gasförmig sind und kaum mit anderen Elementen reagieren. Das ist darauf zurückzuführen, dass ihre äußerste Elektronenschale vollständig mit Elektronen gefüllt ist. Daher stehen in der nächsten Schale keine Valenzelektronen für chemische Reaktionen zur Verfügung.

Beim Schweißen wird häufig das Edelgas Argon eingesetzt. Es verhindert, dass das Eisen mit Luft in Berührung kommt und bei den hohen Temperaturen rostet.

Atomphysik Ordnung der Elemente

Für jedes Element gibt es ein Abkürzungszeichen (Symbol). Einige davon kennst du sicherlich schon. So wird z. B. Sauerstoﬀ mit „O“ abgekürzt. Diese Symbole sind international gültig, daher entsprechen sie nicht immer den Anfangsbuchstaben des Namens des Elements in deutscher Sprache. Das „O“ für Sauerstoﬀ steht für Oxygenium.

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stabil: dauerhaft, gleichbleibend

Jedes zusätzliche Proton im Kern ermöglicht ein weiteres Elektron in der Hülle. Damit entsteht ein neues Element mit neuen Eigenschaften. Die Anzahl der Protonen eines Elements nennt man die Kernladungszahl. So hat z. B. das Element Sauerstoﬀ 8 Protonen im Kern, was 8 positiven Ladungen entspricht. Man sagt daher, Sauerstoﬀ hat die Kernladungszahl 8. Man kann die Elemente nach der Anzahl ihrer Protonen ordnen, daher verwendet man auch oft die Bezeichnung Ordnungszahl.

Je größer ein Atomkern wird, desto größer sind auch die abstoßenden Kräfte in seinem Inneren. Daher sind viele große Atomkerne nicht stabil, sondern zerfallen nach einiger Zeit wieder. Dieses Zerfallen bezeichnet man als Radioaktivität. Das schwerste stabile Element ist Blei mit der Ordnungszahl 82. WICHTIG: Alle schwereren Elemente sind radioaktiv.

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Welche Symbole für Elemente gibt es? Die meisten Elemente werden mit einem oder zwei Buchstaben abgekürzt. Der erste Buchstabe wird immer großgeschrieben, danach folgen kleine Buchstaben. Man muss aber genau aufpassen, dass man die Symbole nicht verwechselt. So steht „S“ für Schwefel, „Si“ aber für Silizium.

Welche Ordnungszahl hat das schwerste Element, das man kennt?

Zeichen für Radioaktivität

Einige radioaktive Elemente wie das Uran kommen in der Natur vor, andere werden von Wissenschaftler/innen künstlich hergestellt. Derzeit kennt man 118 Elemente.

Das Periodensystem

Diese 118 Elemente können in einer Tabelle angeordnet werden. Dabei stehen Elemente mit ähnlicher Elektronenstruktur, die ähnliche Eigenschaften haben, untereinander. Diese Tabelle nennt man das Periodensystem.

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8. HG. 7. HG. 6. HG. 5. HG. 4. HG. 3. HG.

SPALTEN: Dies sind die Gruppen. In ihnen stehen Elemente untereinander, die dieselbe Anzahl von Elektronen in der äußersten Schale haben. Deshalb haben sie auch ähnliche Eigenschaften.

1. P. 2. P. 3. P. 4. P. 5. P. 6. P. 7. P.

Gruppen

ZEILEN: Das sind die Perioden. Alle Elemente einer Periode haben gleich viele Elektronenschalen.

2. HG. 1. HG.

Wie viele Nebengruppen gibt es? Als Nebengruppen werden die 10 Spalten im Periodensystem bezeichnet, die ab der 4. Periode erstmals Elemente enthalten (in der Grafik blau). Die Spalten, die ab der 6. Periode erstmals Elemente enthalten (in der Grafik gelb), werden aber nicht als eigene Gruppen betrachtet. Im Periodensystem werden diese Elemente als eigene Bereiche geführt. In der 6. Periode nennt man diese Elemente nach dem ersten Element des Bereichs „Lanthanoide“, in der 7. Periode „Actinoide“.

Perioden

Lanthanoide Actinoide

Hauptgruppen (HG) Nebengruppen

(Eine genaue Darstellung des Periodensystems ﬁndest du auf S. 157 im Anhang.)

Lanthanoide/Actinoide

Die Gruppen enthalten Elemente mit ähnlichen Eigenschaften. So ist die in der Tabelle ganz rechts stehende Spalte die Gruppe der Edelgase, die alle eine abgeschlossene äußere Elektronenschale haben. Die 8 Gruppen, bei denen bereits in der 2. Periode Elemente vorkommen, bezeichnet man als Hauptgruppen. Die übrigen Gruppen sind die Nebengruppen.

Atomphysik

1. Hauptgruppe

2. Hauptgruppe

3. Hauptgruppe

4. Hauptgruppe

5. Hauptgruppe

1. Periode

7. Hauptgruppe

8. Hauptgruppe

Wasserstoﬀ

Helium (Helium)

Lithium

Beryllium

Bor

Kohlenstoﬀ

(Lithium)

(Beryllium)

(Bor)

(Carbon)

Stickstoﬀ

Sauerstoﬀ

Fluor

Neon

(Nitrogenium)

(Oxygenium)

(Fluor)

(Neon)

Natrium

Magnesium

Aluminium

(Natrium)

(Magnesium)

(Aluminium)

Silizium

Phosphor

Schwefel

Chlor

Argon

(Silicium)

(Phosphor)

(Sulfur)

(Chlor)

(Argon)

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2. Periode

6. Hauptgruppe

(Hydrogenium)

3. Periode

Die 1. Periode umfasst lediglich die beiden Elemente Wasserstoﬀ (H) und Helium (He). In der 2. und 3. Periode finden sich je 8 Elemente. In der 4. und 5. Periode sind je 18 Elemente. Die Perioden 6 und 7 enthalten jeweils 32 Elemente.

Ordnungszahl

Symbol

deutscher Name

wissenschaftlicher Name

Metalle

Anordnung der Elektronen

Wasserstoﬀ

(Hydrogenium)

Halbmetalle Nichtmetalle

Ausschnitt aus dem Periodensystem

Metalle und Nichtmetalle

Man kann die Elemente auch danach einteilen, ob es sich bei ihnen um Metalle handelt oder nicht. Die meisten Elemente des Periodensystems sind Metalle. Nur im rechten oberen Bereich finden sich einige Elemente, die keine Metalle sind.

Präge dir die Elemente der ersten drei Perioden ein! Diese Merksprüche von Max und Lisa helfen dir dabei.

Metalle haben einige typische Eigenschaften: ƒ ƒ ƒ ƒ

Metallischer Glanz: Sie glänzen, wenn Licht auf sie fällt. Verformbarkeit: Sie können verformt werden, ohne dass sie zerbrechen. Wärmeleitfähigkeit: Sie können die Wärme sehr gut leiten. Elektrische Leitfähigkeit: Sie können den elektrischen Strom leiten.

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Zu den Nichtmetallen zählen die Edelgase, die meisten Elemente der 7. Hauptgruppe, die Halogene genannt werden, sowie die Elemente Wasserstoff (H), Kohlenstoff (C), Stickstoff (N), Sauerstoff (O), Phosphor (P) und Schwefel (S).

Merksprüche:

2. Periode: „Liebe Berta, Bitte Comm Nicht Ohne

Frische Nelken.“

3. Periode: „Natürlich

Mögen Alle Sieben Polizisten Sehr Clever Arbeiten.“

Bei den Nichtmetallen gibt es keine gemeinsamen typischen Eigenschaften.

Halbmetalle

Einige Elemente sehen zwar aus wie Metalle, haben aber nicht alle für Metalle typischen Eigenschaften. Vor allem die elektrische Leitfähigkeit ist bei ihnen nicht gegeben. Daher bezeichnet man diese Elemente als Halbmetalle. Zu den Halbmetallen zählt man Bor (B), Silizium (Si), Germanium (Ge), Arsen (As), Selen (Se), Antimon (Sb), Tellur (Te), Polonium (Po) sowie Astat (At).

Welches Wort ist im Merkspruch der 2. Periode falsch geschrieben?

Atomphysik Chemische Bindungen

Konfiguration: Anordnung zueinander

Wenn die äußersten Elektronenschalen voll sind, ist dies für Atome besonders günstig. Indem sich zwei oder mehrere Atome miteinander verbinden, können sie diese für sie vorteilhafte Edelgaskonfiguration erreichen. Auf diese Weise entstehen chemische Verbindungen. Es gibt verschiedene Arten der chemischen Bindung:

H-Atom

Wassermolekül (H2O)

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O-Atom

ELEKTRONENPAARBINDUNG: Ein Beispiel für diese Bindungsart ist das Wasser. Dieses besteht aus einem Sauerstoﬀatom und zwei Wasserstoﬀatomen. Seine chemische Formel ist daher H2O. Die beiden H-Atome geben ihre Elektronen an die Hülle des O-Atoms ab. Dadurch wird die Hülle des O-Atoms gefüllt und es erreicht so die günstige Edelgaskonfiguration. Gleichzeitig bauen die H-Atome jeweils ein Elektron des O-Atoms in ihre Hüllen ein. So erreichen auch sie die günstige Edelgaskonfiguration. Gemeinsam bilden sie ein Molekül.

IONENBINDUNG: Wenn Atome aus ihrer Hülle Elektronen abgeben, oder zusätzliche Elektronen aufnehmen, sind sie nicht mehr elektrisch neutral. Sie werden dann von anderen geladenen Teilchen angezogen oder abgestoßen. Atome in einem solchen Zustand nennt man Ionen.

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Ion: leitet sich vom griechischen Wort für gehen, wandern ab

Molekulare Gase Abgesehen von den Edelgasen kommen Gase nicht als einzelne Atome vor, sondern bilden mit einem zweiten Atom ein Molekül. So gibt es O2-, N2oder H2-Moleküle.

Salzkristall

METALLISCHE BINDUNG: Metall-Atome geben ihre äußeren Elektronen sehr leicht ab. Die positiv geladenen MetallIonen bilden ein regelmäßiges Gitter, in dem sich die abgegebenen Elektronen frei bewegen können. Das Gitter wird von den negativ geladenen Elektronen zusammengehalten. Die einzelnen Elektronen sind nicht mehr fix bei einem Atom.

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Alle Gegenstände bestehen aus Elementen, die sich in ihrer Elektronenhülle unterscheiden. Diese werden im Periodensystem in Perioden und Gruppen eingeteilt. Man unterscheidet Metalle, Nichtmetalle und Halbmetalle. Einzelne Atome können sich zu Molekülen, Kristallen oder Gittern verbinden. Es gibt die Elektronenpaarbindung, die Ionenbindung und die metallische Bindung.

Ionenbindungen treten zwischen Metallen und Nichtmetallen auf. Ein Beispiel dafür ist das Kochsalz, das aus Natrium- und Chloratomen besteht. Das Na-Atom gibt ein Elektron ab. Dadurch erreicht es die Edelgaskonfiguration und ist positiv geladen. Das Cl-Atom nimmt das Elektron auf, erreicht ebenfalls die günstige Konfiguration und ist negativ geladen. Die positiv und negativ geladenen Ionen ziehen einander an und formen ein regelmäßiges Gitter. In diesem sind die Na- und Cl-Atome abwechselnd angeordnet. So bildet sich der Salzkristall.

Metallgitter

Atomphysik 13

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

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1) Was fehlt hier? Ergänze die fehlenden Teile, indem du entweder die Namen der Elemente oder die Elektronen in der Schale ergänzt! %%

Natrium

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Sauerstoff

Magnesium

Kohlenstoff

2) Merken leicht gemacht – Finde für diese zwei Hauptgruppen Merkhilfen, mit denen du dir die Namen der Elemente leichter einprägen kannst! %%%%

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1. Hauptgruppe: Alkalimetalle Elemente: Li (Lithium), Na (Natrium), K (Kalium), Rb (Rubidium), Cs (Cäsium), Fr (Francium) Merkhilfe:

Hinweis: H (Wasserstoﬀ ) steht zwar ebenfalls in der 1. Hauptgruppe, wird aber nicht zu den Alkalimetallen gezählt.

7. Hauptgruppe: Halogene Elemente: F (Fluor), Cl (Chlor), Br (Brom), I (Jod), At (Astat) Merkhilfe:

14 Atomphysik

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

3) Elemente und ihre Symbole – Ordne diesen Elementen ihre Symbole richtig zu! %%

Element

Gold

Silber

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Symbol

Blei

Eisen

Sauerstoﬀ Zinn

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4) Periodenquiz – Beantworte folgende Fragen zum Periodensystem! %%%%

Welche Elemente gehören zur 1. Periode? Kreise ein!

Wie lautet der Merkspruch für die 2. Periode? ____________________________________________ _________________________________________________________________________________ Wie heißen die Elemente im eingeschobenen Bereich der 6. Periode? _________________________ Wie nennt man die Spalten des Periodensystems? ________________________________________ Wie heißen die Elemente im eingeschobenen Bereich der 7. Periode? _________________________ In welcher Periode findest du Aluminium? 2. P.

3. P.

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1. P.

In welcher Periode findest du Fluor? 1. P.

2. P.

3. P.

Welche dieser Elemente sind Nichtmetalle? Kreise ein!

Nenne 4 typische Eigenschaften von Metallen! ________________________________________

_______________________________________

________________________________________

_______________________________________

Welche Eigenschaft ist bei Halbmetallen nicht gegeben?

_____________________________________________

PHYSIK-NEWS: Atomphysik

Rätsel der Woche – Was ist was?

Von den meisten Elementen gibt es mehrere Isotope. Diese sind Versionen, die im Kern unterschiedlich viele Neutronen besitzen. So gibt es von Kohlenstoff die Isotope 12C, 13C und 14 C. Die hochgestellte Zahl gibt die Atommasse, also die Anzahl von Teilchen im Kern an. Meistens sind nicht alle Isotope eines Elements stabil. Bei Kohlenstoff ist das Isotop 14C nicht stabil. Sein Kern zerfällt nach einer gewissen Zeit und gibt dabei Strahlung ab. Es ist also radioaktiv.

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Nicht alle Wasserstoffatome sind gleich aufgebaut. „Normaler“ Wasserstoff hat im Kern nur ein Proton. Der Kern von Deuterium enthält zusätzlich noch ein Neutron, der von Tritium sogar zwei Neutronen. Bei chemischen Reaktionen verhalten sich alle drei gleich. Die Eigenschaften von Wasser, das daraus gebildet worden ist, unterscheiden sich jedoch. „Schweres Wasser“ aus Deuterium gefriert nicht erst bei 0 °C, sondern bei 3,8 °C. Aus Tritium gebildetes „überschweres Wasser“ wird bereits bei 4,5 °C fest.

Auch andere Elemente haben Verwandte

Der Wasserstoff und seine Verwandten

Neutronensterne – Monster im Weltall

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Am Ende ihrer Lebenszeit stürzt die Materie mancher Sterne ins Innere. Dabei wird der Druck so hoch, dass die Elektronen der Atomhülle in den Atomkern gepresst werden und sich mit den Protonen verbinden. Ein neuer Himmelskörper entsteht: Ein Neutronenstern. Bei diesem handelt es sich um einen riesigen Atomkern, der fast nur aus Neutronen besteht und eine extrem hohe Dichte hat. Die Masse eines Neutronensterns mit nur 100 m Durchmesser wäre so groß wie die der Erde.

Wasserstoff Deuterium Tritium

Geben Sie einem Element Ihren Namen!

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Wie wäre es, wenn das nächste Element Ihren Namen tragen würde? Es könnte ja dann Meierium oder Bergerium heißen. Dazu müssen Sie lediglich dieses Element selbst entdecken. Denn der Entdecker darf „seinem“ Element einen Namen geben. Daher könnten Sie es auch nach Ihrem Wohnort Grazium oder Salzburgium nennen. Das Element 99 wurde z. B. nach dem berühmten Physiker Albert Einstein „Einsteinium“ (Es) benannt. Das Element 101 trägt den Namen „Mendelevium“ (Md) und wurde nach dem russischen Chemiker Dmitri Mendelejew benannt, der im Jahr 1869 das Periodensystem der Elemente erfand. Damit wurde der Erfinder zu einem Teil seiner eigenen Erfindung.

Der Traum der Alchemisten

Jahrhundertelang versuchten Alchemisten, aus Blei Gold herzustellen. Was den Alchemisten nicht gelang, schaffen heute Physiker/innen. Allerdings verwenden sie kein Blei, um Gold herzustellen, sondern Platin oder Quecksilber. Durch die Bestrahlung mit Neutronen können sie den Atomkern so verändern, dass Gold entsteht. Das Problem ist nur, dass die Herstellung von künstlichem Gold viel teurer ist als das Gold selbst. Daher wird sich diese Methode zur Goldherstellung wohl nicht durchsetzen.

PHYSIK-NEWS: Atomphysik Wie alles begann

Atome sind extrem klein. Daher müssen Physiker/innen mit Tricks arbeiten, um sie sichtbar zu machen. Mit einer extrem feinen Nadel, deren Spitze nur aus wenigen Atomen besteht, tasten sie die Oberfläche eines Gegenstandes ab. So können sie die Unebenheiten an der Oberfläche, die von den einzelnen Atomen stammen, erkennen. Ein Computer errechnet daraus ein Bild. Hier sehen Sie die Oberfläche einer Goldfolie. Das Muster sind die einzelnen Atome, die das Kristallgitter bilden.

• Vor ca. 13,7 Milliarden Jahren entstanden in einer gewaltigen Explosion – dem Urknall – das Universum und die gesamte Materie. • Diese Materie bestand zunächst nur aus Protonen und Elektronen, die sich nach einiger Zeit zu Wasserstoffatomen verbanden. • Das Wasserstoffgas verdichtete sich an manchen Stellen. Die ersten Sterne entstanden. • Durch die hohe Temperatur und den hohen Druck im Inneren der Sterne bildeten sich schwerere Element. • Nach einiger Zeit explodierten viele dieser Sterne. Dabei wurden diese Elemente gemeinsam mit dem verbliebenen Wasserstoff ins Weltall geschleudert. • Riesige Staubwolken entstanden, die sich durch die Schwerkraft wieder zusammenzogen. • Im Zentrum der Staubwolken bildeten sich neue Sterne, aus dem Rest Planeten und andere Himmelskörper. • Unsere Erde und damit auch wir selbst sind also die Überbleibsel einer Sternexplosion.

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Wie man Atome fotografiert

Witz der Woche!

Zwei Atome stoßen auf dem Gehsteig zusammen. Da ruft das eine: „Das ist ja schrecklich! Ich habe ein Elektron verloren!“ Darauf meint das andere Atom: „Ist doch gut so, jetzt bist du positiv.“

Ein Besuch im Teilchen-Zoo

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Die Materie, wie wir sie kennen, besteht aus Protonen, Neutronen und Elektronen. Physiker/innen fanden jedoch heraus, dass es noch zahlreiche andere Teilchen gibt. Außerdem stellten sie fest, dass es zu jedem Teilchen ein sogenanntes Antiteilchen gibt. So ist das Antiteilchen des Elektrons das Positron. Wenn sich die beiden berühren, löschen sie sich gegenseitig aus. Beim Betrachten der Vielzahl an Teilchen meinte ein Physiker schließlich: „Das sieht ja aus wie ein ganzer Teilchen-Zoo“. Die meisten dieser Teilchen entstehen, wenn andere Teilchen mit extrem hoher Geschwindigkeit zusammenstoßen, und existieren nur Sekundenbruchteile, bevor sie wieder verschwinden.

Hast du das gewusst?

ƒ Uran mit der Ordnungszahl 92 ist das schwerste Element, das auf der Erde natürlich vorkommt. Alle schwereren Elemente werden künstlich hergestellt. Diese bezeichnet man als Transurane, was so viel bedeutet wie „jenseits von Uran“. ƒ Das Element Helium wurde nicht auf der Erde entdeckt, sondern auf der Sonne. Bei der Untersuchung des Sonnenlichts stellte man im Jahr 1868 fest, dass es auf der Sonne ein neues Element geben müsse. Dieses benannte man nach dem griechischen Sonnengott Helios. Erst im Jahr 1882 fand man dann auch auf der Erde Helium.

Buchtipps Gerhard Staguhn: Die Jagd nach dem kleinsten Baustein der Welt (Verlag Carl Hanser, 2000). Adrian Dingle: Wie man aus 92 Elementen ein ganzes Universum macht (Bloomsbury Kinderbücher & Jugendbücher, 2011). Luca Novelli: Marie Curie und das Rätsel der Atome (Arena Verlag, 2008).

Elektrizität

3. WAS IST ELEKTRIZITÄT? Phänomen: besondere Erscheinung

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Die Auswirkungen von Elektrizität sind den Menschen schon seit langem Zitteraal bekannt. Immerhin ist auch der Blitz ein elektrisches Phänomen, das bei jedem Gewitter auftritt. Allerdings kann die Elektrizität des Blitzes nicht genutzt werden, da man nie genau weiß, wo er das nächste Mal auftreten wird. Außerdem ist die Elektrizität, die in einem einzelnen Blitz steckt, viel zu groß.

Natürliche Elektrizität

Es gibt auch Tiere, welche die Elektrizität nutzen, um sich gegen ihre Feinde zu verteidigen. So wehren sich z. B. der Zitterrochen und der Zitteraal mit Elektroschocks. Auch diese Form der Elektrizität kann der Mensch nicht nutzen.

Zitterrochen

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Der Mensch entdeckt die Elektrizität

Die Griechen entdeckten vor mehr als 2 000 Jahren eine für sie neue Erscheinung: Wenn sie ein Stück Bernstein an ihrer Kleidung oder dem Fell eines Tieres rieben, konnte es danach kleine Teilchen wie Haare oder Stoﬀfasern anziehen. Die Griechen schrieben diese Eigenschaft dem Bernstein zu und benannten dieses Phänomen nach ihrem Namen für Bernstein Elektron. Im heutigen Irak fand man Überreste von Tongefäßen, die ähnlich aufgebaut waren wie heutige Batterien. Nach ihrem Fundort wurden sie Bagdad-Batterien genannt. Man weiß allerdings nicht genau, wofür die Menschen damals die Elektrizität verwendet haben. Auch in der Neuzeit führten die Wissenschaftler noch Experimente mit der Reibungselektrizität durch. Sie fanden auch Möglichkeiten, um diese Elektrizität zu speichern. Allerdings gab es kaum praktische Anwendungen dafür.

Bagdad-Batterie

Bernstein

Bernstein: versteinertes Harz von Bäumen, die vor langer Zeit gelebt haben Harz: klebrige Flüssigkeit von Bäumen

Bagdad

irAN

irAk SAuDi-ArABiEN Irak mit der Hauptstadt Bagdad Neuzeit: Zeitspanne, die vor etwa 500 Jahren begann und bis heute andauert

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Elektrizität wird nutzbar

Im Jahr 1780 gelang es dem italienischen Physiker Alessandro Volta, erstmals elektrischen Strom ohne Reibung herzustellen. Er schichtete abwechselnd Kupferund Zinkplättchen übereinander. Zwischen die Plättchen legte er Lederstücke, die er zuvor in Salzwasser getaucht hatte. Die nach ihm benannte Voltasche Säule war für lange Zeit die wichtigste Quelle für elektrischen Strom. Die Voltasche Säule ist die Urform aller Batterien, die man heute verwendet.

Voltasche Säule

Leidener Flasche Diese wird auch Kleistsche Flasche genannt. Sie war die erste Möglichkeit, Elektrizität zu speichern. Dazu brachte man innen und außen an einer Glasflasche Metallfolien an.

Elektrizität In Elektrizität steckt Energie

transformieren: umwandeln

Wenn ein Blitz in ein Gebäude oder in einen Baum einschlägt, kann er große Schäden anrichten. Beim Blitzeinschlag wird die Energie, die in der Elektrizität des Blitzes steckt, freigesetzt. Diese Energie wird in Wärmeenergie umgewandelt, welche die Zerstörungen verursacht.

Umgekehrt wendet man mechanische Energie auf, wenn man ein Stück Bernstein an seiner Kleidung reibt und auf diese Weise Elektrizität erzeugt.

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Was ist elektrischer Strom? Unter „elektrischem Strom“ versteht man den Transport von elektrischer Energie in einer elektrischen Leitung. Häufig spricht man auch nur von „Strom“.

Baum nach einem Blitzeinschlag

Wir nutzen elektrische Energie

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Wenn du den Fernseher einschaltest oder das Licht aufdrehst, nutzt du elektrische Energie. Aber dazu musst du weder auf das nächstes Gewitter warten noch ein Stück Bernstein an deiner Kleidung reiben. Um ein Elektrogerät in Betrieb zu nehmen, musst du lediglich den Stecker in die Steckdose stecken, um Zugang zu elektrischer Energie zu erhalten. Aber wie kommt die elektrische Energie in die Steckdose?

Stromnetz: Der Strom wird mit elektrischen Leitungen über weite Strecken transportiert. Turbine: Maschine, die durch die Bewegung von Flüssigkeiten oder Gasen in Drehung versetzt wird

Elektrizität ist sehr gut dazu geeignet, um Energie über weite Strecken zu transportieren. In einem Kraftwerk wird Energie umgewandelt. Die Energie einer Energiequelle wird in elektrische Energie transformiert. Mit Hilfe von elektrischen Leitungen wird diese Energie dann an die Stelle transportiert, an der sie gebraucht wird. So gelangt sie auch in deine Steckdose. In einem Elektrogerät wird dann die elektrische Energie in mechanische Energie, in Lichtenergie oder in Wärmeenergie umgewandelt.

Wie wird Elektrizität erzeugt?

Elektrizität wird in großen Kraftwerken erzeugt und über das Stromnetz im ganzen Land verteilt. Es gibt verschiedene Arten, wie in einem Kraftwerk Elektrizität erzeugt werden kann:

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WASSERKRAFTWERK: Hier wird die Bewegungsenergie genutzt, die in fließendem Wasser steckt. Diese versetzt eine Turbine in Drehung, die einen Generator antreibt. Der Generator erzeugt den elektrischen Strom.

Turbinenanlage eines Wärmekraftwerkes

WäRMEKRAFTWERK/KALORISCHES KRAFTWERK: In diesem wird Wasser erhitzt. Der Wasserdampf treibt die Turbine an.

Generator: Gerät, das mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt Dampf: Wasser, das beim Erhitzen gasförmig geworden ist

Wasserkraftwerk Ybbs-Persenbeug (NÖ)

Kalorisches Kraftwerk in Theiß (NÖ)

Atomkraftwerk in Temelin (Tschechien)

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Elektrizität

Windkraftwerk

Photovoltaik-Kraftwerk bei Freiberg (Deutschland)

ATOMKRAFTWERK: Dieses ist ein besonderes Wärmekraftwerk. Die Wärme kommt nicht vom Verbrennen von Kohle oder Gas, sondern von radioaktiven Stoﬀen.

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WINDKRAFTWERK: Hier wird die Bewegungsenergie der Luft genutzt. Der Wind dreht das große Windrad. Dieses erzeugt mit Hilfe eines Generators elektrischen Strom.

SOLARKRAFTWERK: In diesem wird Sonnenenergie in elektrischen Strom umgewandelt. Dabei gibt es zwei unterschiedliche Methoden. Bei einem PhotovoltaikKraftwerk wird die im Sonnenlicht enthaltene Energie direkt zu elektrischem Strom. Solche Kraftwerke findet man in verkleinerter Form auch auf zahlreichen Hausdächern. Bei einem Sonnenwärmekraftwerk wird das Sonnenlicht durch zahlreiche Spiegel auf einen einzigen Punkt gelenkt. Dort wird es so heiß, dass Wasser verdampft werden kann. Der Wasserdampf treibt eine Turbine an.

Was kann Elektrizität?

Elektrizität ist sehr vielseitig verwendbar und für unser heutiges Leben unverzichtbar. Das alles kann der elektrische Strom: Elektrischer Strom erzeugt Licht: Mit ihm werden in der Nacht Wohnungen beleuchtet, aber auch Verkehrsampeln, Straßenlaternen, Schaufenster und Werbetafeln erhellen im Dunkeln die Städte. Die Scheinwerfer von Autos und Fahrrädern beleuchten die Straßen.

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Elektrischer Strom erzeugt Bewegung: Elektrizität treibt Motoren an, für die es viele Verwendungsmöglichkeiten gibt. Du findest Elektromotoren in Haushaltsgeräten und Spielsachen, aber auch in Verkehrsmitteln wie Eisenbahnen, Autos und Autobussen.

Elektrischer Strom erzeugt Wärme: Viele Wohnungen und Häuser werden elektrisch beheizt. Strom wird zum Kochen verwendet, aber auch in Waschmaschinen und Geschirrspülern wird mit ihm das Wasser erhitzt. Zum Bügeln und Haareföhnen brauchst du ihn ebenfalls.

Elektrischer Strom rechnet: Elektronische Bauteile wie Mikroprozessoren und Speicher finden sich in jedem Computer, aber auch in vielen anderen Geräten wie Autos, Handys, Fernsehern, MP3- und DVD-Playern sowie in Haushaltsgeräten.

Sonnenwärmekraftwerk bei Sevilla (Spanien) Solar: vom lateinischen Wort für Sonne „Sol“ Wofür verwendest du bei dir zu Hause elektrischen Strom? Berichte darüber in der Klasse!

Elektrizität ist schon seit langem bekannt, aber erst seit kurzem kann sie auch genutzt werden. Mit Elektrizität kann Energie transportiert werden. Elektrischer Strom kommt aus Kraftwerken und kann zur Erzeugung von Licht, Bewegung und Wärme verwendet werden. Aber auch in Computern wird er gebraucht.

Elektrizität

4. DIE ELEKTRISCHE LADUNG – ELEKTROSTATIK

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Warum gibt es diese Anziehung und weshalb richten sich deine Haare auf?

Durch das Reiben wird der Luftballon elektrisch aufgeladen. Dabei gelangen vom Pullover Ladungsträger auf den Luftballon. Diese Ladungsträger üben auf andere Gegenstände, die nicht aufgeladen sind, eine anziehende Kraft aus, in diesem Fall auf die Haare. Je mehr Ladungsträger sich am Luftballon befinden, desto stärker ist diese Kraft.

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Ladungsträger In der Physik wird dir der Begriﬀ „Ladung“ noch öfter begegnen. Die Physiker/innen verstehen darunter, dass ein Teilchen eine bestimmte Eigenschaft hat, mit der es eine Kraft auf andere Teilchen ausüben kann. Wie ein Lastwagen trägt es diese Eigenschaft als Ladung mit sich. Das Teilchen ist daher der Ladungsträger.

Nimm einen aufgeblasenen Luftballon und reibe ihn an deinem Pullover oder an einer Decke. Halte dann den Luftballon an deine Haare. Du wirst beobachten, dass deine Haare vom Luftballon angezogen werden. Bereits die antiken Griechen haben ähnliche Beobachtungen gemacht. Allerdings haben sie keine Luftballons, sondern Bernstein verwendet.

Elektrische Ladungsträger

Die elektrischen Ladungsträger sind die Elektronen. Die Ladung der Elektronen bezeichnet man als „negative Ladung“. Die Ladung eines einzelnen Elektrons ist sehr gering. Erst wenn sehr viele Elektronen zusammenwirken, entsteht eine beobachtbare Kraft.

Auch beim Streicheln einer Katze kann es zur elektrischen Aufladung kommen.

Versuch

Zwei gleich geladene Gegenstände stoßen einander ab. Zwei unterschiedlich geladene Gegenstände ziehen einander an.

Nicht geladene Gegenstände werden sowohl von positiv als auch von negativ geladenen Gegenständen angezogen.

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Führt die Experimente „Der rotierende Löffel“, „Elektrisch gekoppelte Pendel“ und „Papierschnitzeltanz“ Auf S. 157 und 158 durch!

Beim Reiben gelangen Elektronen von einem Gegenstand auf den anderen. Der Gegenstand, der danach mehr Elektronen aufweist, ist daher negativ geladen. Der andere Gegenstand hat danach weniger Elektronen als zuvor und ist daher positiv geladen.

Vergleiche die anziehende und die abstoßende Kraft zwischen geladenen Gegenständen mit der Kraft zwischen 2 Magneten!

Was entspricht der positiven bzw. negativen Aufladung? Was entspricht einem nicht geladenen Gegenstand?

Auch die Elektronen stoßen einander ab. Wenn sich viele Elektronen eng beieinander befinden, versuchen sie, sich möglichst gleichmäßig zu verteilen. Dadurch erhalten sie einen möglichst großen Abstand zu ihren Nachbarelektronen. Zwei gleich geladene Luftballons stoßen einander ab.

Elektrizität

Ladungsausgleich Schock: überraschendes und unangenehmes Erlebnis

Vielleicht ist dir schon einmal Folgendes passiert: Du gibst jemandem die Hand und spürst dabei einen leichten Schock in den Fingern. Zuvor hat sich dein Körper durch Reibung elektrisch aufgeladen. Beim Berühren einer anderen Person fließen die Elektronen von deiner Hand auf den Körper des anderen. Dadurch vergrößern sie den Abstand zueinander. Es kommt zum Ladungsausgleich. Dabei fließen die Elektronen sehr rasch durch deine Haut und reizen die Nervenzellen. Diesen Reiz spürst du als Schock.

Der Teilbereich der Physik, der sich mit elektrischen Ladungen und ihrer Verteilung beschäftigt, ist die Elektrostatik.

Messung der elektrischen Ladung

Anschluss

isolator

Gehäuse

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Die elektrische Ladung wird mit dem Elektroskop oder dem Elektrometer gemessen. Dabei wird der geladene Gegenstand mit einem Stab verbunden, an dem sich ein Zeiger befindet. Der Stab und der Zeiger werden gleich aufgeladen und stoßen einander daher ab. Je stärker die Aufladung ist, desto weiter schlägt der Zeiger aus.

Tipp: Denk dabei daran, was beim Ausziehen eines Pullovers passieren kann!

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Ladungsausgleich beim Händeschütteln

Einen Elektroschock kannst du nicht nur beim Händeschütteln spüren. Überlege, wo du sonst schon einen elektrischen Schock gespürt hast!

Zeiger

Skala

Elektrometer

Die elektrische Ladung wird in Coulomb (C) gemessen. 1 Coulomb entspricht der Ladung von etwa 6 250 000 000 000 000 000 Elektronen.

Elektroskop oder Elektrometer? Die Wortendung „-skop“ deutet immer darauf hin, dass man etwas sieht. Sie leitet sich vom griechischen Wort für „betrachten“ ab. Die Wortendung „-meter“ sagt dir, dass mit diesem Gerät etwas gemessen wird. Das Elektroskop zeigt also die Stärke der elektrischen Ladung an, mit dem Elektrometer wird sie gemessen.

Überlegt gemeinsam in der Klasse: Wo habt ihr schon Geräte kennengelernt, die auf „-skop“ oder „-meter“ enden?

Der Bandgenerator

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Bürste

Band

Bandgenerator

Der Bandgenerator dient zum Erzeugen von elektrischer Ladung. Dabei wird zwischen einem sich bewegenden Band und einer Bürste Reibung erzeugt. Die Elektronen wandern von der Oberfläche einer hohlen Metallkugel auf das Band. Die Hohlkugel lädt sich dabei positiv auf.

Bürste: in der Physik eine Vorrichtung, die einen elektrischen Kontakt herstellt

Versuch Die Elektronen werden über ein Kabel auf einen Stab übertragen. Dieser Stab hat an seinem Ende eine kleinere Metallkugel, die negativ aufgeladen wird.

Führt das Experiment „Die Elektronenfalle“ auf S. 158 durch!

Elektrizität

Blitzüberschlag

Schutz vor Überschlägen – der Faradaysche Käfig

Im Inneren eines Metallkäfigs ist man vor Blitzschlägen geschützt. Die Ladungen bleiben an der Außenseite des Käfigs und dringen nicht in das Innere ein. Nach seinem Erfinder, dem englischen Wissenschaftler Michael Faraday, nennt man so einen Schutzkäfig Faradayschen Käfig. Auch jeder andere geschlossene Raum, der von Metall umgeben ist, wirkt wie ein Faradayscher Käfig.

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Wer war Faraday? Der englische Wissenschaftler Michael Faraday erforschte in der ersten Hälfte des 19 Jh. den Magnetismus. Er führte etwa 30 000 Experimente durch und veröﬀentlichte ca. 450 wissenschaftliche Artikel. Faraday beschäftigte sich aber nicht nur mit physikalischen Experimenten, sondern forschte auch auf dem Gebiet der Chemie.

Berührt man mit dem Stab die Hohlkugel, fließen die Elektronen wieder zurück. Man spricht dann von einer Entladung. Aber auch wenn der Stab ein Stück von der Hohlkugel entfernt ist, kann es zu einer Entladung kommen. Wenn genügend Elektronen vorhanden sind, können sie auch durch die Luft von einer Kugel zur anderen springen. Diese Form der Entladung sieht man als Blitz. Sie heißt auch elektrischer Überschlag.

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Faradayscher Käfig

Karosserie: äußere Hülle eines Fahrzeugs

Wenn es bei dir zu Hause einen Mikrowellenherd gibt, betrachte die Tür einmal genauer! Siehst du das Metallgitter?

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Die elektrischen Ladungsträger sind die Elektronen. Durch Reibung kann man Gegenstände elektrisch aufladen. Besitzen sie zu viele Elektronen, sind sie negativ geladen. Die elektrische Ladung wird mit dem Elektrometer gemessen. Berühren elektrisch geladene Gegenstände einander, kommt es zu einer Entladung.

Denke dabei an ein Auto! Die elektrische Energie eines Blitzes, der in ein Auto einschlägt, wird außen an der Karosserie aus Metall abgeleitet. Menschen im Inneren bleiben davon verschont. Wenn du dich also bei Gewitter in einem Auto aufhältst, kann dir nichts geschehen. Ein Flugzeug, das durch ein Gewitter fliegt, wird von den Blitzen ebenso nicht beschädigt. Auch ein Flugzeug ist ein Faradayscher Käfig. Ebenso ist ein Mikrowellenherd ein Faradayscher Käfig, bei dem Innen und Außen vertauscht sind. Nicht das Innere ist vor Blitzschlägen geschützt. Vielmehr wird durch einen Metallkäfig verhindert, dass Überschläge von innen nach außen gelangen können. Deshalb ist auch die Glasscheibe in der Tür des Mikrowellenherdes mit einem feinen Metallgitter versehen.

Elektrizität 23

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

1) Der Faradaysche Käfig – Lies dir den Text über den Faradayschen Käfig auf der vorigen Seite noch einmal genau durch! Dann finde heraus, welche der Bilder einen Faradayschen Käfig zeigen! Wenn du die Buchstaben bei diesen Bildern richtig ordnest, erhältst du ein Lösungswort. %%%%

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LÖSUNGSWORT:

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2) Finde nun die richtigen Begriﬀe aus Aufgabe 1 in diesem Suchrätsel! %%

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Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

3) Die Triboelektrische Reihe – Professor Zweistein hat für die Schülerzeitung einen Artikel über die Triboelektrische Reihe geschrieben. Lies den Artikel und finde danach heraus, welcher der Gegenstände sich wie auflädt, wenn man sie aneinander reibt! Schreibe ein „+“ zu dem Gegenstand, der sich positiv auflädt und ein „–“ zu dem mit negativer Ladung! %%%

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Triboelektrische Reihe: + Glas – Nylon – Wolle – Blei – Seide – Aluminium – Papier – Baumwolle – Stahl – Hartgummi – Kupfer – Silber –

Papier

Was lädt sich wie auf?

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Wenn man zwei Gegenstände aneinander reibt, werden dabei Elektronen übertragen. Der Gegenstand, der Elektronen abgibt, lädt sich positiv (+) auf. Der Gegenstand, der Elektronen erhält, lädt sich negativ (–) auf. Welcher Gegenstand sich wie auflädt, hängt vom Material ab, aus dem er besteht. Wenn du z. B. einen Gummihammer an einem Pullover aus Wolle reibst, lädt sich der Gummihammer negativ auf und der Pullover positiv. Reibst du aber mit einem Trinkglas am selben Pullover, dann lädt sich der Pullover negativ und das Trinkglas positiv auf. Indem man Gegenstände aus verschiedenen Materialen aneinander reibt und dann ihre Aufladung misst, kann man eine Reihe erstellen. Das Material, das weiter am positiven Ende der Reihe liegt, lädt sich beim Reiben positiv auf. Diese Reihe nennt man Triboelektrische Reihe.

Kupferrohr

SIlberlöﬀel

Seidenbluse

Gummihammer

Wollpullover

–

Trinkglas

+ Wollpullover

4) Elektrische Ladung – In dieser Buchstabenreihe haben sich mehrere wichtige Begriﬀe zur elektrischen Ladung versteckt. Du findest sie, wenn du jeden zweiten und dritten Buchstaben durchstreichst. Schreibe die Begriﬀe dann richtig auf die Zeilen darunter! %%

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LDRAGTDFRUGHNWDGTESLQTGJRTZÄKSGUCEJVRHREQOLHIEDFKJETIPR JLOÜWMVEEFDTQTEKSRLKBLIAXSNYADDEGYCEFRNZUEJURFKAVBTKWOL Ö R U Q FG TA B I R H J A A D D K I AV N Y S J S N TC J E H K I EVC R LO KY S Ä H T F J R I J I G LT ___________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________

Antwort: Der Wissenschaftler ________________________________________________________

5) Frage – Wer erkannte, dass man im Inneren eines Metallkäfigs vor Blitzen geschützt ist? %%

Elektrizität

5. DER ELEKTRISCHE STROM Die Elektronen bewegen sich von negativ geladenen Gegenständen zu positiv geladenen, wenn sich die Gegenstände berühren. Dadurch kommt es zu einem Ladungsausgleich. Zu einem Ladungsausgleich kann es jedoch auch dann kommen, wenn die Gegenstände nicht direkt aneinanderstoßen, sondern wenn man mit einem Stück Kupferdraht beide Gegenstände gleichzeitig berührt. So verhindert ein Stück Kupferdraht bei einem Bandgenerator die Aufladung der Hohlkugel.

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kupferdraht

Bandgenerator mit Kupferdraht: Elektronen bewegen sich im Kreis.

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Der Kupferdraht leitet die Elektronen von einem geladenen Gegenstand zum anderen. Während der Entladung fließen die Elektronen durch den Kupferdraht. Das heißt, der Draht leitet die Elektronen. Wenn Elektronen geleitet werden, sprechen wir von elektrischem Strom. Du siehst, dass der elektrische Strom von einem Kupferdraht geleitet wird, wenn du die beiden Pole einer Batterie durch Kupferdraht mit einem Lämpchen verbindest. Das Lämpchen leuchtet auf, solange Strom hindurchfließt. Stoﬀe, die den elektrischen Strom leiten können, nennt man elektrische Leiter. Zu ihnen gehören alle Metalle und Grafit. Viele Stoﬀe leiten den elektrischen Strom jedoch nicht. Diese nennt man Nichtleiter oder Isolatoren.

Flüssige Leiter – Elektrolyte

Wenn man einen der Drähte, die zum Lämpchen führen, durchschneidet und die beiden Enden in destilliertes Wasser taucht, leuchtet das Lämpchen nicht. Destilliertes Wasser ist ein Isolator. Gibt man jedoch Kochsalz in das Wasser, dann beginnt das Lämpchen wieder zu leuchten. Warum?

Oly kathode

Anode

Warum lädt sich die Hohlkugel nicht auf, wenn sie mit einem Kupferdraht mit der kleineren Kugel verbunden ist?

Kupferdraht, zum Schutz mit Isolator überzogen Stelle fest, welche Stoﬀe den Strom leiten! Verbinde dazu die Batterie und das Lämpchen mit verschiedenen Materialien! Grafit: dunkelgraues Mineral; besteht aus Kohlenstoﬀ und wird zur Herstellung von Bleistiften verwendet

Salzwasser

Kochsalz besteht aus Natrium- und Chlorionen. Wird Kochsalz in Wasser aufgelöst, schwimmen die Ionen frei in der Flüssigkeit. Die negativen Chlorionen werden in der Lösung vom positiv geladenen Drahtende angezogen, die positiv geladenen Natriumionen vom negativ geladenen Drahtende. So fließt in der Salzlösung Strom.

Sind alle Metalle fest? Metalle wie Gold, Silber, Eisen, Aluminium, Blei, Kupfer oder Nickel sind bei Raumtemperatur fest. Nur Quecksilber ist ein Metall, das bei Raumtemperatur flüssig ist.

Leiter und Nichtleiter

Negativ geladene Ionen werden als Anionen bezeichnet, positiv geladene Ionen als Kationen. Die beiden Drahtenden, die in die Flüssigkeit getaucht sind, nennt man Elektroden. Die positive Elektrode ist die Anode, die negative Elektrode bezeichnet man als Kathode. Flüssigkeiten, die den elektrischen Strom leiten, nennt man Elektrolyte.

Isolator: von isolieren: absondern, trennen destilliertes Wasser: reines Wasser; enthält keine anderen Stoﬀe wie Salze Lösung: Flüssigkeit, in der ein Stoﬀ aufgelöst worden ist

Kationen wandern zur Kathode. Anionen wandern zur Anode. Daher sind die Kationen zwar positiv, die Kathode ist aber negativ geladen.

Elektrizität Die folgende Übersicht nennt einige Beispiele für Leiter und Nichtleiter.

Halbleiter

Elektron Loch

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Auch der menschliche Körper ist ein elektrischer Leiter. Die Flüssigkeiten, aus der unser Körper zum Großteil besteht, sind Elektrolyte. Daher kann der elektrische Strom durch uns hindurchfließen und dabei großen Schaden verursachen.

Halbleiter sind Stoﬀe, die normalerweise den Strom nicht leiten. Unter bestimmten Umständen wie bei höherer Temperatur können sie jedoch zu Leitern werden. Halbleiter sind heute sehr wichtige Stoﬀe, da sie für den Bau von Computerchips benötigt werden. Ein Beispiel für einen Halbleiter ist das Material Silizium.

STROMqUELLEN

Licht

NICHTLEITER Glas Holz Papier Gummi Porzellan

LEITER alle Metalle Grafit Salzwasser (Elektrolyt) Zitronensaft (Elektrolyt) Essig (Elektrolyt)

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Wie funktionieren Solarzellen? Solarzellen bestehen aus dem Halbleitermaterial Silizium. Fällt Licht darauf, dann werden im Inneren Elektronen herausgetrennt und es entstehen „Löcher“, wo zuvor die Elektronen waren. Da Silizium ein Isolator ist, können die Elektronen nicht direkt auf ihre ursprünglichen Plätze zurückkehren. Verbindet man aber die Ober- und Unterseite so einer Solarzelle mit einem elektrischen Leiter, dann fließen die Elektronen durch diesen wieder an ihre Ausgangspositionen zurück. Strom fließt.

Elektron

Siliziumscheibe, aus der Computerchips hergestellt werden

Die wichtigste Quelle, aus der du deinen Strom beziehst, ist sicherlich die Steckdose. Hier wollen wir uns mit den Quellen für elektrischen Strom beschäftigen, die du selbst gefahrlos verwenden kannst. Das sind das Galvanische Element und der Akkumulator.

Das Galvanische Element

1780 baute der italienische Physiker Alessandro Volta eine Stromquelle, indem er Zink- und Kupferplättchen übereinander anordnete und dazwischen in Salzwasser getränkte Lederstücke legte. Was dabei geschieht, zeigt dir diese Abbildung.

Werden das Zink- und das Kupferplättchen, die Elektroden, miteinander verbunden, kommt es zu einer chemischen Reaktion, bei der sich von der Oberfläche des Zinkplättchens Ionen lösen. Diese wandern durch das Salzwasser zum Kupferplättchen und werden dort abgelagert. Dabei fließen Elektronen vom Zinkplättchen zum Kupferplättchen.

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Luigi Galvani Der italienische Arzt Luigi Galvani führte im 18. Jh. Experimente mit Froschschenkeln durch. Er entdeckte, dass diese zu zucken begannen, wenn sie gleichzeitig mit zwei verschiedenen Metallen in Berührung kamen, die leitend miteinander verbunden waren. Volta entwickelte darauf die Voltasche Säule.

Elektronen

Zink

Salzwasser

kupfer

Das funktioniert nicht nur mit Kupfer und Zink sondern mit sehr vielen elektrisch leitenden Materialien. Meist handelt es sich dabei um Metalle, aber auch Kohlenstoﬀ kann in Form von Grafit als Elektrode dienen. Jede Stromquelle, die aus zwei unterschiedlichen Leitern und einem Elektrolyt besteht, bezeichnet man als Galvanisches Element oder Galvanische Zelle.

Elektrizität

Die Batterie Batterien enthalten wichtige Rohstoﬀe! Verbrauchte Batterien sollst du nicht wegwerfen. In jedem Supermarkt oder bei Müllsammelstellen findest du Sammelboxen für alte Batterien. Vielleicht gibt es sogar in deiner Schule so eine Sammelbox. Aus alten Batterien verwendet man die Bestandteile für die Erzeugung neuer Batterien. Das schont die Umwelt!

Eine Batterie besteht aus einem oder mehreren Galvanischen Elementen. Sie liefert ebenso wie ein Akkumulator einen gleichförmigen Strom, den Gleichstrom. Alle Batterien haben zwei Pole, den Pluspol (+) und den Minuspol (–), zwischen denen der Strom fließt. Den Vorläufer einer Batterie hast du schon kennengelernt: die Voltasche Säule.

Pluspol Graﬁtstab Elektrolyt Zinkröhrchen

Das Galvanische Element einer Batterie besteht aus zwei leitenden Materialien, zwischen denen sich ein Elektrolyt befindet. Sobald der Plusund der Minuspol miteinander verbunden werden, fließt Strom. Die Flüssigkeit, die als Elektrolyt dient, befindet sich in einem zusammengepressten Pulver. Daher kann sie nicht so leicht ausrinnen, wenn die Batterie beschädigt wird.

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Schutzhülle

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Vom Namen des Erfinders Alessandro Volta leitet sich auch der Begriﬀ „Volt“ ab, den man auf Batterien findet. Er ist meist mit „V“ abgekürzt. Volt ist die physikalische Einheit der elektrischen Spannung. Diese ist verantwortlich dafür, dass Strom überhaupt fließt. Je größer die Spannung ist, desto mehr Strom kann fließen.

Minuspol

Zink-Kohle-Batterie

Jedes Galvanische Element, das so aufgebaut ist, liefert eine Spannung von etwa 1,5 Volt und zwar so lange, bis das Material verbraucht ist. Um eine höhere Spannung zu erreichen, müssen mehrere dieser Elemente aneinandergereiht werden. So entstehen Batterien mit Spannungen von 4,5 V oder 9 V, die überall zu kaufen sind.

Rohstoﬀ: Ausgangsmaterial, das weiter bearbeitet wird physikalische Einheit: genau festgelegter Wert für etwas, das man messen kann, wie z. B. Meter oder Kilogramm verschiedene Batterietypen:

4,5V-Flachbatterie

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Aufbau einer 4,5 V-Flachbatterie aus mehreren Galvanischen Elementen

Knopfbatterie

Batterien gibt es in verschiedenen Ausführungen. Oft richtet sich die äußere Form einer Batterie danach, wofür man sie verwenden will. So werden Batterien auch als flache Scheiben gebaut, damit man sie in Armbanduhren oder Hörgeräte einbauen kann. Solche Batterien nennt man Knopfbatterien.

Während die Batterie Strom liefert, wandern die Ionen des einen Materials zum anderen. Die Batterie gibt so lange Strom, bis eines der beiden leitenden Materialien dadurch verbraucht ist. Bei der Zink-Kohle-Batterie handelt es sich dabei um das Zink des Zinkröhrchens.

9V-Blockbatterie Überlege, wie man eine 9VBlockbatterie aus 1,5VBatteriezellen zusammensetzen kann!

Elektrizität Der Akkumulator

Auto-Bleiakku robust: kräftig, widerstandsfähig

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Aufbau eines Bleiakkus

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Im Gegensatz zur Batterie, bei der das Material, aus der sie besteht, dauerhaft verändert wird, kann ein Akkumulator immer wieder aufgeladen werden. Ein Akkumulator, der meist nur Akku genannt wird, ist also ein Speicher für elektrischen Strom. Weit verbreitet sind Akkus in Fahrzeugen. Diese Akkus sind aus jeweils 6 Zellen aufgebaut und liefern eine Spannung von 12 V. Jede Zelle besteht aus einem festen Pluspol Minuspol Kunststoﬀbehälter, in dem sich mehrere Bleiplatten und ein Zelle Elektrolyt befinden. Wenn der Akku Strom abgibt, erfolgt genauso wie bei der Batterie eine Umwandlung. Bleiplatten Diese Umwandlung wird jedoch rückgängig gemacht, sobald elektrischer Strom in entgegenElektrolyt gesetzter Richtung in den Akku (zwischen den geleitet wird. Der Akku kann also Bleiplatten) immer wieder neu aufgeladen werden.

Akku-Bohrschrauber

Bleiakkus sind sehr robust und können sehr oft wieder geladen werden. Heute sind Akkus in vielen Geräten enthalten. Man findet sie in Notebooks, Handys, Werkzeugen und elektronischen Spielekonsolen, für die aber Bleiakkus viel zu schwer wären. Deshalb verwendet man für diese Akkumulatoren andere Materialien wie Lithium, Cadmium oder Nickel. Aufladbare Batterien sind ebenfalls Akkus.

Elektrolyse

Der Begriﬀ „Elektrolyse“ enthält das Wort „lyse“. Dieses bedeutet auf Griechisch Aufspaltung oder Trennung. Bei der Elektrolyse wird also ein Stoﬀ mit Hilfe des elektrischen Stroms in seine Bestandteile zerlegt.

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Ladegerät für aufladbare Batterien

Kupferchlorid ist ein Salz, das aus Kupfer- und Chlorionen besteht. Wird es im Wasser aufgelöst, erhält man einen Elektrolyt. Fließt elektrischer Strom durch diese Lösung, dann wandern die Chlorionen zur Anode und geben Elektronen ab. Das gasförmige Chlor steigt als Gasbläschen an die Oberfläche.

Es gibt elektrische Leiter und Nichtleiter, die Isolatoren. Flüssigkeiten, die elektrisch leitend sind, heißen Elektrolyte. Batterien und Akkus sind Stromquellen. Mit elektrischem Strom können durch Elektrolyse Stoﬀe aufgespalten oder Oberflächen mit Metallen überzogen werden.

Elektronen

kathode

Elektronen

Cl Anode

Die Kupferionen wandern zur Kathode und nehmen dort Elektronen auf. Dadurch wird aus den positiv geladenen Kupferionen wieder ungeladenes Kupfermetall. Dieses lagert sich auf der Oberfläche der Kathode ab und bildet mit der Zeit einen glänzenden Überzug. So wird das Kupferchlorid in seine Bestandteile getrennt.

Die Elektrolyse kann aber auch dazu verwendet werden, um einen Gegenstand mit einer Metallschicht zu überziehen. Der Gegenstand ist dann die Kathode, auf der sich das Metall abscheidet. So kann man das Eisenblech von Konservendosen als Rostschutz mit einer Zinn-Schicht überziehen oder Schmuckstücke versilbern oder vergolden. Dieses Verfahren nennt man Galvanisieren.

Elektrizität 29

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

1) Leiter und Nichtleiter – Von den 10 Gegenständen, die du hier siehst, leiten 5 den elektrischen Strom. Die anderen 5 sind Nichtleiter oder Isolatoren. Male die Buchstaben der Leiter an und bringe sie in die richtige Reihenfolge! So erhältst du ein Lösungswort. %%%

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Kaﬀeetasse

Gold

quecksilber

Meerwasser

Bleistiftmine

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Glasflasche

Buch

A R

Gummihandschuhe

T-Shirt

LÖSUNGSWORT:

Zitronensaft

2) Baue eine Batterie! – Hier siehst du mehrere Galvanische Elemente, die jeweils eine Spannung von 1,5 V liefern. Baue daraus eine 4,5 V Flachbatterie sowie eine 9 V Blockbatterie, indem du die Plus- und Minuspole benachbarter Batteriezellen mit Strichen „leitend“ verbindest! Verbinde auch mit den Anschlusskontakten! %%%%

–

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–

+ –

+ +

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30 Elektrizität

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

Pluspol

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Elektrolyt

Minuspol

Woraus könnte man noch eine Batterie herstellen? Kreuze an!

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Wenn du gerade keine Batterie hast, kannst du auch mit Zitronen elektrischen Strom erzeugen. Du musst dazu einen Nagel oder Draht aus Kupfer und einen aus Zink in eine Zitrone stecken. Wenn du die Nägel mit einem Leiter verbindest, fließt Strom. Der Saft der Zitrone ist dabei der Elektrolyt. Der Zinknagel ist der Minuspol, von dem sich die Elektronen zum Pluspol, dem Kupfernagel, bewegen. Eine einzelne Zitrone liefert aber zu wenig Strom, um ein Lämpchen zum Leuchten zu bringen.

3) Die Zitronenbatterie – Lies zuerst den Text über die Zitronenbatterie! Dann beschrifte mit Pfeilen die Zink-Kohle-Batterie und die Zitronenbatterie! %%%

1,5 V in allen Größen und 9 V

ab € 3,99 in der Großpackung

Spannung: 12 V für viele Automodelle geeignet

ab € 79,70 nur diese Woche

für alle AA und AAA aufladbaren Batterien

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Oly

4) Ausverkauf im Elektrohandel – Ein Fachhändler für Elektrogeräte hat einen Prospekt drucken lassen. Leider hat er vergessen, die Namen der Geräte mit auf den Prospekt zu drucken. Hilf ihm und setze die richtigen Namen ein! %%%

Elektrizität

6. DER STROMKREIS Skizze: vereinfachte Zeichnung

Stromquellen, Stromleitungen und Geräte, die elektrischen Strom benötigen, kann man miteinander verbinden. Dadurch entsteht ein Stromkreis, in dem der Strom fließt. Damit z. B. ein Elektriker weiß, wie die einzelnen Teile miteinander verbunden werden müssen, werden solche Stromkreise häufig als Zeichnung dargestellt. So eine Zeichnung wird als Schaltskizze bezeichnet. Um so eine Schaltskizze einfacher und verständlicher ausführen zu können, hat man besondere Symbole entwickelt, die die einzelnen Bestandteile eines Stromkreises darstellen.

Klemme: Klammer, die zum Festhalten von Gegenständen dient

Leiter

Leiterverbindung

Kroko-Klemmen und Krokodil

mp eV

Um ein Glühlämpchen zum Leuchten zu bringen, musst du es mit einer Stromquelle verbinden. Dazu verwendet man Kabel, die man einerseits mit den Polen einer Batterie und andererseits mit den Anschlüssen des Lämpchens in Kontakt bringt. Um den Kontakt herzustellen, kann man entweder Stecker, oder so genannte Krokodil-Klemmen (KrokoKlemmen) verwenden.

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Wie bringt man ein Lämpchen zum Leuchten?

Schalter

So einen einfachen Stromkreis, der lediglich aus einem Glühlämpchen in einer Fassung, einer Stromquelle und Kabeln besteht, nennt man geschlossenen Stromkreis. Batterie

Glühlämpchen Symbole in elektrischen Schaltkreisen

Schaltskizze und Foto eines geschlossenen Stromkreises

Oly

Mit dieser Anordnung von Batterie und Lämpchen leuchtet zwar das Glühlämpchen, allerdings würde es dauernd leuchten. Um das Lämpchen einund ausschalten zu können, ist ein Schalter notwendig. Ist der Schalter oﬀen, also der Stromkreis unterbrochen, spricht man von einem oﬀenen Stromkreis. Der Schalter wirkt dabei als Unterbrecher.

Schaltskizze und Foto eines oﬀenen Stromkreises

Stecker Unterbrecher: Vorrichtung zum Ein- und Ausschalten von Strom

Versuch Führt das Experiment „Einfacher elektrischer Schaltkreis“ auf S. 159 durch!

Elektrizität

Was geschieht, wenn man in einer Serienschaltung ein Lämpchen herausdreht? Was ist die Ursache dafür? Was geschieht in einer Parallelschaltung, wenn man ein Lämpchen entfernt?

Wie bringt man mehrere Lämpchen zum Leuchten? Wenn man mehrere Glühlämpchen gleichzeitig zum Leuchten bringen möchte, kann man die Lämpchen hintereinander oder nebeneinander in den Stromkreis einbauen. ƒ Sind sie hintereinander eingebaut, so spricht man von einer „Reihenschaltung“ oder „Serienschaltung“. ƒ Sind sie aber nebeneinander eingebaut, dann handelt es sich um eine „Parallelschaltung“.

Die Serienschaltung

ACHtuNg, Kurzschluss!

mp eV

Führt die Experimente „Die Serienschaltung“, „Die Parallelschaltung“ und „Der Kurzschluss“ auf S. 159 und 160 durch!

Bei der Serienschaltung sind zwei oder mehrere Glühlämpchen hintereinander angeordnet. Das bedeutet, dass der Ausgangskontakt eines Lämpchens mit dem Eingangskontakt des nächsten verbunden wird.

erl

Versuch

Werden die beiden Pole einer Batterie direkt miteinander verbunden, ohne dass sich ein Lämpchen dazwischen befindet, dann spricht man von einem Kurzschluss. Die Batterie liefert dann so lange so viel elektrischen Strom wie möglich, bis sie entweder leer ist oder sich überhitzt. Dann kann sie aufplatzen und der Elektrolyt läuft aus.

Je mehr Glühlämpchen hintereinander angeordnet werden, desto schwächer leuchtet jedes einzelne.

Die Parallelschaltung

Bei der Parallelschaltung ist jedes Lämpchen direkt mit der Stromquelle verbunden. Unabhängig davon, wie viele Lämpchen parallel angeordnet sind, leuchten alle gleich hell.

Oly

Für eine Schaltskizze werden Symbole verwendet. In einem geschlossenen Stromkreis fließt elektrischer Strom und ein Lämpchen leuchtet. Unterbricht man den Stromkreis mit einem Schalter, entsteht ein oﬀener Stromkreis. Mehrere Lämpchen können entweder hintereinander in einer Serienschaltung oder nebeneinander in einer Parallelschaltung angeordnet werden.

Schaltskizze und Foto einer Serienschaltung

Schaltskizze und Foto einer Parallelschaltung

Im Stromkreis eines Hauses oder einer Wohnung sind alle Steckdosen und damit auch alle Geräte, die man anschließen kann, parallel geschaltet. Dadurch erhält jedes Gerät die Strommenge, die es für den Betrieb benötigt.

Serienschaltungen sind jedoch kaum üblich. Bei einer Serienschaltung der Steckdosen in einem Haushalt würde nur dann Strom fließen, wenn an jeder Steckdose ein Gerät angeschlossen ist und alle Geräte gleichzeitig eingeschaltet sind.

Elektrizität 33

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

1) Leseschritte – An welche Stelle passt dieser Satz? Male den richtigen Buchstaben aus! %%

Mit Hilfe eines Schalters, mit dem man den Stromkreis unterbrechen kann, wird aus dem geschlossenen ein oﬀener Stromkreis.

mp eV

erl

A Wenn man die beiden Pole einer Stromquelle miteinander verbindet, entsteht ein Stromkreis. B Der einfachste Stromkreis ist der geschlossene Stromkreis. C Ein Kabel führt von einem Pol der Stromquelle zu einem Stromverbraucher, z. B. zu einem Glühlämpchen. D Ein weiteres Kabel führt vom Lämpchen zum anderen Pol der Stromquelle. E Das Glühlämpchen beginnt zu leuchten. F Das Lämpchen leuchtet nur dann, wenn der Schalter geschlossen ist. G Es gibt zwei Möglichkeiten, mehrere Lämpchen in einem Stromkreis anzuordnen. H Werden sie so angeordnet, dass der Ausgang eines Glühlämpchens der Eingang des nächsten ist, spricht man von einer Serienschaltung. I Wenn die Pole jedes Lämpchens direkt mit der Stromquelle verbunden sind, spricht man von einer Parallelschaltung. J

Oly

2) Elektrogitterbastelrätsel – Füge die Begriﬀe aus dem Kästchen so in das Kreuzworträtsel ein, dass jedes Wort an seinem Platz steht! %% Tipp: Die Zahlen in Klammer hinter den Wörtern geben an, wie viele Buchstaben das Wort hat. Bandgenerator (13) Ladungsträger (13) Elektrizität (12) Glühlämpchen (12) Akkumulator (11) Elektroskop (11) Stromquelle (11) Stromkreis (10) Batterie (8) Turbine (7)

34 Elektrizität

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

3) Schaltskizzen – Bei diesen beiden Schaltskizzen fehlen die Verbindungen. Zeichne die Kabelverbindungen so ein, dass einmal eine Serienschaltung und einmal eine Parallelschaltung entsteht! %%%% Parallelschaltung

mp eV

erl

Serienschaltung

Oly

4) Fehlersuchbild – Im rechten Bild gibt es 10 Fehler. Suche sie und ringle sie ein! %%

5) Kurzschluss – Kreuze richtig an! %%%

… eine Batterie hinunterfällt. … die beiden Pole einer Batterie miteinander verbunden werden. … das Glühlämpchen durchbrennt.

Ein Kurzschluss tritt ein, wenn …

Elektrizität

7. KENNZEICHEN DES ELEKTRISCHEN STROMS

erl

Bei einem Bandgenerator werden durch Reibung Elektronen von der Oberfläche einer hohlen Metallkugel auf einen Stab übertragen. Dadurch wird die Kugel positiv und der Stab negativ aufgeladen. Nähert man anschließend den Stab an die Kugel an, kommt es zu einem Überschlag, bei dem die Elektronen zurück auf die Kugel wandern. Auf die Elektronen im Stab wirkt eine Kraft, die diesen Überschlag verursacht. Je länger man den Generator betreibt, desto mehr Elektronen werden angesammelt und desto größer ist die Entfernung, die der Blitz beim Überschlag zurücklegen kann. Die Kraft, die zwischen Hohlkugel und Stab wirkt, ist also umso größer, je mehr Elektronen angesammelt werden.

Wie kannst du dir die elektrische Spannung vorstellen? Stell dir ein mit Wasser gefülltes Gefäß vor, das unten einen Anschluss mit einem Schlauch hat! Je größer der Höhenunterschied zwischen dem Gefäß und dem unteren Ende des Schlauches ist, desto größer ist der Druck, mit dem das Wasser unten ausfließt.

Die elektrische Spannung

Überschlag

mp eV

Diese Kraft wird als elektrische Spannung bezeichnet. Sie ist umso größer, je größer der Ladungsunterschied zwischen zwei Orten ist. Das Symbol für die elektrische Spannung ist „U“. Sie wird in Volt angegeben und mit „V“ abgekürzt. Gemessen wird die Spannung mit dem Voltmeter. Um die Spannung zu messen, die in einem Stromkreis zwischen zwei Punkten herrscht, muss das Voltmeter parallel geschaltet werden. Wenn du als Stromquelle eine Taschenlampenbatterie nimmst, zeigt das Voltmeter eine Spannung von 1,5 V an.

1,5 V

Dieser Druck entspricht der elektrischen Spannung.

U: Das Symbol für die elektrische Spannung leitet sich vom lateinischen Wort „urgere“ ab, das drängen, treiben oder drücken bedeutet.

Wie du im vorherigen Kapitel gehört hast, leuchten 2 Lämpchen schwächer, wenn sie in einem Stromkreis hintereinander – also in Serie – liegen. Warum ist das so?

0,75 V

Oly

0,75 V

Wenn du die Spannungen zwischen den Punkten vor und nach den einzelnen Lämpchen misst, siehst du, dass für jedes Lämpchen nur die halbe Spannung zur Verfügung steht.

Die elektrische Spannung wird mit U gekennzeichnet und wird mit dem Voltmeter in Volt (V) gemessen. Ein Voltmeter wird immer parallel geschaltet.

Unterschiedliche Stromquellen haben unterschiedliche Spannungen. Ein Gerät, das in einem Stromkreis betrieben wird, muss zur Spannung im Stromkreis passen. Bei uns beträgt die Spannung in einer Steckdose 230 V. In anderen Ländern, z. B. den USA, beträgt diese Spannung jedoch nur 110 V. Sei also vorsichtig, wenn du bei uns Geräte anschließt, die du im Ausland gekauft hast!

Voltmeter mit Schaltsymbol Einige Spannungswerte: Taschenlampenbatterie: 1,5 V Autobatterie: 12 oder 24 V Steckdose: 230 V Oberleitung der Bahn: 15 000 V Überlandleitungen: bis zu 380 000 V Blitzentladung: mehr als 100 Mio. V

Oberleitung: Stromversorgung für Eisenbahnen; Draht, der oberhalb der Schienen verläuft

Elektrizität Die elektrische Stromstärke

Wenn durch einen elektrischen Leiter Strom fließt, dann bewegen sich darin Elektronen. Je mehr Elektronen sich in dieselbe Richtung bewegen, desto größer ist die elektrische Ladung, die in einer bestimmten Zeit transportiert wird. Die Ladung, die pro Zeiteinheit bewegt wird, nennt man die elektrische Stromstärke. Die elektrische Stromstärke wird mit „I“ abgekürzt, wobei das I für „Intensität“ steht. Fließt in 1 Sekunde eine elektrische Ladung von 1 Coulomb, dann beträgt die Stromstärke 1 Ampere. Das Ampere wird mit „A“ abgekürzt. Die Stromstärke wird mit dem Amperemeter gemessen. Das Amperemeter misst die gesamte elektrische Ladungsmenge, die pro Zeiteinheit durch einen elektrischen Leiter fließt. Daher muss das Amperemeter in einem Stromkreis in Serie geschaltet werden.

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Wie kannst du dir die elektrische Stromstärke vorstellen? Stell dir ein mit Wasser gefülltes Gefäß vor, das unten zwei Anschlüsse für Schläuche mit unterschiedlichem Durchmesser hat! Die Wassermenge, die durch den dickeren Schlauch fließen kann, ist größer als jene, die durch den dünneren Schlauch fließt.

ACHtuNg

Die elektrische Stromstärke wird mit I gekennzeichnet und wird mit dem Amperemeter in Ampere (A) gemessen. Ein Amperemeter wird immer in Serie geschaltet.

mp eV

Ein Amperemeter darf sich nie alleine in einem Stromkreis befinden. Es muss immer zusätzlich ein Stromverbraucher im Stromkreis vorhanden sein.

0,2 A

0,1 A

Woher kommt der Name Ampere? Die Einheit für die elektrische Stromstärke wurde nach dem französischen Wissenschaftler André-Marie Ampère benannt, der sich zu Beginn des 19. Jh. mit der Elektrizität beschäftigte.

Bei den meisten Elektrogeräten findet sich ein Aufkleber oder Aufdruck, der angibt, bei welcher Spannung sie betrieben werden müssen. Schau bei dir zu Hause nach, was auf den Geräten steht! Jedes Gerät, das man an eine Steckdose anstecken kann, benötigt eine Spannung Aufdruck auf einem Bügeleisen zwischen 220 und 240 V.

Oly

Welche Stromverbraucher kennst du?

Amperemeter mit Schaltsymbol Beobachte bei dir zu Hause den Stromzähler! Was siehst du, wenn besonders viele Geräte eingeschaltet sind? Sicherung: Schutzvorrichtung

0,1 A

Werden in einem Stromkreis zwei Lämpchen in Serie geschaltet, dann durchfließt derselbe Strom beide Lämpchen nacheinander. Werden die beiden Lämpchen aber parallel geschaltet, dann teilt sich der Strom, der von der Stromquelle kommt, auf beide Lämpchen auf.

In einem Haushalt sind sämtliche Steckdosen parallel geschaltet. In jeder Steckdose erhält man daher eine Spannung von etwa 230 V. Aus diesem Grund fließt durch ein Gerät, das man ansteckt, immer die Strommenge, die das Gerät benötigt. Je mehr Geräte gleichzeitig in Betrieb genommen werden, desto mehr Strom fließt durch die Hauptzuleitung. Würde man sehr viele Geräte gleichzeitig einschalten, würde die Stromstärke sehr stark anwachsen. Dadurch werden die Leitungen heiß und können einen Brand auslösen. Deshalb wird der Strom durch Sicherungen in der Hauptzuleitung begrenzt. Diese verhindern, dass die Stromstärke zu stark ansteigen kann.

Elektrizität

Der elektrische Widerstand

Wir kannst du dir den elektrischen Widerstand vorstellen? Wenn Wasser in einem Rohr fließt, das plötzlich enger wird, dann kann durch die Engstelle nur ein geringeres Volumen an Wasser hindurchfließen.

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Die Atome des Metalls, aus denen der elektrische Leiter besteht, bilden ein Gitter, in dem sich die Elektronen frei bewegen können. Wenn in einem Leiter Strom fließt, dann bewegen sich die Elektronen vom negativen zum positiven Pol. Dabei kommt es aber immer wieder zu Zusammenstößen zwischen den Elektronen und den Metallatomen des Gitters. Der Strom kann daher nicht ungehindert fließen, sondern stößt im Leiter auf Widerstand.

Bei den Stößen geben die Elektronen einen Teil ihrer Energie an das Gitter ab, dabei entsteht Wärme. Wie groß der elektrische Widerstand ist, hängt von mehreren Bedingungen ab:

mp eV

ƒ Material des Leiters: Jeder Stoﬀ setzt dem Strom einen anderen Widerstand entgegen. Besonders gute Leiter mit geringem Widerstand sind Metalle wie Silber, Kupfer oder Gold. ƒ querschnitt des Leiters: Je dicker ein Leiter ist, desto geringer ist sein Widerstand. ƒ Länge des Leiters: Je länger ein Leiter ist, desto größer ist sein Widerstand. ƒ Temperatur: Je höher die Temperatur ist, desto größer ist der Widerstand. Die Einheit des elektrischen Widerstandes ist das Ohm und wird mit Ω abgekürzt. Ein Leiter hat einen Widerstand von 1Ω, wenn bei einer Spannung von 1V ein Strom von 1A fließt. Der Widerstand wird mit „R“ abgekürzt. „R“ steht für das englische Wort „resistance“ (Widerstand). Der Widerstand wird mit dem Ohmmeter gemessen. Dieses gibt eine Spannung vor und misst die Stromstärke, die durch einen Leiter fließt. Das Ohmmeter darf daher nicht betrieben werden, wenn der Leiter in einem Stromkreis liegt.

Der elektrische Widerstand wird mit R gekennzeichnet und wird mit dem Ohmmeter in Ohm (Ω) gemessen. Ein Ohmmeter darf nicht in einem Stromkreis betrieben werden.

Oly

Aus Materialien, die einen hohen Widerstand haben, können „Widerstände“ hergestellt werden. Das sind Bauteile, die in einem Stromkreis die Stromstärke oder die Spannung beeinflussen.

Schiebewiderstand

Symbol für einen Widerstand in einem Schaltplan

Ω: dies ist der griechische Buchstabe „Omega“

Ohmmeter mit Schaltsymbol

Aus welchem Material bestehen Widerstandsdrähte? Drähte mit hohem Widerstand werden meist aus dem Material „Konstantan“, einer Legierung aus Nickel und Kupfer, hergestellt. Der Name stammt daher, dass der Widerstand von Konstantan von der Temperatur fast unabhängig, also konstant, ist.

Der Schiebewiderstand besteht aus einem Widerstandsdraht (1), der um einen isolierenden Stab gewickelt ist. Mit dem Schleifkontakt (2) kann die Länge des Widerstandsdrahtes, durch den der Strom fließt, und damit der Widerstand verändert werden.

Widerstände findet man auch in vielen elektrischen Geräten. Meist werden feste Widerstände verwendet. Sie sind mit bunten Ringen markiert, die die Größe des Widerstandes angeben.

Feste Widerstände in einer elektronischen Schaltung

Elektrizität

Wie messe ich richtig?

Das Multimeter Zum Messen von Spannung, Stromstärke und Widerstand wird heute meist ein einziges digitales Messgerät verwendet: das Multimeter.

Überlege, welche Messgröße du messen willst! Dann überlege, wie groß diese Größe sein könnte, und drehe das Einstellrad auf den richtigen Bereich!

Bevor du misst, musst du wissen, welche Messgröße du messen willst. Mit dem Einstellrad kannst du zwischen Widerstand, Stromstärke, Wechselspannung und Gleichspannung wählen. Wir beschäftigen uns vorläufig nur mit Gleichspannung. Außerdem solltest du ungefähr wissen, wie groß die zu messende Größe sein wird. Wenn du dir nicht sicher bist, dann stell das Einstellrad zunächst auf die größte Einheit und drehe es danach langsam auf kleinere Einheiten.

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2. Messen einer Spannung: Überlege zuerst, zwischen welchen beiden Punkten im Stromkreis du die Spannung messen willst! Stecke zwei Kabel in die Messpunkte! Eines steckst du dann in die „COM“-Buchse, das andere in die Anschlussbuchse darüber.

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V (Gleichspannung): Du brauchst diese Einstellungen, wenn du mit einer Stromquelle wie einer Batterie arbeitest.

Messen einer Stromstärke: Bringe das Multimeter direkt in den Stromkreis! Dazu steckst du ein Kabel aus dem Stromkreis zuerst in die „COM“-Buchse. Bei kleiner Stromstärke steckst du das andere Kabel in die Buchse darüber, bei einer großen Stromstärke in die Buchse für „10A“.

Oly

Widerstandsmessung: Der zu messende Widerstand darf nicht mit einer Spannungsquelle verbunden sein.

Die elektrische Spannung (U) wird in Volt (V) gemessen. Die elektrische Stromstärke (I) wird in Ampere (A) angegeben und der elektrische Widerstand (R) in Ohm (Ω). Gemessen werden diese Größen meist mit dem Multimeter.

Ω (Widerstand): Mit diesen Einstellungen misst du den Widerstand.

V (Wechselspannung): Wechselspannung findest du in der Steckdose.

A (kleine Stromstärken)

A (große Stromstärken)

Anschluss für Messkabel: nur für große Stromstärken

Anschluss für Messkabel: für alle anderen Messungen

Anschluss für Messkabel/COM-Buchse: Dieser Anschluss wird immer gebraucht.

Die Einheiten an einem Multimeter sind oft mit Abkürzungen angegeben: m: „milli“ kennzeichnet ein Tausendstel. µ: „mikro“ kennzeichnet ein Millionstel. k: „kilo“ kennzeichnet das Tausendfache.

Elektrizität 39

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

1) Arten von Widerständen – Prof. Zweistein schreibt für eure Schülerzeitung einen Artikel über verschiedene Arten von Widerständen. Lies diesen Artikel und drehe dann dein Buch um! Beantworte nun die Fragen! %%

Es gibt zahlreiche unterschiedliche Arten von Widerständen. Ein Drehwiderstand oder Potenziometer ist ähnlich aufgebaut wie ein Schiebewiderstand. Allerdings ist der Widerstandsdraht kreisförmig angeordnet. Durch Verdrehen des Schleifkontakts kann der Widerstand verändert werden. Drehwiderstände werden z. B. als Lautstärkeregler in Radios eingesetzt. Bei anderen Widerständen nutzt man die Temperaturabhängigkeit des Widerstandes. Diese Thermistoren können eingesetzt werden, um die Temperatur zu messen und Heizungen einund auszuschalten. Ein Fotowiderstand ändert seinen Widerstand, wenn Licht darauffällt. Er kann verwendet werden, um die Beleuchtung automatisch einund auszuschalten. Bei einem Dehnmessstreifen verändert sich der Widerstand mit der Verformung. Solche Widerstände können z. B. in Waagen eingesetzt werden.  von der Lichtmenge

mp eV

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Potenziometer

 vom Druck

 von der Temperatur

 Fotowiderstand

 Dehnmessstreifen

 Schiebewiderstand

 Drehwiderstand

d) Wovon ist ein Fotowiderstand abhängig?  Thermistor

c) Welchen Widerstand setzt man in Waagen ein?  Festwiderstand

b) Was ist ein Potenziometer?  Thermophor

 Transistor

 Thermistor

a) Wie nennt man einen temperaturabhängigen Widerstand?

2) Elektrische Messgrößen – Was gehört zusammen? Vervollständige die Tabelle, indem du die Begriﬀe aus dem Kästchen richtig einsetzt! %%%

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Voltmeter © Ω © Spannung © I © ohne Strom © A © Widerstand © U © Ohm © in Serie © Amperemeter © parallel © R © Ampere © V

Größe

Symbol

Einheit

Abkürzung

Messgerät

Volt

Stromstärke

Ohmmeter

Schaltung

40 Elektrizität

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

3) Messen im Stromkreis – Diese Schaltpläne sind unvollständig. Zeichne ein, welche Messgeräte eingesetzt werden müssen, wie man die Messgeräte anschließt, und gib an, welche Werte man misst! %%%%

mp eV

erl

0,2 A

4) Festwiderstände – Durch farbige Ringe wird an Festwiderständen angegeben, wie groß der Widerstand ist. Sieh dir die Tabelle an und finde heraus, wie groß die abgebildeten Festwiderstände sind! %%%

Farbe

keine

6 mal 100,

Toleranz ± 5 %

4. Ring

–

± 20 %

–

0,01

± 10 %

Oly

silber

1. Ring 1. Ring 3. Ring (1. Ziﬀer) (2. Ziﬀer) (Multiplikator)

Toleranz Beispiel: 5

gold

–

0,1

±5%

schwarz

–

braun

±1%

rot

100

±2%

orange

1 000

–

gelb

10 000

–

grün

100 000

± 0,5 %

blau

1 000 000

± 0,25 %

violett

10 000 000

± 0,1 %

grau

100 000 000

± 0,05 %

weiß

1 000 000 000

–

R = 5 600 Ω ± 5 %

R = ___________ Ω ± ___ %

Widerstandswert in Ω

Elektrizität

8. DAS OHMSCHE GESETZ Wer war Georg Simon Ohm? Ohm lebte in der 1. Hälfte des 19. Jh. Als Lehrer für Physik und Mathematik untersuchte er, wie sich Galvanische Elemente mit Hilfe der Mathematik beschreiben lassen. 1826 entdeckte er das nach ihm benannte Gesetz.

In einem Stromkreis wirkt ein Widerstand wie ein Hindernis. Er bewirkt, dass die Strommenge, die durch einen Leiter fließt, verringert wird. Das bedeutet, dass die Stromstärke sinkt. Aber um wie viel sinkt die Stromstärke? Wie genau wird die Stromstärke vom Widerstand beeinflusst?

U=R•I

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Der Zusammenhang zwischen Spannung, Stromstärke und Widerstand wurde zum ersten Mal vom deutschen Physiker Georg Simon Ohm erkannt. Er stellte fest, dass bei einer bestimmten Spannung die Stromstärke umso geringer wird, je höher der Widerstand ist. Ohm stellte jene Formel auf, die heute als Ohmsches Gesetz bekannt ist:

Spannung ist Widerstand mal Stromstärke.

mp eV

Mit Hilfe des Ohmschen Gesetzes kann berechnet werden, wie hoch der Widerstand eines Verbrauchers in einem Stromkreis ist. Dies geht folgendermaßen: Beim Einschalten des Stroms fließt durch ein Elektrogerät ein Strom von 0,5 A. Die Netzspannung beträgt 230 V. Wie hoch ist der Widerstand des Elektrogerätes? U I U 230 230 : 0,5 R R

= = = = = = =

230 V 0,5 A R•I R • 0,5 | : 0,5 R 230 : 0,5 460 Ω

Das Ohmsche Dreieck

0,5 A

230 V

r = 460 Ω

Der Widerstand des Elektrogerätes beträgt also 460 Ω.

Oly

Aus dem Ohmschen Gesetz kann man ableiten, dass sich bei einer Halbierung des Widerstandes die Stromstärke verdoppelt. Wird der Widerstand noch weiter reduziert, nimmt die Stromstärke weiter zu. Entfernt man den Widerstand völlig aus dem Stromkreise (R = 0 Ω), würde die Stromstärke sehr groß werden. In diesem Fall spricht man von einem Kurzschluss. Bei einem Kurzschluss sind die beiden Pole einer Stromquelle direkt miteinander verbunden, ohne dass sich ein Verbraucher im Stromkreis befindet. In diesem Fall ist nur noch der Widerstand der Leitung selbst vorhanden. Dieser beträgt aber nur wenige Ω.

Wenn sehr viel Strom durch eine elektrische Leitung fließt, bewirkt der Widerstand in der Leitung, dass diese sehr heiß wird. Um zu verhindern, dass ein Kurzschluss zu einer Beschädigung von Leitungen führt, muss in jedem Stromkreis eine Sicherung eingebaut sein, die ab einer bestimmten Stromstärke den Strom abschaltet. Wenn du in einer Schaltung eine Batterie verwendest, kann der Strom nicht allzu hoch ansteigen. Allerdings liefert die Batterie für kurze Zeit so viel Strom, dass sie ebenfalls heiß wird. Dadurch kann sie explodieren.

Das Ohmsche Dreieck hilft dir, das Ohmsche Gesetz umzuformen, um jede der drei Größen zu berechnen. Es zeigt dir auch, wo dabei der Bruchstrich steht:

U=R•I R=

U I

U R

reduzieren: verringern

Elektrizität Widerstände im Stromkreis

0,15 A

30 Ω

4,5 V 9V

60 Ω

Schneidet man den Draht in der Mitte durch, erhält man 2 Stücke, die jeweils einen Widerstand von 30 Ω haben. Bei einer Serienschaltung, bei der sich die beiden Stücke hintereinander im Stromkreis befinden, ändert sich nichts an der Stromstärke. Allerdings misst man zwischen den beiden Enden eines jeden Stückes nur die halbe Spannung.

30 Ω

4,5 V

Aus dem Ohmschen Gesetz kann man diese halbe Spannung ebenfalls berechnen. Aus U = R • I ergibt sich bei halbem R eine Spannung von 30 • 0,15 = 4,5. An jedem der beiden Widerstände verringert sich die Spannung um die Hälfte. Man spricht daher von einem Spannungsabfall von 4,5 V an jedem Widerstand.

mp eV

Überlege selbst! Wie groß ist der Spannungsabfall an jedem Drahtstück, wenn du nur 25 cm abschneidest?

Führt die Experimente „Material und Widerstand“, „Querschnitt und Widerstand“, „Drahtlänge und Widerstand“, „Widerstand und Temperatur“, „Gedämpftes Licht“ und „Stromstärke und Spannung“ auf S. 161 bis 163 durch!

0,15 A

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Versuch

Ein Widerstandsdraht aus Konstantan mit einer Länge von 1 m hat einen elektrischen Widerstand von 60 Ω. In einem Stromkreis mit einer Stromquelle von 9 V ergibt sich aus dem Ohmschen Gesetz, dass ein Strom von 0,15 A fließt.

Widerstandsdraht

Das funktioniert auch, wenn man den Draht nicht genau in der Mitte teilt. Schneidet man ein Stück von 33 cm ab, dann teilt sich der Widerstand im Verhältnis 1 : 2 auf, ein Stück hat also 20 Ω, das andere 40 Ω. Der Spannungsabfall am ersten Stück ist 3 V, am anderen 6 V.

Doppelter Querschnitt bedeutet halber Widerstand.

Schaltet man Widerstände in Serie, dann ist der Gesamtwiderstand die Summe der Einzelwiderstände: Rges = R1 + R2

Werden 2 Widerstände parallel geschaltet, sieht die Sache anders aus. Stell dir vor, du legst die beiden Hälften des Widerstandsdrahts aneinander. Dann erhältst du einen Leiter, der den doppelten querschnitt hat. Der Widerstand dieses Leiters ist daher nur halb so groß wie der Widerstand jedes einzelnen Drahtstücks und beträgt 15 Ω. Aus dem Ohmschen Gesetz ergibt sich die 4-fache Stromstärke: 0,6 A.

0,6 A

0,3 A 0,3 A

9V 30 Ω

Oly 9V

30 Ω

Wie berechnet man den Gesamtwiderstand bei parallelen Widerständen? Den Gesamtwiderstand errechnet man aus dem Ohmschen Gesetz über die Stromstärke: Iges = I1 + I2 = 0,6 A Rges = Uges/Iges Rges = 9/0,6 = 15 Ω

Daran ändert sich auch nichts, wenn man die beiden Hälften voneinander trennt und so eine Parallelschaltung der beiden Widerstandsdrähte erreicht.

An jedem der Widerstände misst man denselben Spannungsabfall, der der Spannung im ganzen Stromkreis entspricht: 9 V. Die Stromstärke in jedem Widerstand ergibt sich aus dem Ohmschen Gesetz zu 0,3 A. Die gesamte Stromstärke ist die Summe der beiden Einzelstromstärken: 0,3 A + 0,3 A = 0,6 A.

Bei parallel geschalteten Widerständen ist der Gesamtwiderstand geringer als jeder einzelne Widerstand. Die gesamte Stromstärke ist die Summe der Einzelstromstärken.

Elektrizität

Die elektrische Leistung Wie hängen elektrische und mechanische Leistung zusammen? Leistung gibt immer an, wie viel Energie pro Zeit eingesetzt wird. Beim Hochheben einer Last ist die mechanische Leistung umso größer, je rascher sie gehoben wird. Die elektrische Leistung ist umso größer, je mehr Elektronen pro Zeit Energie übertragen. Die Einheit der Leistung ist aber in beiden Fällen dieselbe – das Watt.

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Im Physikunterricht erhalten die Schüler/innen der 3. Klasse den Auftrag, eine Schaltung aufzubauen, die aus einer Spannungsquelle von 10 V und einem Glühlämpchen besteht. Isabella und Lukas machen sich sofort an die Arbeit. Nachdem sie ihre Schaltungen fertig haben, stellt Lukas fest, dass Isabellas Lämpchen heller leuchtet als sein eigenes. Er fragt Isabella, warum dies so ist. „Ich habe ein Lämpchen mit 2 Watt verwendet, deines hat nur 1 Watt. Daher ist meines heller“, antwortet Isabella. Um Lukas zu zeigen, worin der Unterschied zwischen den beiden Schaltungen besteht, holt sie ein Amperemeter und schließt es an ihren Stromkreis an. Das Messgerät zeigt eine Stromstärke von 0,2 A. Dann misst sie den Strom in Lukas’ Schaltung und erhält einen Wert von 0,1 A. Was ist der Unterschied zwischen den beiden Lämpchen?

mp eV

Lukas will jetzt genau wissen, was in den Lämpchen geschieht, und fragt seine Physiklehrerin. Diese erklärt: „Wenn der Strom durch den Draht im Lämpchen fließt, stoßen die Elektronen im Draht mit den Atomen des Metallgitters zusammen. Dabei übertragen sie Energie auf den Draht und dieser wird so heiß, dass er zu glühen beginnt. Der Strom in Isabellas Lämpchen ist doppelt so groß. Das heißt, dass pro Sekunde doppelt so viele Elektronen durch das Lämpchen fließen. Diese stoßen daher auch doppelt so oft mit den Atomen zusammen und übertragen doppelt so viel Energie. Damit aber doppelt so viele Elektronen fließen können, muss der Widerstand in Isabellas Lämpchen halb so groß sein wie in Lukas’ Lämpchen.“ Lukas und Isabella holen ein Ohmmeter und messen die Widerstände ihrer Lämpchen. Tatsächlich, der Widerstand in Isabellas Lämpchen beträgt 50 Ω, der in Lukas’ Lämpchen aber 100 Ω.

Oly

„Das Watt ist die Einheit für die Leistung“, erklärt die Lehrerin weiter. „Diese wird mit „P“ abgekürzt, das steht für das englische Wort „power“. Je höher die Watt-Anzahl ist, desto mehr Elektronen fließen pro Sekunde hindurch und desto mehr Energie wird übertragen. In einem Stromkreis erhält man die Leistung, indem man die Spannung und die Stromstärke miteinander multipliziert.“

P=U•I

Sieh zu Hause auf einigen Elektrogeräten nach, wie groß ihre Leistung ist! Vergleiche die Leistungen einiger Geräte mit denen deiner Mitschüler!

Leistung kostet Geld! Je größer die Leistung eines Elektrogerätes ist, desto mehr elektrische Energie wird in eine andere Energieform umgewandelt. Das bedeutet aber auch, dass der elektrische Strom für den Betrieb teurer kommt. Achte daher immer darauf, ob du das Gerät wirklich brauchst, bevor du es einschaltest!

Auf jedem Elektrogerät ist angegeben, wie hoch die elektrische Leistung ist.

Leistung ist Spannung mal Stromstärke

Jedes Elektrogerät benötigt eine bestimmte elektrische Leistung, die es in eine andere Form von Leistung umwandelt. So hat ein Elektromotor umso mehr Kraft, je höher seine elektrische Leistung ist. Bei einem Glühlämpchen bestimmt die Leistung die Helligkeit.

Welche Formen von Energie kennst du? Überlege, in welche Energieformen bei dir zu Hause elektrische Energie umgewandelt wird!

Elektrizität Elektrische Arbeit – Energie Elisabeths Eltern haben gerade die Stromabrechnung erhalten.

ACHtuNg VERWECHSLuNgSgEFAHR Die Arbeit und die Einheit für die Leistung, das Watt, haben dieselbe Abkürzung – W.

Ihre Mutter ist entsetzt, wie viel Strom die Familie in den letzten Monaten verbraucht hat. Gemeinsam setzen sie sich an den Tisch und überlegen, wie sie Strom sparen können, damit die Rechnung beim nächsten Mal nicht so hoch ausfällt.

W t

Ihr Vater erklärt: „Das ist die Abkürzung für „Kilowattstunde“. Wenn man ein Gerät, das eine elektrische Leistung von einem Kilowatt – also von tausend Watt – benötigt, eine Stunde lang betreibt, dann verbraucht man eine kWh an elektrischer Energie. Auf der Stromrechnung siehst du, wie viele kWh an Energie wir verbraucht haben. Die müssen wir dann auch bezahlen.“

mp eV

Man errechnet die Leistung, indem man die Arbeit durch die Zeit, in der sie verrichtet wird, dividiert:

Während ihre Eltern darüber diskutieren, sieht sich Elisabeth die Rechnung etwas genauer an. Beim Stromverbrauch findet sie die Angabe „kWh“. Sie fragt ihren Vater, was das genau ist.

erl

diskutieren: Meinungen austauschen

eﬀektiv: wirkungsvoll

Welche Elektrogeräte gibt es bei dir zu Hause? Finde heraus, wie hoch ihre Leistung ist und berechne ihren Stromverbrauch pro Stunde!

W=P•t

Arbeit ist Leistung mal Zeit

Eine kleinere Einheit für die Arbeit ist die Wattsekunde. Diese wird mit Ws abgekürzt. Sie fällt dann an, wenn eine Sekunde lang eine elektrische Leistung von 1 W verbraucht wird. Du kennst sicherlich noch die Einheit „1 Joule“ für die Arbeit, die erforderlich ist, um eine Kraft von 1 N auf einer Strecke von 1 m auszuüben. 1 Ws entspricht genau 1 J.

1 J = 1 Ws

1 Joule ist 1 Wattsekunde

In der Zwischenzeit haben sich Elisabeths Eltern darauf geeinigt, wie sie in Zukunft die Stromkosten senken wollen. Vor allem Geräte, die viel elektrische Energie verbrauchen, wollen sie eﬀektiver benutzen. Besonders viel Energie benötigen Geräte, die elektrische Energie in Wärmeenergie umwandeln. Daher beschließt die Familie, den Geschirrspüler und die Waschmaschine, die beide mit elektrischer Energie Wasser erhitzen, nur dann einzuschalten, wenn sie wirklich voll sind.

Oly

Das Ohmsche Gesetz gibt den Zusammenhang zwischen Spannung, Stromstärke und Widerstand in einem Stromkreis an: U = R • I. Die elektrische Leistung wird in Watt gemessen. Die elektrische Arbeit, die elektrische Energie, misst man in Ws oder in kWh.

Die elektrische Energie ist eine Form von Arbeit. In einem Elektrogerät leistet der elektrische Strom Arbeit. Sie wird mit „W“ für das englische Wort „work“ abgekürzt.

Um besser auf den Stromverbrauch achten zu können, stellen sie eine Liste mit Geräten und deren Energieverbrauch auf: Gerät

Verbrauch pro Stunde

Beleuchtung (100W-Glühbirne)

0,1 kWh

Fernsehgerät (Flatscreen)

0,15 kWh

Computer

0,3 kWh

Haartrockner

2 kWh

Bügeleisen

2,2 kWh

Elektroherd

4 kWh

Elektrizität 45

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

1) Das Ohmsche Gesetz – Betrachte diese Zeichnung! Dann beschreibe das Ohmsche Gesetz mit eigenen Worten! %%%%

mp eV

erl

Das Ohmsche Gesetz

2) Rechnungen mit Widerstand – Lies die Angaben genau durch, um die Fragen beantworten zu können! Führe die notwendigen Rechnungen in deinem Heft durch! %%%%

In einem Stromkreis mit einer Spannung von 12 V sind zwei Widerstände mit 25 Ω und mit 75 Ω in Serie geschaltet. Wie groß ist der Gesamtwiderstand im Stromkreis? _______ Ω Wie hoch ist die Stromstärke im Stromkreis?

_______ A

Wie groß ist der Spannungsabfall am 25 Ω-Widerstand?

_______ V

Wie groß ist der Spannungsabfall am 75 Ω-Widerstand?

_______ V

Oly

In einem Stromkreis mit einer Spannung von 9 V sind zwei Widerstände mit 30 Ω und mit 45 Ω parallel geschaltet. Wie groß ist der Spannungsabfall an jedem Widerstand?

_______ V

Wie hoch ist die Stromstärke im 30 Ω-Widerstand?

_______ A

Wie hoch ist die Stromstärke im 45 Ω-Widerstand?

_______ A

Wie hoch ist die Gesamtstromstärke im Stromkreis?

_______ A

Wie hoch ist der Gesamtwiderstand im Stromkreis?

_______ Ω

46 Elektrizität

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

unter Strom stehen

Die Spannung erreicht ihren Höhepunkt.

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mit dem Strom schwimmen

3) Spannende Redewendungen – Betrachte den Schaltplan und entscheide, welche Redewendung dazu passt! Kreuze die Redewendung an und begründe deine Entscheidung!%%%%

Widerstand ist zwecklos!

mp eV

Begründung:

auf Widerstand stoßen

4) Stromkosten – Im Haushalt von Familie Berger gibt es zahlreiche Elektrogeräte. Berechne in deinem Heft, wie hoch die Stromkosten für jedes der Geräte im Jahr sind! Achtung: 1 kWh kostet 10 Cent. %%%

Herr Berger verbringt seine Freizeit gerne vor dem Fernseher. Das Gerät hat etwa 150 W und ist im Durchschnitt etwa 4 Stunden pro Tag eingeschaltet. jährliche Kosten: ____________ €

Oly

Melanie braucht am Morgen täglich etwa 12 min, um mit ihrem Föhn ihre Frisur in Ordnung zu bringen. Der Föhn hat eine Leistung von 2 000 W.

Manuel erledigt seine Hausaufgaben mit dem Computer, verwendet ihn aber auch viel zum Spielen. Der Computer hat eine Leistung von 300 W und ist täglich etwa 3 Stunden in Betrieb. jährliche Kosten: ____________ €

jährliche Kosten: ____________ €

Frau Berger ist für das Bügeln der Wäsche zuständig. Einmal in der Woche hat sie ihren Bügeltag. Nach etwa 3 Stunden ist die Arbeit erledigt. Das Bügeleisen hat 2 200 W.

Elektrizität

9. LEITUNG IN IONISIERTER LUFT

Erinnere dich an den Bandgenerator! Beim Bandgenerator werden Elektronen von der großen Hohlkugel auf die kleine Metallkugel transportiert. Dadurch entsteht zwischen den beiden Kugeln ein Spannungsunterschied, der schließlich zu einem elektrischen Überschlag führt, den du als Blitz siehst.

Wie bei zwei Magneten gibt es zwischen geladenen Teilchen ein Feld, das elektrische Feld. Dieses Feld bewirkt, dass positiv und negativ geladene Teilchen einander anziehen. Die anziehende Kraft, die dadurch entsteht, nennt man Coulombkraft.

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Doch was genau geschieht beim Überschlag?

Wie weit kann ein Blitz springen? Die Entfernung zwischen zwei Leitern, ab der es zu einem elektrischen Überschlag kommen kann, hängt vor allem von der Spannung ab. Damit ein Blitz über eine Entfernung von 1 mm springen kann, muss die Spannung etwa 3 000 V betragen. Bei feuchter Luft ist eine geringere Spannung erforderlich als bei trockener. Aber auch der Druck und die Art des Gases zwischen den Leitern beeinflussen die erforderliche Spannung.

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Das elektrische Feld bewirkt, dass aus den Hüllen der Atome, aus denen die Luftmoleküle bestehen, Elektronen entfernt werden. Die zuvor elektrisch neutralen Atome werden dadurch zu Ionen. Diese können den elektrischen Strom leiten.

Zwischen den beiden Kugeln des Bandgenerators kommt es zu einem Ladungsausgleich, dem Blitz. Während der kurzen Zeit, in der der Blitz sichtbar ist, fließt Strom. Aber warum dauert der Blitz nur so kurze Zeit?

Damit die Luftatome ionisiert werden, muss das elektrische Feld eine gewisse Stärke haben. Diese ist umso größer, je größer der Spannungsunterschied und je geringer der Abstand zwischen den Kugeln ist. Sobald der Strom geflossen ist, gibt es keinen Spannungsunterschied mehr. Daher kommt es nach der Entladung auch zu keiner Ionisierung mehr. Erst wenn die Spannung zwischen den Kugeln wieder hoch genug ist, folgt der nächste Blitz.

Der elektrische Lichtbogen

Oly

Wenn zwei voneinander getrennte elektrische Leiter an eine Stromquelle angeschlossen sind, deren Spannung hoch genug ist, kommt es zu einer ständigen Entladung durch ionisierte Luft. In diesem Fall spricht vom einem Lichtbogen. Durch den Lichtbogen fließt dabei der Strom zwischen den beiden Polen der Stromquelle.

Die ionisierte Luft im Lichtbogen bezeichnet man als Plasma. Für Lichtbögen gibt es zahlreiche Anwendungen in der Technik. Bei Lichtbogenlampen wird damit sehr intensives Licht erzeugt. Da die Temperatur im Lichtbogen sehr hoch ist, kann er auch zum Schweißen von Metall verwendet werden. Der elektrische Widerstand in einem Plasma ist sehr gering. Daher muss durch einen zusätzlichen Widerstand im Stromkreis verhindert werden, dass es zu einem Kurzschluss kommt. Lichtbogenschweißen

Versuch Führt das Experiment „Der Blitzableiter“ auf S. 163 durch!

Plasma: Das Wort stammt aus dem Griechischen und bezeichnet etwas, das aus einzelnen Teilen zusammengesetzt ist.

Elektrizität Der Hörnerblitzableiter

Ganz allgemein gilt für Lichtbögen:

Ein Hörnerblitzableiter besteht aus zwei schrägen Metallstäben, zwischen denen eine hohe Spannung herrscht. Unten ist der Abstand zwischen den Stäben sehr gering. Daher kann hier die Luft dazwischen durch die Spannung ionisiert werden. Es bildet sich ein Plasma und ein Lichtbogen entsteht. Sobald das Plasma gebildet ist, kann die Entfernung größer sein. Daher wandert der Lichtbogen bei gleicher Spannung nach oben, bis er schließlich „abreißt“.

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Was ist ein Blitzableiter? Das ist ein dicker Metalldraht, der von der höchsten Stelle eines Gebäudes an der Außenwand nach unten führt und im Boden eingegraben ist. Wenn der Blitz in das Gebäude einschlägt, fließt der Strom durch den Draht in den Boden, ohne das Gebäude zu beschädigen. Blitzableiter sind vor allem bei hohen Türmen wichtig.

Zum Zünden eines Lichtbogens ist eine höhere Spannung erforderlich als zum Aufrechterhalten.

Der Blitz – ein gefährliches Naturereignis

In Gewitterwolken entstehen kleine Wassertröpfchen und Eiskristalle. Diese stoßen durch heftige Winde aneinander. Dabei kommt es zur Übertragung von Elektronen. Die leichteren Eiskristalle werden positiv geladen und durch den Wind innerhalb der Wolke nach oben getragen. Die schwereren Wassertröpfchen werden negativ geladen und sinken nach unten.

mp eV

positive Ladung Hagel

Aufw

ind

Abw

ind

Eis

regentropfen negative Ladung

Blitz schlägt in Blitzableiter ein. meiden: fernhalten, aus dem Weg gehen

oﬀenes Gelände: im Freien auf einer ebene Fläche, ohne Gebäude oder Bäume in der Nähe

Dort, wo der Blitz einschlägt, wird die gesamte elektrische Energie frei. Dadurch kann großer Schaden entstehen. Blitze schlagen meist in hohen Gebäuden oder in Bäumen ein. Gebäude werden daher durch Blitzableiter vor Blitzeinschlägen geschützt.

Oly

Mulde: Vertiefung im Boden

Der obere Teil der Gewitterwolke ist also positiv geladen, der untere negativ. Der untere Teil der Wolke ist auch negativer geladen als der Erdboden. Ist die positive Ladung Spannung hoch genug, entlädt sie sich Entstehung von Blitzen durch einen Blitz, der vom unteren Rand der Wolke auf den Erdboden überspringt. Oft entladen sich Blitze auch innerhalb einer Wolke oder zwischen benachbarten Wolken.

Durch ein elektrisches Feld kann ein Gas ionisiert werden, das dadurch elektrisch leitend wird. So kann es zu einem elektrischen Überschlag, einem Blitz, kommen. Ein Lichtbogen ist ein Plasma, durch das elektrischer Strom fließt.

Solltest du von einem Gewitter überrascht werden, dann beachte Folgendes: ƒ Suche ein geschlossenes Gebäude auf! Auch ein Auto bietet guten Schutz, da es wie ein Faradayscher Käfig wirkt. ƒ Meide oﬀenes Gelände und Hügel! ƒ Stelle dich nicht unter Bäumen unter! Wenn der Blitz in den Baum einschlägt, bist auch du gefährdet. ƒ Meide Gewässer! Wenn du gerade badest, verlasse das Wasser! ƒ Suche eine Mulde im Gelände auf und „mache dich klein“! Hocke dich mit geschlossenen Beinen hin, zieh den Kopf ein und leg die Arme an den Körper! Leg dich aber nicht flach auf den Boden!

Elektrizität 49

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

1) So viele Lichtbögen – Auf welchen dieser Bilder ist ein elektrischer Lichtbogen zu sehen? Male die richtigen Buchstaben an und ordne sie! So erhältst du ein Lösungswort. %%%

T L

erl

mp eV

I F

LÖSUNGSWORT:

Oly

2) Verhalten bei Gewitter – Was sollte man bei Gewitter nicht tun? Male zu jenen Bildern, die ein falsches Verhalten zeigen, einen Blitz! %%%

50 Elektrizität

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

Ein

Plasma

ist

ein

Gas,

_______________

dessen

sind.

Bestandteile enthält

freie

teilweise

3) Der „4. Aggregatzustand“ – Max hat einen Vortrag von Prof. Zweistein über das Plasma gehört und mitgeschrieben. Leider hat er nicht alles richtig verstanden und daher fehlen in seinem Heft einige wichtige Begriﬀe. Hilf ihm und setze die richtigen Wörter ein! %%

oder

vollständig

Ladungsträger,

nämlich

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__________________ und Ionen und kann daher den elektrischen ________ leiten. Die

______________________ werden auch von einem Magnetfeld beeinflusst. Deshalb kann ein Plasma mit Hilfe von _________________ verformt werden. Das typische Leuchten von Plasma kommt daher, dass Elektronen zwischen den _____________________________ hin und her springen. Dabei geben

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sie _______________ in Form von Licht ab. Plasma ist zwar ein Gas, hat aber ganz andere Eigenschaften als normales Gas. Daher wird es manchmal als 4. Aggregatzustand bezeichnet.

Plasma in einem Magnetfeld

Ladungsträger © Elektronenschalen © ionisiert © Strom © Energie © Elektronen © Magneten 4) Das Rätsel der Elektrizität – Löse dieses Kreuzworträtsel! %%%% 1

senkrecht: 2. Entladung in ionisierter Luft 3. Einheit der elektrischen Stromstärke 4. Hindernis für den elektrischen Strom 5. rasche elektrische Entladung 7. Einheit der elektrischen Ladung

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waagrecht: 1. Sie liefert elektrischen Strom. 6. Messgerät 8. elektrische Größe, die mit „U“ abgekürzt wird 9. elektrisch leitendes Gas 10. Einheit des elektrischen Widerstands

Elektrizität

10. STROMRICHTUNGEN

In welche Richtung bewegen sich Ladungsträger? Wie du schon gelernt hast, fließen die negativ geladenen Elektronen in einem Stromkreis immer zum positiv geladenen Pol einer Stromquelle. Diese Flussrichtung bezeichnet man als „physikalische Stromrichtung“.

Thomas Alva Edison wuchs in einfachen Verhältnissen auf und besuchte kaum die Schule. Trotzdem wurde er einer der bedeutendsten Erfinder der Welt. Unter anderem erfand er die erste funktionierende Glühbirne, Geräte für die Tonaufzeichnung sowie das Telefon.

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Es kommen jedoch nicht nur Elektronen als Ladungsträger in Frage. Bei der Stromleitung in einem Elektrolyt wird der Strom durch Anionen und Kationen befördert. Dabei bewegen sich die unterschiedlichen Ladungsträger in entgegengesetzte Richtungen.

mp eV

Man kann daher in Elektrolyten nicht von einer Stromrichtung sprechen, sondern immer nur von der Bewegungsrichtung eines bestimmten Ladungsträgers.

kationen

kathode

Anionen

Anode

Bewegung der Ladungsträger in einem Leiter und in einem Elektrolyten

Was ist die technische Stromrichtung?

Nach der Entdeckung der Elektrizität nahmen Physiker an, dass der Strom durch positiv geladene Teilchen befördert wird. Diese Teilchen sollten sich vom positiven Pol einer Stromquelle zum negativen Pol bewegen. Man nahm also an, dass der Strom vom positiven Pol zum negativen fließt. Als 1874 das Elektron entdeckt wurde, erkannte man, dass elektrischer Strom durch diese negativ geladenen Teilchen transportiert wird. Auch als man wusste, dass die Elektronen die Ursache für den Ladungstransport in einem Leiter sind, hat sich die Vorstellung des Stromflusses vom positiven Pol zum negativen bis heute gehalten. Diese Stromrichtung nennt man die „technische Stromrichtung“.

Der Gleichstrom

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Unabhängig davon, ob man die physikalische oder die technische Stromrichtung betrachtet, fließt der Strom in einem Stromkreis, dessen Stromquelle z. B. eine Batterie ist, immer in die gleiche Richtung. Daher nennt man diesen Strom Gleichstrom. Neben der Batterie ist auch jeder Akkumulator oder eine Solarzelle eine Gleichstromquelle. Das erste Stromnetz, das der amerikanische Erfinder Thomas Alva Edison im Jahr 1880 in New York errichtete, lieferte Gleichstrom mit einer Spannung von 110 V. Die maximale elektrische Leistung, die in diesem Stromnetz transportiert werden konnte, war 100 kW. Damit konnten etwa 1 000 Glühbirnen betrieben werden.

Symbol für Gleichstrom

Edison und der Generator, mit dem er sein erstes Stromnetz betrieb

Die Spannung von 110 V, die Edison für sein erstes Stromnetz verwendete, ist in Amerika auch heute noch gebräuchlich.

Welche Spannung hat unser Stromnetz? Worauf musst du achten, wenn du eine Reise nach Amerika machst?

Elektrizität Der Wechselstrom

Symbol für Wechselstrom

+ 230 V

Die Spannung in unserem Wechselstromnetz wechselt 50-mal pro Sekunde von +230 V auf -230 V und zurück. Dabei springt die Spannung aber nicht plötzlich um, sondern sie schwingt zwischen den beiden Werten hin und her. Aber auch die Stromstärke ändert sich in gleicher Weise. So eine regelmäßige Schwingung nennt man Sinus-Schwingung.

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Wie oft ändert sich die Stromrichtung? Ein Hertz (Hz) bezeichnet eine volle Schwingung. Das bedeutet, dass sich die Stromrichtung mit jeder Schwingung umkehrt und wieder in die ursprüngliche Richtung zurückkehrt. Somit ändert sich pro Hz die Stromrichtung 2-mal.

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Wo hast du die Einheit Hz schon kennengelernt? Was wird dort damit bezeichnet?

Die Steckdose, an die du einen Fernseher oder einen Computer anschließt, liefert keinen Gleichstrom, sondern Wechselstrom. Bei Wechselstrom fließen die Elektronen nicht immer in dieselbe Richtung. In einem Wechselstromkreis ändert sich mehrmals pro Sekunde die Stromrichtung. Unser Stromnetz hat eine Frequenz von 50 Hz. Das bedeutet, dass sich in jeder Sekunde die Stromrichtung 100-mal ändert.

Was geschieht mit der Beleuchtung deines Fahrrads, wenn du langsamer oder schneller fährst? Was genau ändert sich dabei? Warum betreibt man heute meist die Beleuchtung eines Fahrrades mit einer Batterie?

AC/DC Auf Englisch wird der Wechselstrom mit AC (alternating current) und der Gleichstrom mit DC (direct current) abgekürzt.

– 230 V

Sinus-Schwingung des Wechselstroms

Wechselstromquellen

Wechselstrom wird in Generatoren erzeugt, welche die Bewegungsenergie einer Drehbewegung in elektrische Energie umwandeln. Ein Beispiel für so einen Generator ist der Fahrraddynamo. In einem Generator dreht sich ein Magnet in einem gebogenen Eisenstück. Dadurch werden die Elektronen in einem Draht, der um das Eisenstück gewickelt ist, in Bewegung versetzt.

Magnet

Gebogenes Eisenstück

Drahtwicklungen

Fahrraddynamo

Oly

Auch der Strom aus der Steckdose stammt von einem Generator. Bei diesem wird in einem Kraftwerk der Magnet entweder durch das Wasser eines Flusses, durch ein Windrad oder durch heißen Dampf gedreht.

Bei der Fließrichtung des elektrischen Stroms unterscheidet man zwischen der technischen und der physikalischen Stromrichtung. Beim Gleichstrom fließen die Elektronen immer in eine Richtung, beim Wechselstrom ändert sich die Richtung regelmäßig.

Vorteil von Wechselstrom Gegenüber dem Gleichstrom hat der Wechselstrom den Vorteil, dass die Spannung des Stroms ohne große Verluste verändert werden kann. Diesen Vorgang der Spannungsänderung nennt man Transformation. Dadurch kann der Strom so angepasst werden, wie ihn unterschiedliche Geräte benötigen. Ein weiterer Vorteil liegt in der Möglichkeit, elektrische Energie über weite Strecken zu transportieren. Je höher die Spannung ist, desto geringer sind beim Transport die Verluste in der Leitung. Da Wechselstrom auf sehr hohe Spannungen transformiert werden kann, kann er mit nur geringen Verlusten vom Kraftwerk in deine Wohnung kommen.

PHYSIK-LABOR: Elektrizität

Ziel des Experiments: Leiter und Nichtleiter unterscheiden!

Experiment 1: Welche Materialien leiten den Strom? Du brauchst: verschiedene Materialien (z. B. Blatt Papier, Bleistiftminen, Holzstab, Alufolie, Lineal, Wollfaden, Draht isoliert und nicht isoliert, aufgebogene Büroklammer, Löffel aus Metall, Kochlöffel aus Plastik und Holz, Teller, Gummiringerl, …) * Gefäß mit Leitungswasser * Gefäß mit Salzwasser * Batterie * Kabel * Glühbirne mit Fassung * 2 Isolierklemmen

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Ablauf: ƒ Baue zuerst die Prüfvorrichtung auf! Verbinde einen Pol der Batterie mit der Glühlampe, den anderen mit einer Isolierklemme! Den zweiten Anschluss der Glühlampe verbinde mit der anderen Isolierklemme! ƒ Befestige nun die Materialien der Reihe nach an den Isolierklemmen! Flache Gegenstände wie ein Blatt Papier lege so auf die beiden Klemmen, dass sie nicht herunterfallen! ƒ Bei Flüssigkeiten wiederum stecke die beiden Anschlusskontakte direkt in das Gefäß! Achte dabei darauf, dass sie einander nicht berühren! ƒ Wenn die Glühbirne leuchtet, ist das Material ein Leiter.

Isolierklemme, dient zum Festhalten von Gegenständen

Protokoll: Erstelle eine Liste von Leitern und eine von Nichtleitern! Gib in der Liste an, aus welchen Materialien die Gegenstände bestehen, die du untersucht hast!

Experiment 2: Salz und Pfeffer

Ziel des Experiments: Trenne eine Mischung aus Salz und Pfeffer in ihre Bestandteile! Du brauchst: Teelöffel voll geriebenen Pfeffer * Teelöffel voll Salz * Lineal aus Kunststoff

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Ablauf: ƒ Mische zuerst das Salz und den Pfeffer, dann streue die Mischung auf ein Blatt Papier! ƒ Reibe nun das Lineal an deinem Pullover, dann halte es über die Mischung!

Welches Ergebnis erhältst du?

_______________________________________________ _______________________________________________

Besprecht dieses Experiment in der Klasse!

PHYSIK-LABOR: Elektrizität

Ziel des Experiments: Ablenken eines Wasserstrahls

Experiment 3: Der gekrümmte Wasserstrahl Du brauchst: Lineal oder Löffel aus Kunststoff * Wollpullover * Wasserhahn

Ergebnis: Der Wasserstrahl wird seitlich abgelenkt.

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Ablauf: ƒ Drehe den Wasserhahn ein wenig auf, sodass ein schwacher, aber gleichmäßiger Wasserstrahl entsteht! ƒ Reibe dann das Lineal oder den Löffel an einem Wollpullover! ƒ Halte das Lineal oder den Löffel neben den Wasserstrahl!

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Erklärung: Wasser kannst du zwar nicht elektrisch aufladen, aber es hat ebenfalls elektrische Eigenschaften. Daher lässt es sich mit Hilfe eines elektrisch geladenen Gegenstandes ablenken.

Experiment 4: Elektroskop

Ziel des Experiments: Bau eines einfachen Elektroskops

Du brauchst: dickes Papier * Faden * langer Nagel * Alufolie * Klebeband * leeres Glas * Lineal oder Löffel aus Kunststoff * Wollpullover

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Ablauf: ƒ Schneide zuerst aus dem Papier ein kreisrundes Stück aus, das du auf das Glas legen kannst! ƒ Bohre anschließend den Nagel in der Mitte durch das Papier! Achte dabei darauf, dass der Nagelkopf ein Stück aus dem Papier ragt! ƒ Knote nun den Faden so um die Spitze des Nagels, dass er auf beiden Seiten einige Zentimeter weghängt! Knote ihn dabei so fest, dass er nicht vom Nagel rutschen kann! ƒ Klebe dann mit dem Klebeband an beide Enden des Fadens ein Stück Alufolie! ƒ Lege das Papier auf das Glas, sodass die Fäden ins Glas hängen und klebe es am Rand des Glases fest! ƒ Reibe anschließend mit dem Löffel oder Lineal am Pullover! ƒ Dann berühre mit dem Löffel oder Lineal den Kopf des Nagels! Ergebnis: Die Fäden mit der Alufolie bewegen sich auseinander. Du erkennst daran, dass der Löffel/das Lineal elektrisch aufgeladen ist. Wenn du den Nagel mit der Hand berührst, gehen die Fäden mit den Stücken der Alufolie wieder in ihre Ausgangslage zurück. Die elektrische Ladung fließt dabei aus der Alufolie durch den Nagel und deinen Körper in den Boden ab.

PHYSIK-NEWS: Elektrizität Die Batterie im Mund

Bei Wechselstrom fließt der Strom nicht gleichmäßig durch den Draht. Er fließt vor allem an der Oberfläche, während im Inneren kaum Strom fließt. Diese Eigenschaft von Wechselstrom nennt man „Skin-Effekt“ (skin: Englisch für Haut). Je höher die Frequenz des Wechselstroms ist, desto dünner ist die Schicht, in der der Strom fließt. Während sie bei Netzstrom mit 50 Hz noch etwa 1 cm dick ist, macht sie bei 100 000 Hz nur noch etwa 0,2 mm aus. Der stromdurchflossene Bereich ist bei hohen Frequenzen sehr klein und daher die Widerstand sehr hoch. Vor allem in der Funktechnik, wo Wechselstrom mit sehr hohen Frequenzen auftritt, ist der Skin-Effekt ein Problem. Daher verwendet man häufig Koaxialkabel. Diese sind nur dort aus leitendem Metall, wo auch tatsächlich Strom fließt.

Kennen Sie das? Sie beißen auf ein Stück Alufolie, die beim Auspacken an der Schokolade kleben geblieben ist oder berühren beim Essen mit dem Löffel oder der Gabel Ihren Zahn. Plötzlich verspüren sie einen intensiven Schmerz. Wenn Sie schon einmal so ein Erlebnis hatten, dann haben Sie in Ihren Zähen vermutlich Plomben aus „Amalgam“, einer Quecksilber-Legierung. Gemeinsam mit dem Metall der Alufolie und Ihrem Speichel im Mund, der wie ein Elektrolyt wirkt, wird die Amalgam-Plombe zu einem galvanischen Element. Der Strom, der dann durch den Nerv Ihres Zahns fließt, verursacht den plötzlichen Schmerz.

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Skin-Effekt erhöht Widerstand

BILDER-RÄTSEL: Was ist das?

BLITZE IN DER WÜSTE

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Auch in der Wüste kommt es zu Gewittern, bei denen Blitze im Wüstensand einschlagen. Dabei ist die elektrische Energie in einem Blitz so groß, dass der Sand an dieser Stelle schmilzt. Wenn der geschmolzene Sand wieder fest wird, bildet sich dabei eine glasähnliche Substanz, der FULGURIT. Fulgurit hat eine längliche Form und zeigt, in welche Richtung der Blitz eingeschlagen hat.

Buchtipps

Ulrike Berger und Detlef Kersten: Die ElektroWerkstatt: Spannende Experimente mit Magneten und Strom (Family Media/Velber Buchverlag, 2010). Werner Rentzsch: Experimente mit Spaß, Magnetismus & Elektrizität (Aulis Verlag, 2011). Rainer Köthe, Udo Kruse-Schultz, Frank Kliemt: WAS IST WAS, Band 24, Elektrizität (Tessloff Verlag, 2010).

Die Lösung zu diesem Bilderrätsel finden Sie auf der nächsten Seite.

Vögel auf Hochspannungsleitungen Jeder hat das schon einmal beobachtet: Vögel sitzen auf elektrischen Leitungen, durch die Strom mit einer Spannung von vielen tausend Volt fließt. Für die Vögel ist das ungefährlich, solange sie nur einen einzigen Draht berühren. Denn dann fließt der Strom lediglich durch den Draht und nicht durch ihren Körper. Sobald sie aber mit einem anderen Draht oder dem Strommast in Berührung kommen, kommt es zum Kurzschluss und der Strom fließt auch durch ihren Körper.

PHYSIK-NEWS: Elektrizität

Die Aufladung, die man mit Bandgeneratoren erzielen kann, ist so stark, dass sie auch in Kernforschungsanlagen eingesetzt werden. Dort bringt man damit die kleinsten Teilchen, aus denen unsere Welt aufgebaut ist, auf extrem hohe Geschwindigkeiten. Dann lässt man diese aufeinanderprallen und beobachtet, was dabei geschieht.

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Während der Widerstand von Metallen mit steigender Temperatur zunimmt, ist es bei Kohlenstoff genau umgekehrt: Je heißer er wird, desto besser leitet er den elektrischen Strom. Kohlenstoff gehört daher – so wie alle Halbmetalle – zu den „Heißleitern“. Das trifft jedoch nur für „normalen“ Kohlenstoff zu, der auch Grafit genannt wird. In Form von Diamant leitet der Kohlenstoff den Strom nämlich gar nicht, ein Diamant ist also ein Isolator. Eine besondere Form des Kohlenstoffs ist das Graphen. Dabei handelt es sich um Kohlenstoff, der lediglich aus einer einzigen Atomschicht aufgebaut ist. Graphen zeigt ein ähnliches Verhalten wie das Halbleitermaterial Silizium, sodass man daraus möglichweise in naher Zukunft Computerchips herstellen kann.

Bandgeneratoren in der Hochenergiephysik

Kohlenstoff – ein besonderer Leiter

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Weniger Farbverlust durch Elektrospritzlackieren

Der Blitz im Automotor

In der Zündspule eines benzinbetriebenen Autos wird die 12 V-Spannung der Lichtmaschine in eine Spannung von ca. 20 000 V umgewandelt. Diese ist hoch genug, um für kurze Zeit zwischen den Polen der Zündkerze einen Lichtbogen zu zünden. Dieser kleine Blitz entzündet das Gemisch aus Benzin und Luft im Zylinder. Die Energie, die beim Verbrennen des Treibstoffs freigesetzt wird, treibt das Auto an.

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Zündkerze

Jeder, der schon einmal mit einer Spraydose Farbe aufgetragen hat kennt das Problem. Nur ein Teil der Farbe gelangt dorthin, wo man sie haben möchte. Der Rest wird von der Luft weggetragen und geht so verloren. Das Elektrospritzlackieren löst dieses Problem. Durch elektrische Aufladung zwischen der Farbe und der Oberfläche, die lackiert werden soll, wird die Farbe dorthin gezogen, wo man sie haben will. Man kann damit sogar die Rückseite eines Gegenstandes mitlackieren.

Lösung zum Bilderrätsel Auf diesem Bild ist eine neuartige wiederaufladbare Batterie zu sehen, die amerikanische Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen kürzlich entwickelt haben. Sie ist biegsam und kann auf die dreifache Größe gedehnt werden.

Hast du das gewusst?

ƒ Man muss eine Stromleitung gar nicht berühren, um einen Stromschlag zu erhalten. Bei Oberleitungen von Eisenbahnen ist die Spannung so hoch, dass man nur in die Nähe der Leitung kommen muss, damit der Strom wie ein Blitz auf den menschlichen Körper überspringt. ƒ Die elektrische Energie, die in einem Blitz steckt, ist nicht allzu groß. Beim Verbrennen von 10 l Benzin wird ungefähr genauso viel Energie frei. Man könnte damit eine Glühlampe etwa ein Monat lang leuchten lassen. Trotzdem richten Blitze großen Schaden an, da sich die gesamte Energie des Blitzes in sehr kurzer Zeit auf einem sehr kleinen Raum entlädt. ƒ In Österreich werden pro Jahr im Durchschnitt etwa 5 Menschen vom Blitz getroffen. Jeder dritte Blitzschlag ist tödlich.

Elektrizität im täglichen Leben

Brigitte möchte nach der Schule ihre Spielkonsole in Betrieb nehmen, findet aber das Anschlusskabel nicht. Nach längerem Suchen entdeckt sie in einer Schublade ein Kabel, das zur Konsole zu passen scheint. Bevor sie es jedoch an ihre Konsole anschließen kann, hält ihre Mutter sie zurück. „Bist du dir sicher, dass das das richtige Kabel ist?“, fragt sie. Erstaunt blickt Brigitte ihre Mutter an. „Das ist doch egal!“, erwidert sie.

Wozu braucht man ein Netzgerät? Viele Geräte brauchen für den Betrieb Gleichstrom mit einer bestimmten Spannung. Ein Netzgerät wandelt den Strom so um, wie das Gerät ihn benötigt.

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Ist es wirklich egal, welches Netzgerät man verwendet?

11. STROM FÜR MENSCHEN

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Auf jedem Netzgerät stehen wichtige Informationen. Diese geben an, welche Spannung es benötigt und welche Spannung es an das Gerät weitergibt. Dieses Netzgerät benötigt als „Input“ eine Wechselspannung von 230 V mit einer Frequenz von 50 Hz. Es liefert als „Output“ eine Gleichspannung von 16 V mit einer maximalen Stromstärke von 0,3 A. Wird ein Gerät wie eine Spielkonsole mit dem falschen Netzgerät verbunden, kann es beschädigt oder gar zerstört werden.

Der richtige Stecker für die richtige Steckdose Stecker und Steckdose müssen zusammenpassen, damit du ein Gerät anschließen kannst. Daher müssen sich die Hersteller von Steckdosen und die Hersteller von Elektrogeräten darauf einigen, wie Stecker und Steckdosen auszusehen haben. Eine Norm legt danach fest, wie sie gebaut werden müssen, damit du Elektrizität einfach nutzen kannst. Solche Normen gibt es für viele Bereiche der Elektrotechnik.

In Österreich legt der „Österreichische Verband für Elektrotechnik“ (OVE) diese Normen fest. Sie gelten zwar nur für Österreich, richten sich aber auch nach den Normen in anderen Ländern. Daher kann man ein bei uns gekauftes Gerät z. B. auch in Deutschland anstecken.

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In anderen Ländern ist das häufig nicht so einfach. Die bei uns gebräuchlichen Stecker werden als „Stecker-Typ F“ bezeichnet. Oft verwendet man auch den Namen „SchukoStecker“, wobei „Schuko“ für „Schutzkontakt“ steht. Dieser Typ ist neben Deutschland z. B. auch in Ungarn, Slowenien oder der Türkei gebräuchlich. In anderen Ländern wie Frankreich oder England gibt es andere Typen von Steckern. Wenn du in ein fremdes Land reist, musst du dich daher immer erkundigen, welche Steckdosen dort gebräuchlich sind. Mit einem Steckdosenadapter kannst du dort trotzdem deine Geräte betreiben. Bei einer Schuko-Steckdose gibt es zwei Öﬀnungen. Im Inneren der Steckdose sind dahinter Kontakte, die mit dem Stromnetz verbunden sind. Ober- und unterhalb befinden sich die Erdungskontakte. Wozu diese notwendig sind, erfährst du in Kapitel 16. Erdung

Leiter

ACHtuNg Betreibe ein elektrisches gerät immer mit dem dafür vorgesehenen Netzgerät!

Spielkonsole: computerähnliches Gerät zum Spielen Input/Output: etwas, das in ein Gerät hinein- oder aus diesem herauskommt Norm: Regel, Richtlinie

Mit diesem Zeichen sind Geräte gekennzeichnet, die den ÖVE-Richtlinien entsprechen.

Dieses Zeichen ist in ganz Europa gültig und gibt an, dass das Gerät allen europäischen Richtlinien entspricht. Suche bei dir zu Hause Elektrogeräte, die dieses Zeichen tragen!

Steckdosenadapter

Elektrizität im täglichen Leben Elektrizität wird vielfältig verwendet

Elektrische Haushaltsgeräte

Ohne Elektrizität wäre heute unser Leben kaum vorstellbar. Wohin man auch sieht, für fast alles benötigt man Strom: Elektrizität im Haushalt: Wir verwenden elektrischen Strom, um damit warmes Wasser für die Waschmaschine oder den Geschirrspüler zu erzeugen. Wir beleuchten damit unsere Wohnungen und betreiben zahlreiche Küchenmaschinen. Ohne elektrischen Strom wären auch Fernsehen, Musikhören oder moderne Kommunikation wie Telefon, Handy oder Internet nicht möglich. In manchen Häusern und Wohnungen wird Strom auch zum Heizen verwendet. Elektrizität in der Freizeit: Früher mussten Schifahrer mühsam den Berg hinaufsteigen, bevor sie hinunterfahren konnten. Heute erleichtern uns mit Strom betriebene Lifte den Aufstieg. Aber auch Vergnügungsparks oder Konzerte wären ohne Strom undenkbar.

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Überlegt gemeinsam, wie die Menschen früher gelebt haben, bevor sie elektrischen Strom hatten! Wie haben sie z. B. die Arbeit im Haushalt erledigt?

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Elektrizität in der Industrie: Fast die Hälfte der Elektrizität, die in Österreich erzeugt wird, wird in Industriebetrieben verbraucht. Dort treibt sie Maschinen an oder wird zur Elektrolyse von chemischen Verbindungen verwendet.

Elektrische Maschinen in der Industrie

Elektrizität in der Landwirtschaft: Auch in landwirtschaftlichen Betrieben ist Strom nicht wegzudenken. Kühe werden mit Melkmaschinen gemolken, während Brutlampen die Jungtiere warmhalten.

melken: Milch gewinnen

Elektrizität im Verkehr: Die meisten Züge werden heute elektrisch angetrieben. Auch U-Bahnen und Straßenbahnen fahren mit Strom.

Melkmaschine

Wie kommt Strom vom Kraftwerk zum Verbraucher?

Elektrische Eisenbahn

Danach gelangt er über eine Transformatorstation mit einer Spannung von bis zu 30 kV in das Mittelspannungsnetz. Dieses Netz transportiert den Strom zu großen Verbrauchern wie Krankenhäusern oder Fabriken, aber auch zu weiteren Transformatoren, wo die Spannung weiter verringert wird. Mit 230 V wird der Strom von dort über das Niederspannungsnetz bis in die einzelnen Haushalte verteilt.

Oly

Transformator: Umformer

Bevor der Strom vom Kraftwerk bis in deine Steckdose gelangen kann, muss er mehrere Stationen durchlaufen. Unmittelbar beim Kraftwerk wird der Strom auf eine sehr hohe Spannung – meist 110 oder 220 kV – transformiert. So kann er mit Hochspannungsleitungen über weite Strecken übertragen werden.

Geräte benötigen unterschiedliche Spannungen. Diese werden mit Netzgeräten erzeugt. Stecker und Steckdosen sind genormt. Der Strom wird über Stromnetze verteilt. Über mehrere Transformatorstationen erreicht er die Haushalte.

Hochspannungsnetz Mittelspannungsnetz Niederspannungsnetz

kraftwerk

Stromnetz

Transformatorstation große Verbraucher Hochspannungsleitung 110 kV, 220 kV Transformator

Haushalt

Elektrizität im täglichen Leben 59

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

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Ich bin in meiner Firma dafür verantwortlich, dass unser Computernetz funktioniert. Ich bin …

mp eV

Wenn irgendwo eine große elektrische Maschine oder Anlage benötigt wird, werde ich geholt. Ich übernehme die Planung und kümmere mich um die Installation. Ich bin …

Ich arbeite für einen Veranstalter von Konzerten und Theateraufführungen. Ich baue die Licht- und Tonanlage auf und kümmere mich darum, dass alles funktioniert. Ich bin …

erl

EDV-Systemtechniker/in: Installation und Betreuung von Computernetzen Elektromaschinentechniker/in: Herstellung und Installation von elektrischen Geräten, Maschinen und Anlagen Elektrotechniker/in: Planung, Montage und Reparatur von elektrischen Anlagen Veranstaltungstechniker/in: Aufbau von Konzertbühnen, Lichtund Tonanlagen

1) Beruferaten – Hier findest du Beschreibungen von Berufen, die mit Elektrizität zu tun haben. Finde heraus, welche Berufe diese 4 Personen ausüben! %%%%

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Ich werde dann gerufen, wenn in einer Wohnung die elektrische Installation nicht in Ordnung ist. Ich bin …

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2) Netzgeräte – Betrachte dieses Netzgerät und beantworte dann die folgenden Fragen! %%% a) Welche Art von Strom benötigt es als Input?  Gleichstrom

 Wechselstrom

b) Welche Art von Strom liefert es als Output?

Oly

 Gleichstrom

 Wechselstrom

c) Welche Spannung liefert es? 6V

 12 V

 18 V

 24 V

d) Wie hoch ist die maximale Stromstärke im Output?  100 mA  500 mA

 700 mA

 1,5 A

e) Wie hoch ist die maximale Leistung, die ein Gerät haben darf, das mit diesem Netzgerät betrieben wird? ___________ W

60 Elektrizität im täglichen Leben

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

Stecker-Typ C („Eurostecker“) Dieser Stecker ist so gebaut, dass er in fast ganz Europa verwendet werden kann. Er ist allerdings nicht geerdet.

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Stecker-Typ B („NEMA 5“) Dieser Stecker wird vor allem in den USA und in Kanada verwendet. ACHTUNG: Die Netzspannung beträgt nur 110 V und die Frequenz 60 Hz.

3) Strom rund um die Welt – Stecker und Steckdosen unterscheiden sich von Land zu Land. Finde heraus, welcher Stecker in welche Steckdose passt! %%% Achtung: Manchmal gibt es mehrere Möglichkeiten.

Er passt in

mp eV

Stecker-Typ E+F Dieser Stecker ist so gebaut, dass er sowohl in eine Dose des Typs E als auch des Typs F passt. Typ F ist der bei uns gebräuchliche Typ. Die Erdungsanschlüsse sind seitlich am Stecker. Steckdosen dieses Typs werden auch in Deutschland, Ungarn, der Türkei, Russland und vielen anderen europäischen Ländern verwendet. Typ E findet sich in Frankreich, Belgien, Polen, der Tschechischen Republik und der Slowakei und einigen anderen europäischen Ländern. Der Erdungsanschluss ist ein eigener Stift in der Steckdose.

Oly

Er passt in

Stecker-Typ I Dieser Stecker ist vor allem in Australien, Neuseeland sowie in einigen südamerikanischen Ländern verbreitet. Teilweise findet man ihn auch in China. Er passt in

Commonwealth: Gruppe von Staaten; England und seine ehemaligen Kolonien

Stecker-Typ G („Commonwealth-Stecker“) Dieser britische Typ ist in den meisten Ländern des Commonwealth gebräuchlich. In Europa findet man ihn in Großbritannien, Irland und Malta. Er passt in

Er passt in

Elektrizität im täglichen Leben

12. WÄRME AUS STROM Wendel: schraubenförmig gedrehter Draht

Wie du schon gehört hast, stoßen in einem elektrischen Leiter Elektronen mit den Atomen des Metalldrahtes zusammen und geben dabei einen Teil ihrer Energie ab. Dadurch erwärmt sich der Draht, der für den elektrischen Strom einen Widerstand darstellt.

Die Glühwendel In einem geraden Draht wird die entstehende Wärme sehr leicht an die Umgebung abgegeben. Wickelt man den Draht zu einer Wendel auf, dann sind die heißen Drahtabschnitte eng beieinander und können die Wärme nicht so leicht abgeben. Daher heizen sie sich stärker auf. Bei einer Doppelwendel wird der Draht noch heißer.

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Dieser Eﬀekt ist in einem normalen Leiter unerwünscht, da dabei Energie verloren geht. Umgekehrt kann man diesen Eﬀekt aber auch nutzen, um elektrische Energie in Wärmeenergie umzuwandeln. Dazu verwendet man Leiter aus einem Material, das einen besonders hohen elektrischen Widerstand hat. Ein mögliches Material für einen solchen Widerstandsdraht ist das Konstantan, das du bereits kennengelernt hast.

mp eV

Je länger ein Draht ist, desto höher ist sein Widerstand. Um möglichst viel Wärme zu erzeugen, muss der Widerstandsdraht daher sehr lang sein. Damit ein Gerät, das man zur Wärmeerzeugung baut, nicht zu groß wird, wickelt man daher den Draht zu einer Wendel oder zu einer Doppelwendel auf.

Doppelwendel: Eine Wendel ist noch einmal gewendelt.

Die Temperatur in einem Widerstands- oder Heizdraht ist umso höher, je mehr Strom hindurchfließt. Er kann dabei so heiß werden, dass er glüht. In einer Glühbirne nutzt man diesen Eﬀekt auch, um Licht zu erzeugen.

Heizdraht in einem Toaster

Wärmeübertragung auf feste Körper und auf Wasser In einem Elektroherd ist der Heizdraht in einer Herdplatte eingebettet. Die entstehende Wärme wird an die Herdplatte abgegeben, die ebenfalls heiß wird. Dadurch kann eine Pfanne, die auf der Platte steht, erwärmt werden.

Oly

In einem Wasserkocher kann man Wasser wesentlich rascher erwärmen als auf einer Herdplatte. Der Heizdraht ist direkt in das Gefäß, in dem das Wasser erhitzt wird, eingebaut. So kann die Wärme schneller auf das Wasser übertragen werden.

Ein Tauchsieder ist ein Heizdraht, der direkt in eine Flüssigkeit getaucht werden kann.

Heizdraht in einem Wasserkocher

Bei einem Bügeleisen wird ebenfalls eine Platte erhitzt. Durch die Wärme kann zerknitterter Stoﬀ wieder geglättet werden. Noch leichter lässt sich Stoﬀ glätten, wenn zusätzlich Wasserdampf verwendet wird. Dies geschieht beim Dampfbügeleisen. Dabei wird Wasser auf den heißen Heizdraht gesprüht, sodass es verdampft und durch Löcher in der Platte austritt. Dampfbügeleisen

In einer Waschmaschine wird das Wasser durch einen Heizstab erwärmt. So wie der Tauchsieder befindet sich dieser direkt im Wasser. Auch beim Geschirrspüler wird das Wasser so erwärmt.

Elektrizität im täglichen Leben Wärmeübertragung auf Luft

zirkulieren: sich im Kreis bewegen

Mädchen mit Föhn reflektieren: etwas zurückwerfen

mp eV

Gebläse: Gerät, das Luft in eine bestimmte Richtung bläst

Konvektion: aus dem Lateinischen, „convectum“; heißt „mitgetragen“

Man kann mit elektrischer Energie auch Gase wie die Luft erwärmen. Bei einer Elektroheizung sind die Heizdrähte in einem Heizkörper eingebaut. Dabei macht man sich meist das Prinzip der Konvektionsströmung zunutze. Warme Luft ist leichter als kalte. Daher steigt sie – nachdem sie an der Oberfläche des Heizkörpers erwärmt worden ist – nach oben und von unten strömt kühlere Luft nach. Die Heizkörper einer Elektroheizung sind meist so aufgebaut, dass durch die Heizdrähte eine möglichst große Oberfläche erwärmt wird und dass die Luft möglichst gut zwischen den Heizkörper Teilen des Heizkörpers zirkulieren kann. Häufig sind Wärmequelle die Heizdrähte von einer Flüssigkeit umgeben, die die Wärme Konvektion speichert und an die Oberfläche weiterleitet.

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Prinzip: Regel, Gesetzmäßigkeit

Heizdraht

Gebläse

Dieselben Methoden, die man anwendet, um Wärme zu erzeugen und zu verteilen, können auch dazu verwendet werden, um unerwünschte Wärme loszuwerden. Überlegt gemeinsam! Wo wird das eingesetzt?

Teile eines Föhns

Steuerung

Die Übertragung der Wärme auf die Luft kann gesteigert werden, wenn man sich nicht auf die Konvektionsströmung verlässt, sondern die Luft mit einem Gebläse direkt auf die heißen Heizdrähte bläst. Bei einem Föhn wird so die heiße Luft in eine ganz bestimmte Richtung, nämlich auf die zu trocknenden Haare, gelenkt.

Ähnlich wie ein Föhn funktioniert ein Heißluftgebläse, das manchmal auch Heizlüfter genannt wird. Bei einem Heißluftgebläse wird die warme Luft nicht direkt in eine bestimmte Richtung geblasen, sondern gleichmäßig im ganzen Raum verteilt. Mit so einem Gebläse kann in sehr kurzer Zeit die Luft in einem Raum erwärmt werden.

Wärmeübertragung durch Strahlung

Jeder Körper gibt Strahlung ab. Je wärmer er ist, desto größer ist diese Strahlungsmenge. Diesen Eﬀekt kann man auch zum Heizen verwenden. In einem Heizstrahler werden die Heizstäbe so heiß, dass sie zu glühen beginnen. Dabei geben sie Strahlung als Infrarotstrahlung ab. Diese wird durch einen Spiegel hinter den Heizstäben reflektiert, sodass sie zum Großteil nach vorne abgestrahlt wird. Triﬀt diese Strahlung auf einen Gegenstand, so wird sie dort wieder in Wärme umgewandelt.

Oly

In einem Heizdraht wird durch elektrischen Widerstand elektrische Energie in Wärme umgewandelt. Diese Wärme kann in einem festen Körper wie einer Herdplatte direkt übertragen werden. Sie kann auch durch eine Flüssigkeit oder ein Gas transportiert werden. Bei hohen Temperaturen wird die Wärme auch durch Infrarotstrahlung übertragen.

Heizlüfter

Heizstrahler

Infrarotstrahlung ist für das menschliche Auge nicht sichtbar, man spürt sie lediglich als Wärme auf der Haut. Auch in einer Glühbirne wird eine Glühwendel durch elektrischen Strom erhitzt. Hier ist die Temperatur jedoch so hoch, dass ein gewisser Anteil der abgegebenen Strahlung als sichtbares Licht abgegeben wird.

Elektrizität im täglichen Leben

13. LICHT AUS STROM

Die Glühbirne

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In einer Glühbirne fließt elektrischer Strom durch einen gewendelten dünnen Draht, die Glühwendel. Dabei wird der Draht aufgeheizt und so heiß, dass er zu glühen beginnt. Der glühende Draht leuchtet hell und gibt Licht ab. Die Glühwendel besteht meist aus dem Metall Wolfram, das selbst bei hohen Temperaturen nicht schmilzt.

Was ist Schutzgas? Bei hohen Temperaturen verbrennen viele Materialien, wenn sie mit Sauerstoﬀ in Berührung kommen. Daher wird bei Glühbirnen die Luft durch ein Gas ersetzt, das keinen Sauerstoﬀ enthält.

Strom kann nicht nur zur Erzeugung von Wärme verwendet werden. Wie du schon gehört hast, kann aus Strom durch Strahlung auch Infrarotstrahlung gewonnen werden. Bei hoher Temperatur wird die Strahlung in Form von sichtbarem Licht abgegeben.

evakuieren: hier R Luft heraussaugen, ein Vakuum erzeugen Vakuum: luftleerer Raum

mp eV

Würde der Draht beim Glühen der Luft ausgesetzt sein, würde er sehr rasch verbrennen. Daher wird er in der Glühwendel Glühlampe besonders geschützt. Er befindet sich in einem Glasbehälter, der mit Schutzgas gefüllt ist. Früher wurde der Glasbehälter auch evakuiert. Auch so kann verhindert werden, dass die Glühwendel mit Luft in Berührung kommt. Glasbehälter

Glühwendel

Anschlussdrähte

Gewinde

Die Glühwendel wird von anderen Drähten gehalten, die in einer Halterung aus Glas stecken. An beiden Enden der Glühwendel befinden sich die Anschlussdrähte. Bei herkömmlichen Glühlampen führt ein Anschlussdraht zum Fußkontakt, der andere zum Gewinde, mit dem die Glühlampe in den Lampensockel geschraubt wird. Der Fußkontakt und das Gewinde sind gegeneinander isoliert.

Gewinde: schraubenförmiges Stück Sockel: fester Bauteil, auf dem ein anderer steht gegeneinander isolieren: so anordnen, dass kein Kontakt besteht Woran erkennst du, dass in einer Glühbirne nur ein geringer Anteil der Energie in Licht umgewandelt wird?

Wird in einer Glühlampe die Temperatur der Glühwendel zu hoch, dann verdampft ein Teil des Wolframs. Beim Abkühlen der Lampe wird das Wolfram wieder fest und bildet auf dem Glas eine dünne Metallschicht. Der Draht wird dabei immer dünner, bis er durchbrennt.

Wie unterscheiden sich Glühbirnen und Halogenlampen? In einer normalen Glühbirne wird die Wendel 2 000 bis 2 500 °C heiß. In einer Halogenlampe wird sie jedoch bis zu 2 800 °C heiß. Die Lebensdauer einer Glühbirne liegt bei etwa 1 000 Stunden, bei einer Halogenlampe beträgt sie bis zu 5 000 Stunden.

Allerdings wäre es durchaus wünschenswert, wenn die Glühwendel eine höhere Temperatur erreichen würde. Bei höherer Temperatur steigt nämlich die Lichtausbeute. Wird in den Glasbehälter das Halogen Iod beigemischt, so wird verhindert, dass sich eine Wolframschicht am Glas bildet. Vielmehr wird das Wolfram beim Abkühlen wieder auf der Glühwendel abgelagert.

Halogenlampe mit Reflektor: Dadurch wird das Licht nur in eine Richtung abgestrahlt.

Lampensockel Fußkontakt

Aufbau einer Glühbirne

Am Lampensockel, der auch Lampenfassung genannt wird, sind die beiden Drähte befestigt, die zur Stromquelle führen.

Oly

Halogenlampen

Halogenlampe

Elektrizität im täglichen Leben Leuchtstoﬄampen

ultraviolett

{

infrarot

{

violett

rot

fluoreszieren: Licht abgeben, wenn Strahlung auftriﬀt Reklame: Werbung

Eine ganz andere Methode zur LichtLeuchtstoﬀröhre erzeugung wird in Leuchtstoﬄampen verwendet. In einer Glasröhre befindet sich quecksilberdampf. Zwischen den beiden Elektroden an beiden Seiten der Röhre wird eine hohe Spannung angelegt. Dadurch wird der Quecksilberdampf ionisiert. Das dadurch entstehende Plasma gibt Strahlung ab.

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Die Strahlung, die das Quecksilber-Plasma abgibt, ist jedoch ultraviolette Strahlung oder UV-Strahlung, die nicht sichtbar ist. Eine spezielle fluoreszierende Beschichtung an der Innenfläche der Glasröhre wandelt die UV-Strahlung in sichtbares Licht um. Die elektrische Energie wird in einer Leuchtstofflampe wesentlich besser in Licht umgesetzt als in einer Glühbirne. Man sagt, sie hat einen höheren Wirkungsgrad. Für die Farbe des abgegebenen Lichts ist die Beschichtung entscheidend. Durch unterschiedliche Beschichtungen können viele verschiedene Farben erzeugt werden. Du kennst solche bunten Leuchtstofflampen sicherlich von der Leuchtreklame, die vor allem in der Nacht in Geschäftsstraßen zu sehen ist. Die Glasröhren von Leuchtstofflampen können auch gebogen werden. So stellt man auch leuchtende Buchstaben her.

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Was ist ultraviolette Strahlung? Das menschliche Auge kann die Farben des Regenbogens, das so genannte Spektrum, wahrnehmen. Diese Farben sind violett, blau, grün, gelb, orange und rot. Allerdings gibt es jenseits von violett und von rot auch noch Farben, die wir nicht sehen können. Diese nennt man „ultraviolett“ (ultra bedeutet „jenseits“, jenseits von violett) und „infrarot“ (infra bedeutet „unterhalb“, unterhalb von rot).

emittieren: abgeben, abstrahlen

Zum Ionisieren des Quecksilberdampfes ist eine höhere Spannung erforderlich als zum Betrieb der Lampe. Daher benötigt man einen zusätzlichen Starter, der eine höhere Spannung liefert, bis die Lampe „gezündet“ hat. Daher flackert eine Leuchtstoﬄampe beim Einschalten einige Male, bevor sie ständig Licht abgibt. Der Starter enthält auch einen elektronischen Bauteil, der den Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt, wie er für den Betrieb Leuchtstoﬄampe mit Starter erforderlich ist.

Energiesparlampen

Oly

Licht kann in einer Glühbirne durch einen sehr heißen Wolframdraht erzeugt werden. Es kann aber auch in einer Leuchtstoﬄampe durch ein ionisiertes Gas, ein Plasma, entstehen. Auch Halbleiter-Dioden (LEDs) können Licht abgeben. Leuchtstoﬄampen und LEDs werden auch als Energiesparlampen bezeichnet.

Energiesparlampen sind nichts anderes als Leuchtstoﬀlampen, deren Glasröhren so gebogen sind, dass sie nicht größer sind als normale Glühbirnen. Außerdem haben sie ein Gewinde, das in die Fassung einer üblichen Lampe passt. Die für das Starten des Plasmas erforderlichen Bauteile sind im Fuß der Lampe eingebaut.

Leuchtdioden

Lampe mit Leuchtdioden

Es gibt Halbleiter, die Licht abgeben, wenn Strom durch sie hindurchfließt. Aus ihnen lassen sich spezielle elektrische Bauteile, die Dioden, herstellen, die man zur Beleuchtung einsetzen kann. In solchen LEDs (Light Emitting Diode) wird die elektrische Energie noch besser in Licht umgesetzt als in Leuchtstoﬄampen. Daher werden sie ebenfalls in Energiesparlampen eingesetzt.

Elektrizität im täglichen Leben 65

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

1) Buchstabensalat – Ordne die Buchstaben, dann erhältst du die gesuchten Begriﬀe! Die Buchstaben in den farbigen Kästchen ergeben einen Lösungssatz. %%% erhitzt Flüssigkeiten:

ACEEHKORRSSW Hindernis für den elektrischen Strom:

Strahlungswärme:

AAFGHILNNORRRSTTU Halbleiter, der Licht erzeugt:

CDDEEHILOTU

erl

ADDEINRSTW

mp eV

verhindert das Verbrennen des Drahtes in einer Glühbirne:

ACGHSSTUZ

erzeugt Wärme durch Widerstand:

ADEHHIRTZ

wandelt Hitze in Licht um:

BEGHILNRÜ

Material in Glühbirnen:

AFLMORW

doppelt aufgewickelter Draht:

DDEEELLNOPPW

Umwandeln von Strahlung in Licht:

EEEFILNORRSUZ

erzeugt Licht aus Quecksilberdampf:

Oly

ACEEFFHLLMOPSTTU glättet mit Wärme die Wäsche:

BEEEGILNSÜ

verteilt die Wärme im Raum:

EKKINNOOTV

LÖSUNGSSATZ:

66 Elektrizität im täglichen Leben

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

2) Licht und Wärme – Finde heraus, um welche Geräte zur Erzeugung von Licht und Wärme es sich handelt! Trage ihre Namen und die Nummern der Abbildungen richtig ein! %% Meine Glühwendel aus Wolframdraht wird so heiß, dass sie Licht abgibt. Damit der Draht nicht verbrennt, bin ich mit Schutzgas gefüllt.

Was bin ich? ________________________

erl

In mir entsteht Licht in einem Halbleiter. Meist bin ich nicht alleine, sondern gebe gemeinsam mit anderen in einer Lampe Licht ab.

Damit mein Wolframdraht eine höhere Temperatur erreichen kann, befinden sich in meinem Inneren Spuren von Iod.

Ich gebe Wärme in Form von Strahlung ab. Dazu müssen meine Heizstäbe so heiß werden, dass sie zu glühen beginnen.

Was bin ich? ________________________

mp eV

Was bin ich? ________________________

Ich bestehe eigentlich nur aus einem Heizdraht, den man zum Erwärmen direkt in eine Flüssigkeit eintauchen kann.

Was bin ich? ________________________

In meinem Inneren befinden sich Heizdrähte. An meiner großen Oberfläche erwärmt sich die Luft und steigt auf.

Ein Gebläse befördert Luft auf meine Heizdrähte. So erzeuge ich warme Luft, mit der man seine Haare trocknen kann.

Was bin ich? ________________________

Oly

Ich erzeuge ein Plasma, das Licht abgibt. Leider brauche ich dazu ein wenig giftigen Quecksilberdampf.

3) Beantworte diese Frage zum Thema Energiesparen! %%%%

Warum nennt man Leuchtdioden und Leuchtstofflampen „Energiesparlampen“?

Elektrizität im täglichen Leben

14. KRAFT AUS STROM

In den letzten beiden Kapiteln hast du gelernt, dass man elektrische Energie in Wärme und Licht umwandeln kann. Man kann aber aus elektrischer Energie auch Bewegungsenergie gewinnen. Das Gerät, das diese Umsetzung der Energie durchführt, ist der Elektromotor.

Der Elektromotor

Magnet

Leiter

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Spule

In einem Elektromotor fließt Strom durch einen elektrischen Leiter, der mehrmals um einen Metallstab gewickelt ist. So einen aufgewickelten Leiter nennt man Spule. Rund um die Spule befindet sich ein Magnet. Sobald Strom durch den Leiter fließt, beginnt sich die Spule zu drehen. Wie das genau funktioniert, lernst du in der 4. Klasse.

mp eV

Es gibt Elektromotoren, die mit Gleichstrom betrieben werden. Andere benötigen für den Betrieb Wechselstrom. Allen gemeinsam ist, dass sie eine Drehbewegung erzeugen. Diese Drehbewegung wird in vielen Geräten direkt genutzt.

Elektromotor

Der Ventilator rotor

Motor

Am besten sieht man diese Drehbewegung bei einem Ventilator. Die Achse des Motors ist fest mit einem Rotor verbunden, der durch den Motor in Drehung versetzt wird und dadurch die Luft bewegt. Das Prinzip des Ventilators findest du in vielen Geräten wie beim Staubsauger oder beim Föhn. Aber auch in zahlreichen anderen Geräten, die während des Betriebs gekühlt werden müssen, sind kleine Ventilatoren enthalten.

So erzeugt z. B. in einem Computer ein kleiner Ventilator einen Luftstrom. Dieser sorgt dafür, dass die Wärme im Inneren abtransportiert wird und das Gerät nicht zu heiß wird. Solche in ein Gerät eingebaute Ventilatoren werden häufig auch Gebläse genannt.

Oly

Wie schnell dreht sich ein Elektromotor? Die Drehgeschwindigkeit von Elektromotoren hängt vor allem davon ab, wie die Spule aufgebaut ist. Je höher die Spannung ist, desto schneller dreht sich der Motor. Schon bei einer sehr geringen Spannung beginnt er sich langsam zu drehen. Man kann Motoren kaufen, die sich bis zu 300 000-mal pro Minute drehen.

Ventilator: leitet sich vom lateinischen Wort „ventilare“ ab, das „Wind erzeugen“ bedeutet Achse: Teil einer Maschine, an dem sich drehende Bauteile angebracht sind Überlegt, in welchen Geräten bei euch zu Hause Elektromotoren enthalten sind! Welche elektrischen Fahrzeuge kennst du? Inneres eines Computers mit Gebläse

Auch viele andere Geräte nutzen die Drehbewegung eines Motors direkt. Denke dabei an Haushaltsgeräte wie einen Mixer! Zahlreiche Werkzeuge wie Bohrmaschinen oder Kreissägen werden ebenfalls durch Elektromotoren angetrieben.

Bohrmaschine

Fahrzeuge, die durch elektrischen Strom angetrieben werden, haben häufig ein Getriebe. Dieses sorgt dafür, dass die Umdrehungsgeschwindigkeit der Räder eine andere ist als die des Motors.

Kreissäge

Elektrizität im täglichen Leben Umsetzung der Drehbewegung

Auch eine Stichsäge wird durch einen Elektromotor angetrieben. Allerdings bewegt sich dabei das Sägeblatt nicht im Kreis, sondern auf und ab. Die Drehbewegung wird durch eine Pleuelstange in eine Hubbewegung umgesetzt.

Hubbewegung: Bewegung, mit der etwas gehoben wird

Die Leistung eines Elektromotors

Elektromotoren werden in sehr vielen Maschinen und Geräten eingesetzt. Je nachdem, wozu sie verwendet werden, sind sie unterschiedlich groß und haben eine unterschiedliche Leistung. Die Leistung eines Motors wird in Watt angegeben. Kleine Motoren, wie sie z. B. in Spielzeuglokomotiven eingesetzt werden, haben eine Leistung von unter 1 W. Echte Lokomotiven brauchen etwas mehr Leistung. Der Elektromotor der derzeit stärksten Lokomotive der Welt hat eine Leistung von fast 10 Mio. Watt.

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Winde: Vorrichtung zum Ziehen von Lasten

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Eine Pleuelstange setzt eine Drehbewegung in eine Hubbewegung um.

Eine andere Möglichkeit, die Drehbewegung eines Elektromotors in eine Hubbewegung zu übertragen, ist das Aufwickeln eines Seils auf eine Rolle. Auf diese Weise wird bei den meisten Kränen die Kraft eines Elektromotors eingesetzt, um schwere Lasten in die Höhe zu heben. Auch an manchen Autos, vor allem an Geländewägen oder an Feuerwehrwägen, findet man solche Winden.

Wo überall werden Elektromotoren eingesetzt? Elektromotoren sind allgegenwärtig. Sie sind in vielen Elektrogeräten zu finden.

Winde an einem Geländewagen Wofür benötigen Geländewägen eine Winde? Was macht die Feuerwehr damit?

Laser: Gerät, das eng gebündelte Lichtstrahlen mit nur einer Farbe erzeugt

Auch ein Drucker enthält mehrere kleine Motoren. Diese versetzen die Walzen in Bewegung, ziehen das Papier ein und kühlen durch ein Gebläse das Papier wieder ab, nachdem es beim Aufbringen der Druckerfarbe erhitzt worden ist.

Oly

Walze: Rolle

Hast du dich schon einmal gefragt, wie ein DVD-Player funktioniert? Die silberne Scheibe, auf welcher der Film gespeichert ist, wird beim Abspielen in Drehung versetzt, während die Oberfläche mit einem Laser abgetastet wird. Diese Aufgabe erledigt ein kleiner Elektromotor.

Lüftungsschlitz: Öﬀnung, durch die Luft zugeführt wird

Ein Elektromotor setzt die elektrische Energie in die Bewegungsenergie einer Drehbewegung um. Die Leistung des Motors hängt vom Aufbau des Motors und von der Spannung ab.

Laser

Elektroantrieb

Wenn du deine Hand seitlich an die Lüftungsschlitze eines Laptops hälst, wirst du spüren, dass warme Luft austritt. Ein kleiner von einem Elektromotor angetriebener Ventilator bläst Luft durch das Gerät und kühlt es auf diese Weise ab.

Auch in einem Auto kommen zahlreiche Elektromotoren zum Einsatz. Diese befinden sich z. B. im Fensterheber, im Scheibenwischer oder in der Lüftung des Fahrzeugs. Die elektrische Energie dafür wird in der Lichtmaschine erzeugt.

Elektrizität im täglichen Leben

15. DER WIRKUNGSGRAD ELEKTRISCHER GERÄTE

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Woher kommt die Hitze der Glühbirne?

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Wie du schon gehört hast, strahlt die Glühwendel deshalb Licht ab, weil sie sehr heiß ist. Das heißt, es ist notwendig, die Glühwendel zu erhitzen, damit sie Licht gibt. Zum Erhitzen ist aber Energie erforderlich. Ein Teil dieser Energie wird dann in Form von Licht abgegeben. Trotzdem geht auch die Energie, mit der die Wärme erzeugt wird, verloren. Diese Wärme bleibt nämlich nicht in der Glühbirne, sondern wird zum Großteil an die Umgebung abgegeben. Dadurch wird die Glashülle der Glühbirne heiß.

Die Lichtenergie, die eine Glühbirne abgibt, ist viel geringer als die elektrische Energie, die zur Erzeugung dieses Lichts eingesetzt wird. Die Energiemenge, die nicht in Licht umgewandelt wird, geht in Form von Wärmeenergie „verloren“. Daher spricht man von Energieverlust. Das Verhältnis zwischen der Lichtenergie und der eingesetzten elektrischen Energie ist der Wirkungsgrad. Im Durchschnitt braucht man für die Erzeugung von Licht mit einer Leistung von 2 W in einer Glühbirne eine elektrische Leistung von 100 W. Das Verhältnis zwischen den beiden Leistungen ist daher 2:100. Die Rechnung ergibt einen Wert von 0,02. Der Wirkungsgrad wird immer in Prozent angegeben. 0,02 sind 2 %. Der Wirkungsgrad einer elektrischen Glühbirne ist also 2 %. Ganz allgemein ist der Wirkungsgrad das Verhältnis zwischen genutzter und eingesetzter Energie und wird mit dem griechischen Buchstaben η (Eta) abgekürzt: genutzte Energie

Womit beleuchtet ihr zu Hause die Wohnung? Kann Energie verloren gehen? Denke an den Energieerhaltungssatz, den du schon in der 2. Klasse kennengelernt hast!

eingesetzte Energie

Oly

Wirkungsgrad η =

Was sagt der Wirkungsgrad bei Leuchtmitteln wirklich aus? Der Wirkungsgrad bezieht sich nur auf den Energieverlust im Betrieb des Leuchtmittels. Ein Leuchtmittel mit einem höheren Wirkungsgrad muss nicht unbedingt energiesparender sein als andere. Vor allem LEDs benötigen zur Herstellung sehr viel Energie und sind in der Anschaffung teurer. Die Energie und die Kosten, die man im Betrieb einspart, können manchmal geringer sein als der Energieverbrauch bei der Herstellung und die Anschaffungskosten. Außerdem sind Leuchtstoffröhren und Energiesparlampen teuer in der Entsorgung, da sie Sondermüll sind.

Maximilian sitzt an seinem Schreibtisch und macht seine Hausübung. Dabei hat er seine Schreibtischlampe eingeschaltet. Plötzlich wird es finster. Maximilian greift nach der Glühbirne, um zu überprüfen, ob sie vielleicht locker geworden ist. Doch gleich zuckt er zurück, die Glühbirne ist viel zu heiß, um sie angreifen zu können.

Andere Methoden zur Erzeugung von Licht haben einen anderen Wirkungsgrad als die Glühbirne. Die folgende Tabelle zeigt dir die Wirkungsgrade verschiedener Leuchtmittel: LEUCHTMITTEL

Halogenlampe

WIRKUNGSGRAD

Glühbirne

Halogenlampe

Leuchtstoﬀröhre/Energiesparlampe

12 %

Leuchtdiode (LED)

12 %

Energiesparlampe

LED-Lampe

Elektrizität im täglichen Leben Der Wirkungsgrad bei der Wärmeerzeugung

Im Prinzip wird die gesamte elektrische Energie in Wärmeenergie umgewandelt. Als Wirkungsgrad verstehen wir den Prozentanteil an Wärmeenergie, den wir nutzen können. Der Rest kann nicht genutzt werden und ist daher für uns verloren. Elektroherd

genutzte Wärmeenergie

Bei einem Elektroherd entsteht die Wärme in der Heizwendel der Kochplatte. Ein Teil dieser Wärme wird dazu genutzt, das Kochgeschirr zu erwärmen. Aber ein anderer Teil kann nicht genutzt werden, weil das Kochgeschirr seitlich die Platte nicht abdecken kann. Der Wirkungsgrad einer solchen Herdplatte liegt bei etwa 60 %.

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Ist das Kochen mit einem Induktionsherd gefährlich? Der Strom, der im Kochgeschirr entsteht, ist nicht gefährlich. Da der Strom nur in kleinen Bereichen des Topfes fließt, kannst du dich nicht elektrisieren, wenn du ihn berührst. Allerdings bewirkt der Strom in der Spule, dass auch in anderen Gegenständen Strom zu fließen beginnt. Für Personen, die z. B. einen Herzschrittmacher tragen, kann das gefährlich werden.

Doch was versteht man unter dem Wirkungsgrad eines solchen Gerätes?

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Bei einem Gasherd strömt viel Wärme seitlich am Kochtopf vorbei. Daher ist sein Wirkungsgrad nur 30 bis 40 %.

Fließt elektrischer Strom durch einen Widerstandsdraht, entsteht Wärme. Bei der Glühbirne entsteht zusätzlich noch ein wenig Licht. Aber gerade die Wärmeentstehung wird in vielen Geräten genutzt: Beim elektrischen Herd, bei der Warmwassererzeugung oder beim Heizen eines Raumes. Auch diese Geräte haben einen Wirkungsgrad.

Bei einem Tauchsieder umgibt das Wasser, das erwärmt werden soll, den Widerstandsdraht des Gerätes von allen Seiten. Daher wird alle Wärme, die entsteht, ins Wasser abgegeben. Der Wirkungsgrad eines Tauchsieders liegt deshalb bei fast 100 %.

Der Glaskeramik-Herd

Glaskeramik-Kochfeld

Tauchsieder

Bei einem Herd mit einem Glaskeramik-Kochfeld wird die Wärme nicht direkt auf die Pfanne übertragen. Die Wärmeübertragung erfolgt durch Wärmestrahlung. Die Heizwendel im Kochfeld kann dabei besser gegen die Abstrahlung zur Seite geschützt werden. Daher ist der Wirkungsgrad eines Glaskeramik-Herdes höher als der einer normalen Kochplatte. Er liegt bei etwa 65 %.

Der Induktionsherd

Ein Induktionsherd sieht so ähnlich aus wie ein Glaskeramik-Herd, funktioniert aber ganz anders. Die Wärme entsteht nicht in der Kochplatte, sondern direkt im Kochtopf. Im Inneren der Kochplatte befindet sich eine Spule, durch die der Strom fließt. Der Strom in der Spule bewirkt, dass auch im Metall des Kochtopfs Strom zu fließen beginnt. Durch den Widerstand im Kochtopf entsteht die Wärme und zwar nicht nur im Boden des Topfes, sondern auch in den Seitenwänden. So kann die Wärme besser genutzt werden. Der Wirkungsgrad eines Induktionsherdes liegt bei etwa 70 %. Allerdings funktioniert er nur mit Kochgeschirr aus Metall.

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Überlegt gemeinsam! Was geschieht, wenn man unter einen Kochtopf auf einem Induktionsherd ein Blatt Papier legt?

nicht genutzte Wärmeenergie

Welches Geschirr ist für einen Induktionsherd geeignet? Töpfe und Pfannen müssen aus ferromagnetischem Material bestehen. Töpfe aus Kupfer oder Aluminium sind nicht geeignet. Du kannst das selbst testen: Haftet ein Magnet an einem Topf, dann ist er geeignet.

Inneres eines Induktionsherdes

Elektrizität im täglichen Leben

Elektroheizung und Warmwasser

Elektrischer Boiler und Heizkörper

Wirkungsgrad von Elektromotoren

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Auch bei einem Warmwasserspeicher, der oft auch Boiler genannt wird, liegt der Wirkungsgrad nahe bei 100 %. Dazu muss er allerdings eine sehr gute Isolierung besitzen, da sonst die Wärme des Wassers in den Raum abgegeben wird.

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Der Wirkungsgrad von Elektromotoren hängt sehr stark von ihrer Größe und von ihrer elektrischen Leistung ab. Kleinere Motoren, wie du sie in vielen Spielsachen oder Haushaltsgeräten kennst, haben einen Wirkungsgrad zwischen 50 und 70 %. Starke Motoren mit einer Leistung von über 1 000 W erreichen einen Wirkungsgrad von bis zu 98 %. Die Energie, die nicht genutzt werden kann, geht bei Elektromotoren in Form von Reibungsenergie verloren. Dabei erwärmen sich die Lager der drehbaren Teile des Motors. Getriebe

Elektromotor

Allerdings hängt der gesamte Wirkungsgrad eines mit Strom betriebenen Gerätes nicht nur vom Wirkungsgrad des Elektromotors ab. Bei einer Bohrmaschine geht ein Teil der Energie im Getriebe verloren, da auch hier Reibung zwischen den einzelnen Teilen des Getriebes auftritt.

Wie berechnet man den Gesamtwirkungsgrad?

Den Gesamtwirkungsgrad eines Gerätes berechnet man, indem man die Wirkungsgrade der einzelnen Bestandteile miteinander multipliziert.

Oly

Der Wirkungsgrad des Elektromotors einer Bohrmaschine beträgt 70 %. Im Getriebe gehen etwa 10 % der mechanischen Energie, die der Elektromotor liefert, verloren. Sein Wirkungsgrad ist also 90 %. Der Gesamtwirkungsgrad berechnet sich daher wie folgt:

η (Motor) = 70 % =

70 100

= 0,7

70 = 0,9 100 η (gesamt) = 0,7 • 0,9 = 0,63 = 63 % η (Getriebe) = 90 % =

Gefahren bei Warmwasserspeichern Wenn Warmwasserspeicher nicht regelmäßig benutzt werden, bleibt das Wasser darin häufig für eine lange Zeit im Behälter. Krankheitserregende Mikroorganismen können sich im abgestandenen Wasser vermehren. Um diese abzutöten, muss die Wassertemperatur im Speicher mindestens 60 °C betragen.

Ein elektrischer Heizkörper, der direkt in einem Wohnraum steht, wirkt wie ein Tauchsieder. Die gesamte entstehende Wärme wird in den Raum abgegeben. Daher ist sein Wirkungsgrad beinahe 100 %.

Der Gesamtwirkungsgrad einer Bohrmaschine ist somit 63 %. Das bedeutet, dass nur 63 % der eingesetzten elektrischen Energie auch für das Bohren zur Verfügung stehen.

Sprecht im Biologieunterricht darüber: Welche Mikroorganismen könnten sich in einem Warmwasserspeicher vermehren? Welche davon können gefährlich sein? Lager: Bauteil eines Gerätes, in dem sich andere Teile des Gerätes bewegen

Das richtige Gerät zum Bohren Wie bei vielen anderen Geräten auch, sollte man darauf achten, beim Bohren die richtige Bohrmaschine zu verwenden. Für das Bohren in Holz reicht es, dass sich der Bohrer nur dreht. Will man jedoch ein Loch in eine Wand bohren, dann sollte man eine Schlagbohrmaschine verwenden. Diese führt zusätzlich zur Drehbewegung auch eine schlagende Bewegung aus, mit der das Material der Wand zerschlagen wird.

Elektrizität im täglichen Leben Andere Wirkungsgrade

Biomasse: hier R tierische oder pflanzliche Materialien, die zur Energiegewinnung genutzt werden

Meist wird ein Haus mit Gas, Öl, Kohle oder Holz beheizt. Dabei wird die chemische Energie, die im Heizmaterial steckt, in Wärme umgewandelt. Je nachdem, was als Heizmaterial verwendet wird, gibt es unterschiedliche Wirkungsgrade. Eine Liste möglicher Heizungsarten und ihre Wirkungsgrade findest du in der Seitenspalte. Energie zum Betreiben von Geräten kann man nicht nur aus elektrischem Strom beziehen. In den meisten Autos wird die Antriebsenergie durch das Verbrennen von Benzin oder Diesel gewonnen. Diese Motoren haben aber einen geringeren Wirkungsgrad als Elektromotoren. Benzinmotoren erreichen einen Wirkungsgrad von etwa 30 %, Dieselmotoren von bis zu 40 %.

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Heizungsarten und ihre Wirkungsgrade: Ölheizung: 80 – 90 % Gasheizung: 80 – 90 % Kohleofen: 30 – 50 % Pelletheizung: 70 – 85 % oﬀener Kamin: 10 – 30 % Kachelofen: 60 – 75 % Lagerfeuer: unter 15 %

Dampfmaschinen, wie sie früher zum Antrieb von Lokomotiven verwendet wurden, haben einen Wirkungsgrad von lediglich 10 %. Moderne Dampfturbinen, wie sie in Kraftwerken eingesetzt werden, um elektrischen Strom zu erzeugen, bringen es auf einen Wirkungsgrad von bis zu 40 %.

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Fernwärme: Wärmeenergie, die zum Heizen von Häusern und Wohnungen oft über weite Strecken transportiert wird

Wirkungsgrad und Energiesparen Der Wirkungsgrad eines Elektrogerätes sagt nur aus, welcher Anteil der eingesetzten Energie genutzt wird. Man muss jedoch auch immer bedenken, dass bei der Stromerzeugung und beim Stromtransport viel Energie verloren geht.

Dampflokomotive

Wirkungsgrad bei der Stromerzeugung Auch bei der Erzeugung elektrischer Energie kann man einen Wirkungsgrad angeben. Denke dabei an ein Wasserkraftwerk, das die potentielle Energie von Wasser über eine Turbine in elektrische Energie umsetzt. Der Wirkungsgrad gibt dabei an, wie viel von dieser potentiellen Energie in elektrische Energie umgewandelt werden kann.

Bei Wärmekraftwerken gibt der Wirkungsgrad an, wie viel der chemischen Energie, die in Holz, Kohle oder Biomasse enthalten ist, genutzt werden kann. Dieser Wirkungsgrad ist geringer, als wenn man diese Stoﬀe zur Heizung eines Hauses oder einer Wohnung verbrennen würde. Es wird in diesem Fall nur von dem Anteil der Energie ausgegangen, der in elektrischen Strom umgewandelt wird. Die Wärme, die zusätzlich entsteht, wird häufig als Fernwärme genutzt. Da sie aber nicht als Elektrizität genutzt wird, gilt sie im Kraftwerk als „verlorene Energie“.

Oly

Der Wirkungsgrad gibt an, welcher Anteil der eingesetzten Energie genutzt wird. Den Gesamtwirkungsgrad eines Gerätes erhält man, wenn man die Wirkungsgrade der einzelnen Bestandteile multipliziert. Der Wirkungsgrad bei der Stromerzeugung gibt an, welcher Anteil der eingesetzten Energie in elektrische Energie umgewandelt wird.

Automotor

KRAFTWERK

WIRKUNGSGRAD

Wärmekraftwerk (mit Kohle betrieben)

25 – 50 %

Wasserkraftwerk

80 – 90 %

Kernkraftwerk

35 %

Biomassekraftwerk

30 %

Zusätzlich zum Wirkungsgrad des Kraftwerkes muss man auch noch die Energieverluste berücksichtigen, die beim Transport des elektrischen Stroms vom Kraftwerk bis zum Endverbraucher auftreten. Diese betragen zwischen 5 und 10 %.

Elektrizität im täglichen Leben 73

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

mp eV

erl

1) Motorsuche – Kreuze an, in welchen dieser Geräte sich ein Elektromotor befindet! Dann trage deren Namen in das Gitterbastelrätsel ein!%%

2) Für Experten/Expertinnen: Berechne diese Wirkungsgrade in deinem Heft und notiere hier deine Ergebnisse! %%%

Oly

Die Sonnenenergie, die im Durchschnitt pro Stunde auf jeden m² der Erdoberfläche eintrifft, beträgt etwa 1,3 kWh. Eine Solarzelle liefert in einer Stunde pro m² eine elektrische Energie von bis zu 0,26 kWh. Wie hoch ist der Wirkungsgrad einer Solarzelle?

Auch Pflanzen nutzen die Sonnenenergie und speichern sie durch Fotosynthese in Form von chemischer Energie. Pro m² Blattfläche können in einer Stunde etwa 13 Wh gespeichert werden. Wie hoch ist der Wirkungsgrad der Fotosynthese?

η = _________ %

Menschen nutzen die chemische Energie in Nahrungsmitteln, um Arbeit zu verrichten. Wenn durch die Nahrung 1 000 kJ an Energie aufgenommen werden, kann damit durch Muskelkraft Arbeit von etwa 250 kJ verrichtet werden. Wie hoch ist der Wirkungsgrad des Menschen? η = _________ %

Beim Aufladen eines Handy-Akkus wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt, die später wieder in elektrische Energie zurückverwandelt werden kann. Dabei gehen etwa 10 % der Energie verloren. Wie hoch ist der Wirkungsgrad beim Akku-Laden?

η = _________ %

74 Elektrizität im täglichen Leben

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

3) Primärenergie und Endenergie – Lies zuerst diesen Informationstext! Dann beantworte die folgenden Fragen zur Energiewirtschaft! %%%%

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INFO * INFO * INFO * INFO * INFO * INFO * INFO * INFO * INFO * INFO * INFO Die Primärenergie ist die Energie, die in natürlichen Energiequellen zur Verfügung steht. Dabei kann es sich um Kohle, Erdgas, Erdöl, Sonnenenergie, Windenergie, Wasserkraft, aber auch um Kernenergie handeln. Um die Primärenergie nutzbar zu machen, wird sie in Sekundärenergie umgewandelt. So entsteht in Kraftwerken aus Primärenergie elektrischer Strom, der über weite Strecken befördert werden kann. Aber auch Benzin oder Diesel, die aus Erdöl hergestellt werden, sind Quellen für Sekundärenergie. Die Endenergie ist schließlich jene Energie, die beim Endverbraucher ankommt und von diesem genutzt werden kann. Endenergie kann einerseits – wie elektrischer Strom aus einem Kraftwerk – aus Sekundärenergie stammen, sie kann aber – wie das Erdgas zum Kochen und Heizen – auch direkt aus Primärenergiequellen gewonnen werden.

Kreuze an, bei welchen Energiequellen es sich um Primärenergiequellen handelt! Kohle



Elektrizität



Benzin



Wasserkraft

mp eV



Wie nennt man die Energie, die im Haushalt genutzt wird? _______________________________

Kann Primärenergie direkt genutzt werden?



 nein

Wo wird Primärenergie in Sekundärenergie umgewandelt? ____________________________ 4) Gesamtwirkungsgrad – Ermittle, wie viel % der Primärenergie tatsächlich genutzt werden! %%%% a) In einem Wärmekraftwerk wird aus Kohle elektrischer Strom gewonnen. Der Wirkungsgrad des Kraftwerks ist 40 %. Auf dem Weg vom Kraftwerk zur Wohnung gehen in der Leitung etwa 10 % verloren. In der Wohnung wird eine Energiesparlampe mit einem Wirkungsgrad von 10 % betrieben.

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Wie viel % der in der Kohle enthaltenen Energie werden als Lichtenergie genutzt? η = _________ %

b) Auf dem Dach eines Hauses sind Fotozellen angebracht, die etwa 20 % der einfallenden Sonnenenergie in elektrischen Strom umwandeln. Durch die kurze Leitung ins Innere des Hauses geht kein Strom verloren. Im Haus wird eine elektrische Bohrmaschine mit einem Wirkungsgrad von 60 % betrieben.

η = _________ %

Wie viel % der Sonnenenergie werden beim Bohren in mechanische Energie umgesetzt?

Elektrizität im täglichen Leben

Was sind 3-polige Kabel? Die drei Einzelkabel, aus denen ein Anschlusskabel eines Gerätes besteht, bezeichnet man auch als „Pole“. Daher heißt so ein Kabel „3-poliges Kabel“.

erl

Hast du dir schon einmal ein Kabel genauer angesehen, mit dem elektrische Geräte an das Stromnetz angeschlossen werden? Es besteht meist aus drei einzelnen Kabeln, die in einer gemeinsamen Schutzhülle aus Kunststoﬀ stecken. Die drei Einzelkabel setzen sich meist aus vielen einzelnen sehr dünnen Drähten – den Litzen – zusammen, die wieder in Schutzhüllen mit unterschiedlichen Farben stecken.

16. ELEKTRISCHE INSTALLATIONEN UND SCHUTZMASSNAHMEN

Die Schutzhüllen dienen der Isolierung, damit der elektrische Strom nicht aus einem Kabel austreten kann. Zusätzlich hält die Isolierung der Einzelkabel die feinen Kupferlitzen zusammen. Weil die Kabel aus vielen Litzen bestehen, werden sie biegsam. Daher kann man ein elektrisches Kabel leicht aufrollen und in jeder beliebigen Form hinlegen.

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Doch warum haben die Kabel unterschiedliche Farben?

In einem Kabel kannst du ein gelb-grünes, ein blaues und ein braunes Einzelkabel sehen. Manchmal ist statt des braunen ein schwarzes Kabel vorhanden. Diese Farben findest du auch im Stromnetz des Hauses oder der Wohnung. Die unterschiedlich gefärbten Kabel erfüllen unterschiedliche Aufgaben: BRAUN/SCHWARZ: Dieses Kabel ist ständig mit dem Kraftwerk verbunden. Wenn du ein Gerät einschaltest, dann fließt durch dieses Kabel Strom. Man nennt es die „Phase“.

Was ist ein Phasenprüfer? Ein Phasenprüfer besteht aus einem großen Widerstand, einem Lämpchen und einem Kontakt am hinteren Ende. Berührst du mit der Spitze dieses Schraubenziehers die Phase und gleichzeitig mit dem Finger den Kontakt, leuchtet das Lämpchen auf. Der Strom, der durch deinen Körper fließt, ist ungefährlich.

BLAU: Dieses Kabel führt nur dann Strom, wenn du ein Gerät einschaltest und damit den Stromkreis schließt. Man nennt es den „Nullleiter“. GELB-GRÜN: Dieses Kabel nennt man „Erdung“. Es dient der Sicherheit. Normalerweise fließt durch die Erdung kein Strom. Nur wenn das Gerät defekt ist, schützt die Erdung dich vor einem elektrischen Schlag.

Oly

Wenn du den Stecker eines Gerätes in eine Steckdose steckst, dann werden die einzelnen Leiter des Gerätekabels mit den entsprechenden Leitern der Hausinstallation verbunden. Wird das Gerät eingeschaltet, dann schließt sich der Stromkreis zwischen der Phase und dem Nullleiter und Strom fließt.

Es kann passieren, dass ein Kabel in einem Gerät schadhaft wird und der blanke Kupferdraht eines Kabels mit dem Gehäuse in Berührung kommt. Enthält das Gehäuse Teile aus Metall, dann könntest du dich elektrisieren, wenn du es berührst. Daher gibt es zusätzlich die Erdung. Sie ist mit dem Gehäuse des Gerätes verbunden und leitet dann den Strom ab. Geräte, die kein Metallgehäuse haben, brauchen diese Erdung nicht. Die Anschlusskabel solcher Geräte bestehen nur aus zwei Einzelkabeln.

Zweipoliges Gerätekabel

defekt: schadhaft blank: unbedeckt Was hat die Erdung mit der Erde zu tun? Im Fundament eines Hauses befinden sich Metallbänder, die mit der Erdungsleitung des Hauses verbunden sind. Fließt Strom durch die Erdung, dann wird dieser durch diese Bänder in den Erdboden abgeleitet. Der Strom fließt dann durch die Erde zurück zum Kraftwerk.

Fundament: Grundmauern, auf denen ein Haus aufgebaut ist

Elektrizität im täglichen Leben Schutzmaßnahmen im Haushalt

ACHtuNg

Eine durchgebrannte Schmelzsicherung muss ausgetauscht werden. Sie darf niemals repariert werden!

An der Stelle, wo die elektrische Hauptleitung in das Haus oder die Wohnung kommt, befindet sich ein Schutzschalter im Stromkreis. Dieser Schalter – kurz FI genannt – vergleicht die Stromstärken der Phase und des Nullleiters. Stimmen die beiden nicht überein, dann „fehlt irgendwo Strom“, weil im Haushalt ein Gerät defekt ist, sodass ein Teil des Stroms über die Erdung abfließt. Der FI unterbricht dann innerhalb von Sekundenbruchteilen den Stromkreis.

Sicherungen

Je mehr Strom durch einen Leiter fließt, desto wärmer wird er aufgrund des elektrischen Widerstands. Fließt zu viel Strom, kann er so heiß werden, dass er durchbrennt. Der Widerstand eines Leiters hängt aber auch von seinem querschnitt ab. Je dicker eine Leitung ist, desto höher darf die Stromstärke sein, die gefahrlos hindurchfließen kann. Um sicherzustellen, dass nicht zu viel Strom hindurchfließt, werden Sicherungen in den Stromkreis eingebaut. Bei einer Schmelzsicherung fließt der Strom durch einen dünnen Schmelzdraht, der durch einen mit Sand gefüllten Hohlkörper aus Porzellan führt. Übersteigt die Stromstärke einen gewissen Wert, dann schmilzt dieser Draht. Das färbige Kennplättchen am Ende des Drahtes fällt heraus und der Stromkreis ist unterbrochen.

Stromleitung ins Haus

Schraubkappe

Haltedraht

Stromleitung vom kraftwerk

Sicherungseinsatz Fassung (ﬁx montiert)

Farben der Kennplättchen: 6A

10 A 16 A 20 A 25 A 35 A

Schmelzdraht

Sand Porzellanmantel färbiges kennplättchen

Es gibt Schmelzsicherungen für unterschiedliche Stromstärken. Welche Sicherung verwendet wird, hängt vom querschnitt des Drahtes des Stromkreises ab. Die Leitungen in Häusern und Wohnungen haben meist einen Querschnitt von 2,5 mm². Sie werden mit Sicherungen geschützt, die eine maximale Stromstärke von 16 A zulassen.

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Sicherungen

Der Fehlerstromschutzschalter: FI-Schalter

mp eV

Wie häufig wird bei dir zu Hause der FI überprüft?

Elektrischer Strom kann sehr gefährlich werden. Gerätst du in den Stromkreis, dann kann das lebensbedrohend sein. Defekte elektrische Leitungen in Geräten können auch zu Bränden führen. Zum Schutz ist daher eine Reihe von Maßnahmen vorgeschrieben. Diese müssen in jedem Haushalt vorhanden sein.

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Der FI muss regelmäßig überprüft werden! Zumindest 2-mal im Jahr sollte man überprüfen, ob der FI auch ordnungsgemäß funktioniert. Dazu gibt es eine eigene Taste (im Bild rot markiert), mit der man den FI probeweise auslösen kann. Um ihn danach wieder einzuschalten, drückt man auf den grünen Knopf.

Schmelzsicherungen für unterschiedliche Stromstärken

Die Sicherungen unterscheiden sich äußerlich durch einen unterschiedlichen Durchmesser, sodass keine zu starke Sicherung in den Sicherungseinsatz geschraubt werden kann. Außerdem gibt die Farbe des Kennplättchens an, für welche Stromstärke die Sicherung vorgesehen ist.

Elektrizität im täglichen Leben

Stromkreise im Haushalt

Schmelzsicherungen

Sicherungsautomaten

Beschriftung der Stromkreise

Was passiert bei einem Kurzschluss? Kommen Phase und Nullleiter direkt miteinander in Kontakt, dann spricht man von einem Kurzschluss. Die Stromstärke steigt dann sehr stark an. Würde die Sicherung nicht die Stromstärke begrenzen, könnte die Leitung zu heiß werden.

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Meist gibt es in einem Haushalt nicht nur einen Stromkreis, sondern mehrere. Die Lampen hängen im Allgemeinen an einem anderen Stromkreis als die Steckdosen. Oft gibt es unterschiedliche Stromkreise für den Keller und die einzelnen Stockwerke eines Hauses. Dadurch ist es nicht notwendig, dass in einem einzelnen Stromkreis eine zu hohe Stromstärke fließt. Die Leitungen können deshalb auch dünner sein. Zusätzlich können bei Reparaturen einzelne Stromkreise abgeschaltet werden, ohne dass im gesamten Haushalt der Strom ausfällt. Starke Stromverbraucher wie Elektroherd, Waschmaschine oder Backrohr haben zudem im Allgemeinen einen eigenen Stromkreis.

Sicherungskasten

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Die Sicherungen, mit denen die Stromkreise geschützt werden, sind jedoch meist keine Schmelzsicherungen sondern Sicherungsautomaten. Bei diesen Sicherungen fließt der Strom durch einen Bimetallstreifen. Wird die Stromstärke zu hoch und der Bimetallstreifen zu warm, dann krümmt sich der Streifen und unterbricht den Stromkreis. Sobald er wieder abgekühlt ist, kann die Sicherung wieder eingeschaltet werden.

Sicherungsautomat

Hauptsicherung (Schmelzsicherung)

Diskutiert in der Klasse! Warum gibt es mehrere Stromkreise? Was sind die Vorteile? krümmen: sich verbiegen

Bimetallstreifen

Sicherungsautomaten für Stromkreise

Beleuchtung Steckdosen E-Herd

Waschmaschine

Stromzähler

Erdung

Stromkreise in einem Haushalt

Innenansicht eines Sicherungsautomaten KFZ: Kraftfahrzeug

Spezielle Sicherungen

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Auch die Stromkreise in einem Auto werden durch Schmelzsicherungen abgesichert, damit bei einem Defekt oder bei einem Unfall kein zu hoher Strom durch die Leitungen fließt. Die Farben der KFZ-Sicherungen geben die maximale Stromstärke an.

Sicherungen und FI schützen den Menschen vor den Gefahren des elektrischen Stroms. Geräteschutzsicherungen oder Feinsicherungen schützen elektrische Geräte. Sie verhindern, dass ein zu hoher Strom durch ein Gerät fließt, der es beschädigen könnte. Auch diese Sicherungen sind Schmelzsicherungen.

Elektrische Leitungen sind von einer Isolierung umgeben. Man unterscheidet die Phase, den Nullleiter und die Erdung. Der Fehlerstromschutzschalter (FI) unterbricht den Stromkreis bei Defekten in elektrischen Geräten. Die Sicherung begrenzt die Stromstärke.

Elektrizität im täglichen Leben

17. GEFAHREN DES STROMS

Der elektrische Strom bringt uns in vielen Bereichen des Lebens Vorteile. Aber wenn man unachtsam mit ihm umgeht, kann er auch sehr gefährlich sein. Wie gefährlich Strom für den Menschen sein kann, hängt stark von der elektrischen Spannung ab. Elektrischer Strom ab einer Spannung von 50 V kann tödlich sein!

ACHTUNG! 230 V

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Das elektrische Stromnetz, an das auch alle Steckdosen in Häusern und Wohnungen angeschlossen sind, hat eine Spannung von 230 V.

ACHTUNG! Das Berühren einer elektrischen Leitung bedeutet Lebensgefahr!

Sicherheit im Umgang mit elektrischen Geräten

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Bevor du ein elektrisches Gerät in Betrieb nimmst, lies unbedingt die Gebrauchsanweisung durch und beachte die Sicherheitshinweise! Sei vorsichtig, wenn du Geräte im Ausland kaufst oder im Internet bestellst! In vielen Ländern hat das Stromnetz eine andere Spannung als in Österreich und der Betrieb eines Gerätes aus so einem Land kann sehr gefährlich sein.

Dieses Gefahrenzeichen gilt weltweit und warnt vor elektrischem Strom.

Gefahren im Haushalt

Spiele nie mit Steckdosen!

Wie kann man Steckdosen sicherer machen? Betrachte das Bild! Hier ist bereits eine Schutzvorrichtung zu sehen.

ACHtuNg

Sei vorsichtig, wenn du einen Stecker aus der Steckdose ziehst!

Halte beim Herausziehen mit einer Hand den Abdeckrahmen der Steckdose fest und zieh mit der anderen Hand direkt am Stecker. Wenn du zu stark an der Steckdose ziehst, könnte sonst die Dose aus der Wand brechen. Wenn du am Kabel ziehst, anstatt am Stecker, kann die Steckdose beschädigt werden oder das Kabel aus dem Stecker gerissen werden. Dann liegen die Drähte frei und du kannst in den Stromkreis kommen.

Oly

Repariere schadhafte Isolierungen nie selbst! Ein beschädigtes Kabel an einem Elektrogerät muss von einem Fachmann ausgetauscht werden! Auf keinen Fall darfst du es selbst reparieren, indem du einfach Klebeband darüber wickelst.

Im Inneren einer Steckdose befinden sich Drähte, die mit dem Stromnetz in Verbindung stehen. Wenn du spitze Gegenstände in die Steckdose steckst und dabei die Drähte berührst, gerätst auch du in das Stromnetz und der Strom durchfließt deinen Körper.

Achte auf die Isolierung von Kabeln!

knicken: so stark biegen, dass es bricht

Stellen an Kabeln, an denen die Isolierung beschädigt ist, sind gefährlich. Achte auch beim Aufwickeln von Kabeln darauf, dass du sie nicht zu sehr knickst!

Elektrizität im täglichen Leben

Schütze Elektrogeräte vor Wasser!

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Wenn du mit Elektrogeräten arbeitest, achte darauf, dass kein Wasser oder sonstige Flüssigkeiten in der Nähe sind. Wenn Wasser auf ein Elektrogerät spritzt oder wenn Wasser in eine Steckdose gelangt, kann auch das für dich gefährlich sein.

Öﬀne nie Elektrogeräte!

Elektrischer Strom und Feuchtigkeit Wird elektrischer Strom in einem Raum benötigt, in dem es feucht sein könnte wie in einem Badezimmer oder einem Keller, dann muss die Steckdose besonders geschützt werden. Feuchtraumsteckdosen haben eine Klappe, die das Eindringen von Wasser verhindert.

Elektrogeräte haben in der Nähe der Badewanne nichts verloren! Wenn so ein Gerät ins Wasser fällt, während du darin badest, kann es gefährlich werden.

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Das Reparieren von Elektrogeräten sollst du unbedingt einem Fachmann/einer Fachfrau überlassen. Nicht richtig durchgeführte Reparaturen können böse Folgen haben. Beim Einschalten kann dann das Gerät endgültig zerstört werden. Im schlimmsten Fall kann das Gerät sogar zu brennen beginnen oder du gelangst dabei selbst in den Stromkreis.

Achte auf elektrische Leitungen!

Elektrische Leitungen verlaufen meist in den Wänden von Häusern und Wohnungen. Wenn du beim Bohren eines Loches mit der Bohrmaschine an eine elektrische Leitung kommst, gerätst du in den Stromkreis. Erkundige dich daher unbedingt, wo die elektrischen Leitungen verlaufen, bevor du eine Bohrmaschine in die Hand nimmst oder einen Nagel in die Wand schlägst.

Feuchtraumsteckdose

Schadhafte Installationen sind gefährlich!

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Berühre niemals blanke Drähte, die aus der Wand oder aus einer Steckdose hängen! Diese könnten Strom führen und eine Berührung kann tödlich sein.

Spiele nie in der Nähe von Oberleitungsdrähten!

Klettere nie auf Waggons von Zügen! Die Oberleitung, die über den Gleisen verläuft, führt Strom. Selbst wenn die Leitung nicht berührt wird, kann es zu Überschlägen kommen. Steige auch nie vom Bahnsteig einer U-Bahn auf die Gleise. Die stromführende Schiene bei U-Bahnen verläuft direkt neben dem Gleis.

Gleis: Fahrweg für Eisen-, Straßen- und U-Bahnen; besteht aus zwei parallelen Schienen

Oft gibt es Fußgängerbrücken, die über Bahngleise führen. Sprecht in der Klasse darüber, was alles passieren kann, wenn man Dinge auf die Oberleitung fallen lässt!

Elektrizität im täglichen Leben Achte auf Hochspannungsleitungen!

unbefugt: ohne Erlaubnis

Hochspannungsleitungen befinden sich in großer Höhe, sodass man normalerweise nicht mit ihnen in Berührung kommt. Wenn du einen Drachen steigen lässt, halte dich von Hochspannungsleitungen fern. Auch wenn du ein ferngesteuertes Modellflugzeug benutzt, sorge für einen großen Sicherheitsabstand zu elektrischen Leitungen.

Trafo: Kurzform von Transformator

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Vor allem im Winter oder nach starken Stürmen können Hochspannungsleitungen reißen. Die Leitungen liegen dann am Boden. Wenn du so eine Leitung siehst, entferne dich sofort und berichte einem Erwachsenen davon.

Vorsicht bei Trafohäuschen und Umspannwerken!

Oft findet man im Freien Trafohäuschen, von denen aus der Strom verteilt wird. Das unbefugte Öﬀnen von Trafohäuschen ist strengstens verboten! Auch das Betreten von Umspannwerken ist strengstens verboten. Klettere also nie über den Zaun, selbst wenn beim Spielen ein Ball darüberfliegt.

mp eV

Umspannwerk

Wie schaltet man rasch den Strom ab? Am schnellsten kann der Strom abgeschaltet werden, indem man den FI-Schalter betätigt.

Erste Hilfe bei Stromunfällen

Wenn du beobachtest, wie jemand anderer in den Stromkreis kommt, dann berühre ihn niemals. Sonst würdest du nämlich selbst auch in den Stromkreis gelangen.

Wo befindet sich bei dir zu Hause der Sicherungskasten? Frage nach und lass dir zeigen, wie man den Strom abschaltet!

Trotzdem musst du so rasch wie möglich versuchen, den Betreﬀenden aus dem Stromkreis zu ziehen. Verwende dazu Gegenstände aus nichtleitendem Material wie einen Besen mit Holzgriﬀ, einen Pullover, eine Decke oder einen Ledergürtel.

NOtRuFNuMMERN Rettung: 144

Feuerwehr: 122

Oly

Europäische Notrufnummer: 112

Soforthilfe bei Stromunfällen

Elektrischer Strom kann sehr gefährlich sein. Achte daher auf deine Sicherheit, beachte die Hinweise der Betriebsanleitung eines elektrischen Gerätes und halte dich von freiliegenden Leitungen fern.

Sollte dir das nicht möglich sein, so musst du so rasch wie möglich den Strom abschalten. Wenn das Opfer an einem Elektrogerät in den Stromkreis gekommen ist, zieh den Stecker ab! Sollte das nicht möglich sein, dann musst du den Strom im Sicherungskasten abschalten.

Setze dann folgende Maßnahmen: ƒ Wähle den Notruf und hole Hilfe! ƒ Leiste Erste Hilfe! Stelle fest, ob der Verletzte bei Bewusstsein ist, ob er atmet und ob der Pulsschlag zu fühlen ist! Wenn es notwendig ist, führe eine Herzmassage und Mund-zu-Mund-Beatmung durch! Bleib beim Verletzten und beruhige ihn! ƒ Wenn die Rettung kommt, hast du deine Aufgabe erfüllt!

Elektrizität im täglichen Leben 81

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

1) Geräte im selben Stromkreis – Die Geräte, die hier in den kurzen Geschichten genannt werden, hängen jeweils am selben Stromkreis. Die Spannung beträgt 230 V, der Stromkreis ist mit einer 10 A-Sicherung abgesichert. Kreuze an, wie die Geschichten weitergehen! %%%

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Gerade, als ich meine Pizza in das Backrohr (1 500 W) schieben wollte, erklärte meine Mutter: „Ich brauche jetzt meinen Kaffee.“ Sie schaltete die Kaffeemaschine (500 W) ein und …  … das Licht im Backrohr ging aus.  … schüttete das Kaffeepulver in den Filter.

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Mein Vater saß vor dem neuen Flachbildfernseher (150 W). Seine Lieblingsmannschaft stand im Fußballfinale. Ich schaltete das Bügeleisen (2 200 W) ein, um mein T-Shirt zu bügeln, das ich für die Party am Abend brauchte. Plötzlich …  … rief mein Vater: „Wieso ist das Bild weg? Gerade jetzt, wo meine Mannschaft auf das Tor stürmt!“  … jubelte mein Vater, seine Mannschaft hatte das entscheidende Tor geschossen.

Ich bereitete auf einer Platte des Elektroherdes (1 000 W) das Abendessen vor. Marcel schaltete den Computer (300 W) ein, um mit seinen Freunden zu chatten. Da …  … läutete es an der Tür.  … fiel plötzlich der Strom aus.

Während meine Frau sich mit ihrem Föhn (2 000 W) die Haare trocknete, wollte ich mit meiner neuen 500 WBohrmaschine noch rasch ein Bild aufhängen. Als ich die Maschine einschaltete, …  … funktionierte sie nicht, da der Strom plötzlich weg war.  … bemerkte ich, dass ich nicht die passenden Schrauben hatte.

Wie groß darf die Leistung aller Geräte gemeinsam höchstens sein, die an diesem Stromkreis gleichzeitig angeschlossen sind? ___________ W

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2) Die richtige Nummer für jeden Fall – Ordne die Notrufnummern den Einsatzorganisationen zu! %% Tipp: Die Reihenfolge der Nummern entspricht der Reihenfolge der Organisationen im Alphabet.

144 122

Polizei: __________

133 Rettung: __________

Feuerwehr: __________

82 Elektrizität im täglichen Leben

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

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3) Der Sicherungskasten – Was gehört in den Sicherungskasten und was nicht? Ziehe Pfeile von den richtigen Geräten in den Sicherungskasten! %%

richtig

falsch

Ich ziehe einen Stecker immer am Kabel aus der Steckdose.

Beim Aufwickeln eines Kabels achte ich darauf, dass ich es nicht knicke.

Reparaturen an Elektrogeräten führe ich selbst durch.

Blanke Drähte, die aus der Wand hängen, sind gefährlich.

Beim Spielen auf Eisenbahnwaggons kann mir nichts passieren.

Wenn ein Trafohäuschen nicht abgeschlossen ist, kann ich ruhig hineingehen.

Ich darf mich nie föhnen, wenn ich in der Badewanne sitze.

Es ist nicht gefährlich, einen Nagel in eine Steckdose zu stecken.

LÖSUNGSWORT:

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4) Richtiger Umgang mit elektrischem Strom – Finde heraus, welche dieser Sätze richtig und welche falsch sind, dann erhältst du ein Lösungswort! %%%

Elektrizität im täglichen Leben

18. STROMSPAREN UND UMWELT

Der Stromzähler

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Am Stromzähler kann man ablesen, wie viel Strom verbraucht wird. Strom ist teuer. Das Berücksichtigen von Stromspartipps kann daher die Kosten deutlich verringern.

Energieeﬃzienzklasse: gibt an, wie energiesparend ein Gerät ist; „A“ ist am besten; Geräte, die mit „G“ gekennzeichnet sind, sollten nicht gekauft werden.

Bei der Erzeugung von elektrischem Strom kann es zu Belastungen unserer Umwelt kommen. So werden für den Bau von Kraftwerken wertvolle Naturlandschaften zerstört und beim Verbrennen von Öl, Gas und Kohle werden Schadstoﬀe frei. Durch den sparsamen Umgang mit elektrischem Strom kannst auch du dazu beitragen, unsere Natur zu schonen.

Stromzähler

Wie spart man Strom richtig?

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Überlege immer, ob du ein Gerät wirklich brauchst oder ob du das, wozu du das Gerät benötigst, nicht auch anders machen kannst! So kannst du z. B. darauf verzichten, einen Lift zu benutzen, und stattdessen zu Fuß gehen oder Brot mit der Hand schneiden, anstatt eine Brotschneidemaschine zu verwenden. Kaufe stromsparende Geräte! Achte auf die Energieeﬃzienzklasse! Energiesparende Geräte sind zwar teurer, allerdings sind die Mehrkosten durch den geringeren Stromverbrauch bald wieder ausgeglichen. Sehr alte Geräte benötigen deutlich mehr Strom als moderne. Oft zahlt es sich daher aus, alte Geräte zu tauschen. Sparen beim Kochen ƒ Verwende beim Kochen immer den passenden Topf! Er sollte gerade so groß sein, dass das, was du kochen willst, hineinpasst. Seine Größe sollte der Herdplatte entsprechen. ƒ Erhitze nicht mehr Wasser, als du unbedingt brauchst, und verwende dabei einen passenden Deckel! Der Boden des Topfes muss glatt auf der Platte aufliegen und darf nicht uneben sein. ƒ Drehe die Herdplatte rechtzeitig ab und nutze die Restwärme! ƒ Ein Druckkochtopf verkürzt die Kochzeit und spart Energie. Wenn du nur kleine Mengen erwärmen willst, verwende den Mikrowellenherd!

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Sparen bei der Beleuchtung ƒ Drehe in Räumen, die du gerade nicht benutzt, das Licht ab! ƒ Verwende möglichst energiesparende Lampen und Beleuchtungskörper, die LEDs verwenden!

Sparen mit Akkus und Standby-Modus ƒ Aufladbare Akkus sind umweltschonender als Batterien. ƒ Ziehe das Ladegerät nach dem Aufladen aus der Steckdose! Wenn es stecken bleibt, verbraucht es auch weiterhin Strom. Geräte, auch Computer, sollten immer ganz abgeschaltet werden, denn beim Standby benötigen sie noch immer elektrische Energie. ƒ Verteilersteckdosen mit Schalter erleichtern das Abschalten.

Energieeﬃzienzklassen Sieh zu Hause nach, welcher Energieeﬃzienzklasse eure Elektrogeräte angehören! Restwärme: Auch nach dem Abschalten bleibt die Herdplatte noch warm. Standby-Modus: Das Gerät wird nicht ganz abgeschaltet, sondern bleibt „in Bereitschaft“.

Geldverschwendung durch Standby Dadurch, dass die Geräte nicht ganz abgeschaltet werden, sondern im Standby-Modus betrieben werden, entstehen in einem Haushalt Kosten von 50 bis 100 € pro Jahr.

Verteilersteckdose mit Schalter

Elektrizität im täglichen Leben

Sparen beim Wäschewaschen ƒ Die Waschmaschine sollte immer ganz voll sein. ƒ Oft ist eine Vorwäsche nicht erforderlich. Meist reicht beim Waschen eine Temperatur von 40 °C. ƒ Wäschetrockner verbrauchen besonders viel Strom, daher sollte die Wäsche an der Luft getrocknet werden. Wenn du die Wäsche zum Trocknen vorsichtig aufhängst, musst du sie auch nicht bügeln. Auch dadurch sparst du Strom. Sparen beim Geschirrabwaschen ƒ Auch ein Geschirrspüler sollte immer voll sein. ƒ Verwende ein energiesparendes Waschprogramm! Es ist nicht notwendig, das Geschirr vorher mit warmem Wasser abzuspülen. ƒ Es ist aber trotzdem günstiger, einen Geschirrspüler zu verwenden. Wenn du dieselbe Menge an Geschirr mit der Hand wäscht, brauchst du viel mehr warmes Wasser.

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Klimaanlagen Wenn es im Sommer sehr heiß ist, kann man mit einer Klimaanlage die Raumtemperatur senken. Klimaanlagen zählen aber zu den größten Stromverbrauchern. Daher sollten sie nur dann eingesetzt werden, wenn es absolut notwendig ist. Außerdem sollten dabei die Fenster geschlossen bleiben, da sonst sofort wieder warme Luft in den Raum kommt.

Raumtemperatur: Temperatur in einem Wohnraum; sollte zwischen 20 und 22 °C liegen

Sparen beim Heizen ƒ Die Raumtemperatur sollte nicht zu hoch eingestellt werden. ƒ Wenn niemand zu Hause ist, kann die Temperatur verringert werden. ƒ Die Heizkörper in nicht benutzten Räumen sollten ganz abgeschaltet sein.

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Überlegt gemeinsam in der Klasse, wo ihr in der Schule Strom sparen könnt, und erstellt dazu ein Plakat!

Sparen beim Kühlen ƒ Öﬀne die Tür eines Kühlschrankes oder eines Tiefkühlers immer nur für kurze Zeit! ƒ Stelle niemals warme Speisen oder Getränke hinein! Der Kühlschrank sollte nicht unmittelbar neben einer Wärmequelle wie einem Herd oder der Heizung stehen. ƒ Die Temperatur im Inneren sollte nicht unter 5 °C liegen.

Elektrischer Strom und Umweltschutz

fachgerecht: so, wie es ein Fachmann/eine Fachfrau macht

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Die Erzeugung von elektrischem Strom kann Umweltschäden verursachen. Daher soll man mit dem Strom sorgfältig und sparsam umgehen. Auch im Haushalt gibt es viele Möglichkeiten, Strom zu sparen. Dadurch spart man auch Geld. Elektrogeräte, Batterien, Akkus und Leuchtkörper müssen fachgerecht entsorgt werden.

Elektrogeräte bestehen aus wertvollen Materialien. Daher dürfen sie nicht einfach weggeworfen werden, sondern müssen fachgerecht entsorgt werden. Die Stoﬀe, aus denen sie bestehen, können so wiederverwendet werden.

Batterien und Akkumulatoren enthalten ebenso wertvolle Rohstoﬀe. Daher müssen sie gesammelt und dem Händler wieder zurückgegeben werden. Werden Batterien einfach weggeworfen und auf eine Mülldeponie gebracht, dann läuft nach einiger Zeit der Elektrolyt aus und vergiftet das Grundwasser.

Sehr viel Strom kann durch die Verwendung von Energiesparlampen, Leuchtstoﬀröhren und LEDs eingespart werden. Aber auch diese Leuchtkörper enthalten teilweise giftige Bestandteile, die wieder verwendet werden können. Daher müssen sie ebenfalls fachgerecht entsorgt werden.

Elektrizität im täglichen Leben 85

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

1) Energiespartipps – Welche dieser Tipps sind richtig und welche sind falsch? Finde die richtigen Tipps und ordne die Buchstaben, die dabeistehen! So erhältst du ein Lösungswort. %%%

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Drehe immer alle Lichter auf, wenn du nach Hause kommst!

LÖSUNGSWORT:

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Der Aufkleber auf Geräten, der die Energieeﬃzienzklasse angibt, sagt gar nichts aus.

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2) Glühbirne oder Energiesparlampe – Professor Zweistein erklärt dir den Unterschied zwischen Glühbirne und Energiesparlampe. Lies seine Erklärung aufmerksam durch und beantworte dann die Fragen! %%%%

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Eine normale Glühbirne hält ungefähr 1 000 Stunden, dann ist sie kaputt. Eine Energiesparlampe hält ungefähr 10-mal so lang. Dafür ist sie auch 10-mal so teuer. Der Strom, den eine 25 Watt Lampe während ihres Lebens verbraucht, kostet etwa 6 Euro. In der gleichen Zeit verbraucht eine Energiesparlampe, die genauso hell leuchtet, nur Strom für etwa 1 Euro. 1. Eine Energiesparlampe hat eine Lebensdauer von …  5 000 Stunden

 8 000 Stunden

 10 000 Stunden

2. Wie viele Glühbirnen müsste man während dieser Zeit kaufen?  10

 12

 20

3. Das Geld, welches diese Anzahl an Lampen in dieser Zeit kostet, ist imVergleich zum Preis einer Energiesparlampe…  mehr

 weniger

 gleich viel

4. Während der Lebensdauer einer Energiesparlampe ist die Ersparnis …  5 Euro

 50 Euro

 500 Euro

86 Elektrizität im täglichen Leben

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

senkrecht: 1. macht aus einem Stromanschluss mehrere 2. ein heißer Draht erzeugt Licht 4. erzeugt aus weniger Strom mehr Licht 5. gibt an, wie viel Strom verbraucht wurde 7. Stromerzeuger am Fahrrad 8. gibt Strom ab

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3) Elektrokreuzworträtsel – Löse dieses! %%% Tipp: Die Bilder helfen dir dabei.

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waagrecht: 3. erzeugt im Kraftwerk den elektrischen Strom 6. hier fließt elektrischer Strom 9. speichert elektrischen Strom 10. dient zum Herstellen eines elektrischen Kontakts

Oly

PHYSIK-LABOR: Elektrotechnik

Ziel des Experiments: Spare so viel Strom wie möglich!

Experiment 1: Energiesparwettbewerb Du brauchst: den Stromzähler in deinem Haus/deiner Wohnung * Papier und Stift Ablauf:

Protokoll:

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ƒ Lies ab, wie hoch der Zählerstand des Stromzählers bei dir zu Hause ist! ƒ Dann lies genau eine Woche später den Stromzähler erneut ab und berechne, wie viele kWh in dieser Woche verbraucht wurden! ƒ Bemühe dich in der darauf folgenden Woche gemeinsam mit deiner Familie, möglichst wenig Strom zu verbrauchen! Wende dazu möglichst viele der Energiespartipps aus Kapitel 18 an! ƒ Lies nach einer Woche wieder den Zähler ab und vergleiche den Stromverbrauch mit dem der Woche davor! Wie viel Strom wurde eingespart? ƒ Dividiere die Menge an eingesparten kWh durch die Anzahl der Familienmitglieder, die mit dir gemeinsam im Haushalt leben! ƒ Vergleicht in der Klasse: Wer hat am meisten Strom gespart? Berichtet darüber, mit welchen Maßnahmen ihr die Einsparung erreicht habt!

Name: __________________________________________ Woche 1 Beginn

(Datum/Uhrzeit)

Woche 2 Beginn

(Datum/Uhrzeit)

Einsparung

Ende

(Datum/Uhrzeit)

Verbrauch: ________ kWh

Ende

(Datum/Uhrzeit)

Verbrauch: ________ kWh

_________ kWh

Anzahl der Familienmitglieder

_________ Personen

Einsparung pro Person

_________ kWh

Experiment 2: Schaltplan eines Hauses/einer Wohnung

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Ziel des Experiments: Erstelle einen Plan der Stromkreise bei dir zu Hause! Ablauf: ƒ Fertige eine Liste der Sicherungen im Sicherungskasten bei dir zu Hause an und nummeriere die Sicherungen! ƒ Überprüfe gemeinsam mit deinen Eltern, welche Sicherungen welche Stromkreise absichern! Schalte dazu der Reihe nach einzeln die Sicherungen ab und stelle fest, welche Geräte, Steckdosen oder Lichtschalter nicht mehr funktionieren! ƒ Fertige ein Verzeichnis der Stromkreise an! Z. B.: - Sicherung 1: Waschmaschine - Sicherung 2: Steckdosen in Küche und Wohnzimmer - Sicherung 3: Beleuchtung in Kinderzimmer und Schlafzimmer - usw.

PHYSIK-LABOR: Elektrotechnik

Experiment 3: Wasserkochen

Ziel des Experiments: Stelle fest, wie man am schnellsten und billigsten Wasser kochen kann!

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Du brauchst: Topf * Wasser * verschiedene Kochgeräte (z. B.: E-Herd, Wasserkocher, Tauchsieder)

Ablauf:

Protokoll:

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ƒ Lies bei dir zu Hause im Abstand von 30 min den Stromzähler ab und vergleiche die beiden Werte! Ermittle, wie viel Strom in dieser Zeit verbraucht wird! ƒ Während des Experiments sollte sich der Stromverbrauch nicht ändern. Es sollte also in dieser Zeit kein Gerät oder Beleuchtungskörper ein- oder ausgeschaltet werden. ƒ Stelle einen Topf mit 1 l Wasser auf den E-Herd und lies den Zähler erneut ab! Dann schalte den E-Herd ein! Sieh auf die Uhr und stelle fest, wie lange es dauert, bis das Wasser kocht! Dann schalte den E-Herd ab! Lies 30 min nach der ersten Ablesung wieder den Stromzähler ab und ermittle den Stromverbrauch innerhalb dieser 30 min! ƒ Wiederhole diesen Vorgang mit dem Wasserkocher und mit dem Tauchsieder! Achte darauf, dass immer die gleiche Menge Wasser (1 l) zum Kochen gebracht wird! Lies jeweils vor dem Kochen den Stromzähler ab sowie 30 min nach der ersten Ablesung! Stoppe jeweils mit, wie lange es dauert, bis das Wasser kocht! ƒ Ziehe den Stromverbrauch der ersten Messung (ohne Wasserkochen) von den anderen Messungen ab, dann erhältst du den Stromverbrauch, der jeweils zum Wasserkochen erforderlich war! ƒ Erstelle ein Protokoll und vergleiche die Ergebnisse!

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E-Herd Wasserkocher Tauchsieder

Zeit bis zum Kochen _______ min _______ min _______ min

Stromverbrauch _______ kWh _______ kWh _______ kWh

Experiment 4: Sicherheit im Haushalt Ziel des Experiments: Vermeiden der Gefahr eines elektrischen Stromschlags! Überprüfe an den Elektrogeräten bei dir zu Hause die Anschlusskabel! Vergewissere dich, dass nirgends die Isolierung beschädigt ist, dass nirgends blankes Metall zu sehen ist und dass die Stecker nicht locker sind! Sieh dir besonders genau Geräte an, die häufig einund ausgesteckt werden wie Bügeleisen oder Staubsauger!

PHYSIK-NEWS: Elektrotechnik

Normen bestimmen unser Leben

Forscher und Forscherinnen an der Technischen Hochschule Zürich (Schweiz) haben erstmals einen Elektromotor gebaut, der sich 1 Mio-mal pro Minute dreht. Der Motor hat etwa die Größe einer Zündholzschachtel.

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Wie kann man sicher sein, dass der Stecker eines Elektrogerätes, welches in Korea produziert wurde, in eine Steckdose passt, die aus Brasilien stammt? Um das sicherzustellen, gibt es Normen. Diese legen genau fest, wie z. B. Stecker und Steckdosen aussehen müssen. Die Normen werden meist gemeinsam von den Firmen festgelegt, die solche Geräte herstellen. In jedem Land gibt es Normungsinstitute, in denen diese Firmen mitarbeiten. Die nationalen Normungsinstitute arbeiten weltweit zusammen, damit die Normen international einheitlich sind. In Österreich ist dafür das „Austrian Standards Institute“ (ASI) zuständig. Dieses gibt zu jedem Thema die in Österreich gültige Norm, die ÖNORM, heraus. Österreichische Firmen müssen sich an diese ÖNORM halten, damit ihre Produkte den international gültigen Normen entsprechen.

Papierformate A0 bis A8

Weltrekord! Der schnellste Motor der Welt kommt aus der Schweiz

Benzinmotor

DIN-A4 – ein weltweiter Erfolg

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Was das ASI in Österreich ist, ist das DIN (Deutsches Institut für Normung) in Deutschland. Dieses legte im Jahr 1922 fest, wie groß ein Blatt Papier sein soll: DIN A0 ist 841 mal 1 189 mm groß und hat eine Fläche von genau 1 m². Die weiteren Papierformate entstehen, wenn man A0 immer weiter faltet. DIN A4-Papier ist genau 1/16 m² groß und passt weltweit in fast jeden Drucker oder Kopierer.

Buchtipps

Aljoscha Blau, Max Bartholi, Henning Boetius: Geschichte der Elektrizität (Beltz und Gelberg, 2006). Raphael Volery und Rainer Köthe, WAS IST WAS, Band 47, Elektronik (Tessloff Verlag, 2006). Uwe Kauss: Wie kommt der Strom in die Steckdose!: Willi wills wissen Band 18 (Bastei Lübbe, 2011). Ronny Meyer: Der kleine Energiespar Scout: Tipps und Tricks für junge Energiesparer (Blottner Verlag, 2012).

Generator

Elektromotor

Der Hybridmotor, das Antriebssystem der Zukunft Beim Bremsen oder beim Bergabfahren geht die Bewegungsenergie eines Autos mit einem normalen Benzinmotor verloren. Nicht so bei einem Auto mit Hybridmotor. Dieser besteht aus einem Benzinmotor, einem Generator und einem Elektromotor. Überschüssige Energie wird im Generator in elektrische Energie umgewandelt. Diese wird in einer Batterie gespeichert. Benötigt das Auto beim Bergauffahren oder beim Beschleunigen mehr Kraft, dann wird der Elektromotor zugeschaltet. Insgesamt verbraucht ein Auto mit Hybridantrieb wesentlich weniger Treibstoff als ein Auto, das nur von einem Benzinmotor angetrieben wird.

PHYSIK-NEWS: Elektrotechnik

Endlich: Beleuchtung auch mit Gas

UNFALL MIT STROMLEITUNG

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Immer wieder kommt es zu schweren Unfällen mit Stromleitungen. Im Jahr 2008 verfing sich ein Flugzeug in Deutschland in einer Stromleitung. Aber nicht nur Flugzeuge kommen mit elektrischen Leitungen in Kontakt. Auch Baumaschinen wie Kräne bleiben immer wieder hängen.

Stromunfälle in Österreich

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Durch verbesserte Sicherheitsmaßnahmen ist die Zahl der Stromunfälle in Österreich stark zurückgegangen. Vor 50 Jahren gab es noch mehr als 500 Stromunfälle pro Jahr, von denen etwa 70 tödlich ausgegangen sind. Heute gibt es jährlich nur noch etwa 100 Unfälle. Im Jahr 2008 sind davon nur noch 3 tödlich verlaufen. nicht-tödliche Stromunfälle 600

tödliche Stromunfälle

1960

2008

100

2000

200

1990

300

1980

400

1970

Geplante Obsoleszenz

500

1955

Wien, 1885: Bisher war es nicht möglich, Gas zum Beleuchten von Wohnungen zu verwenden, da die Flamme beim Verbrennen kaum Licht abgegeben hat. Durch die Erfindung des österreichischen Chemikers Carl Auer von Welsbach hat sich das jedoch geändert. Der Glühstrumpf besteht aus einen feinen Netz, das vom verbrennenden Gas erhitzt wird und dabei helles Licht erzeugt. In Zukunft sollen Gaslaternen mit Glühstrümpfen auch für die Straßenbeleuchtung eingesetzt werden.

Hast du das gewusst?

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ƒ Im Sommer verbraucht ein Auto bei eingeschalteter Klimaanlage bis zu 2 l Benzin mehr pro 100 km. ƒ Herkömmliche Energiesparlampen brauchen nach dem Einschalten einige Zeit, bis sie ausreichend Licht abgeben. LEDs haben dieses Problem nicht, sie erreichen ihre maximale Leuchtkraft sofort. ƒ Durch den Einsatz von LEDs kann man beim Beleuchten bis zu 85 % der Stromkosten einsparen. ƒ Jährlich werden weltweit etwa 24 000 000 000 000 kWh an elektrischer Energie benötigt. ƒ Der jährliche Stromverbrauch in Österreich liegt bei etwa 60 TWh (Terrawattstunden). Das sind 60 000 000 000 kWh. ƒ Ein Computer verursacht im Stand-by-Betrieb Kosten von etwa 16 € pro Jahr, eine Spielkonsole etwa 5 € pro Jahr.

Wer kennt das nicht? Knapp nach Ablauf der gesetzlich vorgeschriebenen Garantiezeit wird ein Gerät kaputt. Dafür gibt es sogar einen eigenen Namen – „geplante Obsoleszenz“ (vom lat. Wort obsolescere: sich abnutzen). Die Hersteller vieler Geräte verwenden manchmal minderwertige Materialien oder Bauteile, von denen man weiß, dass sie nach kurzer Zeit nicht mehr funktionieren. Da meist die Reparatur nicht möglich oder sehr teuer ist, bleibt dem Besitzer eines solchen Gerätes nichts anderes übrig, als dieses wegzuwerfen und ein neues zu kaufen. Die geplante Obsoleszenz ist jedoch nichts Neues: Bereits 1924 vereinbarten die Hersteller von Glühlampen, diese so zu bauen, dass sie nach höchstens 1 000 Stunden durchbrennen.

Dass Glühbirnen wesentlich länger brennen können, zeigt eindrucksvoll eine Glühbirne in einer Feuerwache in Kalifornien (USA). Diese brennt seit 1901 ununterbrochen.

Wärme ist Energie

19. WÄRME UND TEMPERATUR

Wie du schon gelernt hast, bestehen alle Körper aus winzigen Teilchen. Diese Teilchen haben eine unterschiedliche Anordnung, je nachdem, ob der Körper fest, flüssig oder gasförmig ist.

Was sind Kohäsionskräfte? Zwischen den Teilchen eines Körpers sorgen sie dafür, dass die Teilchen zusammengehalten werden. In einer Flüssigkeit ist aufgrund der Kohäsionskräfte der Abstand zwischen den Teilchen sehr gering, sodass eine Flüssigkeit kaum zusammengedrückt werden kann.

Anordnung der Teilchen

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Fester Zustand: Die Teilchen sind meist regelmäßig in einem Kristallgitter angeordnet.

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Flüssiger Zustand: Die Teilchen können sich untereinander frei bewegen.

Gasförmiger Zustand: Die Teilchen bewegen sich ebenfalls frei. Ihre Geschwindigkeit ist aber so hoch, dass sie die zusammenhaltenden Kräfte überwinden. Daher ist der Abstand zwischen den einzelnen Teilchen sehr groß, sodass ein Gas leicht zusammengedrückt werden kann.

Kristallgitter: regelmäßige Anordnung einzelner Teilchen in einem Kristall Erinnere dich! Welche anderen Temperatur-Skalen gibt es? Wie nennt man die Temperatur-Skala, mit der die „absolute Temperatur“ angegeben wird? ein Maß für etwas sein: eine messbare Größe sein

Diese Zustände nennt man Aggregatzustände.

Teilchen und Wärme

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Am absoluten Nullpunkt bei -273,15 °C oder 0 K sitzen die einzelnen Teilchen starr auf ihren Plätzen und bewegen sich nicht. Wird ihnen Energie zugeführt, dann beginnen sie zu schwingen. Sie schwingen umso stärker, je mehr Energie sie erhalten. Dabei vergrößert sich der Abstand zwischen ihnen und das Volumen des Körpers nimmt zu. Diesen Eﬀekt bezeichnet man als Wärmeausdehnung.

wenig Energie

Die Wärme ist die Bewegungsenergie der Teilchen. Die Temperatur gibt an, wie stark sich die Teilchen bewegen.

viel Energie

Die Energie, die im Inneren eines Körpers für die Bewegung der Teilchen sorgt, bezeichnet man als Wärme. Wird sehr viel Energie zugeführt, dann schwingen die Teilchen so stark, dass sie nicht mehr auf ihren festen Plätzen bleiben. Sie beginnen, sich frei zu bewegen: Der Körper geht vom festen in den flüssigen Zustand über.

Was ist die Temperatur?

Die Temperatur ist ein Maß dafür, wie stark sich die Teilchen bewegen. Sie wird bei uns in °C (Grad Celsius) angegeben. Die Celsius-Skala, nach der die Temperatur gemessen wird, richtet sich nach dem Schmelz- und Siedepunkt des Wassers.

Bei 0 °C schmilzt festes Wasser, das Eis, und wird flüssig. Bei 100 °C siedet es. Die Temperatur wird mit Hilfe eines Thermometers gemessen.

Die Flüssigkeit in einem Thermometer dehnt sich bei steigender Temperatur aus. An der Skala kann die Temperatur abgelesen werden.

Wärme ist Energie Was ist Kälte?

Kälte ist keine physikalische Größe. Ein Körper kann nicht „kalt“ sein, er kann nur eine geringere Temperatur haben. Das Empfinden von Kälte entsteht dann, wenn ein Körper weniger Wärme enthält als ein anderer.

Wenn dir im Winter kalt ist, dann entsteht dieses Gefühl dadurch, dass dein Körper viel wärmer ist als die Umgebungsluft. Weil deine Hautoberfläche Wärme an die Umgebung abgibt, geht diese Wärme deinem Körper verloren.

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Was ist … chemische Energie? Diese Energie wird z B. beim Verbrennen von Stoﬀen gewonnen, die sich dabei verändern. mechanische Energie? Diese ist als potentielle oder kinetische Energie in einem Körper gespeichert. elektrische Energie? Das ist jene Energie, die in der Bewegung der Elektronen steckt.

Wie gelangt Energie in einen Körper?

Energie kann nicht erzeugt werden, sie kann nur von einer Form in eine andere umgewandelt werden. Diese physikalische Grundregel ist das Prinzip der Energieerhaltung. Wärmeenergie kann auf verschiedene Weisen zugeführt werden. Wärme aus Wärme

Wärme kann von einem Körper direkt auf einen anderen übertragen werden. Dabei pflanzt sich die Bewegung der Teilchen fort. Diese direkte Wärmeübertragung geschieht z. B. auf einem Herd. Die Wärme der Herdplatte wird auf den Kochtopf übertragen.

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Versuch

Führt die Experimente „Ausdehnen von Flüssigkeiten beim Erwärmen“, „Ausdehnung von Gasen beim Erwärmen“, „Das Thermometer“, „Der wachsende Luftballon“ und „Der versteckte Luftballon“ auf S. 164 bis 167 durch!

verhaken: aneinander hängen bleiben Verbrennungsprodukte: das, was beim Verbrennen übrig bleibt; bei Holz z. B. Asche und Abgase

Wärme aus Elektrizität

Die Elektronen in einem Widerstandsdraht stoßen mit den Teilchen im Metall zusammen. Dabei übertragen sie Energie auf die Teilchen, die zu schwingen beginnen.

Wärme durch Reibung

Reibt man zwei Gegenstände aneinander, dann verhaken sich winzige Unebenheiten an der Oberfläche. Wenn sie sich wieder losreißen, werden die Teilchen in Bewegung versetzt. Wärme durch Verbrennung

Beim Verbrennen eines Brennstoffes wird Energie, die zuvor im Stoff gespeichert war, frei. Diese führt dazu, dass Verbrennungsprodukte heiß werden. Wenn du einen Gegenstand über ein offenes Feuer hältst, bewirken die heißen Gase die Erwärmung.

Oly

Alle Körper bestehen aus Teilchen. Es gibt 3 Aggregatzustände: fest, flüssig, gasförmig. Wärme ist die Energie, die in der Bewegung der Teilchen steckt. Die Temperatur gibt an, wie stark sich die Teilchen bewegen. Wärme kann in Form von chemischer, mechanischer oder elektrischer Energie übertragen werden.

Wärme durch Strahlung

Strahlung, wie sie z. B. von der Sonne kommt, kann beim Auftreﬀen auf einen Gegenstand Energie auf dessen Teilchen übertragen. So erwärmt sich der Gegenstand in der Sonne.

Wärme ist Energie

20. WÄRMEENERGIE UND SPEZIFISCHE WÄRME

Bernadette möchte zum Frühstück mit ihrem Bruder Felix weiche Eier zubereiten. Sie nimmt einen großen Topf aus dem Küchenschrank und will ihn gerade mit Wasser füllen, als sie von ihrer Mutter unterbrochen wird. „Für die paar Eier brauchst du doch nicht so einen großen Topf, das kostet doch viel zu viel Energie!“, meint sie. Verwirrt blickt Bernadette sie an. „Wieso kostet es zu viel Energie?“, will sie wissen. „Weil du für die Eier das ganze Wasser im Topf erwärmen musst. Und das Erwärmen von Wasser verbraucht sehr viel Energie. Nimm einen kleineren Topf, dann ist das billiger“, erklärt ihre Mutter.

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Wie viel Energie steckt in der Wärme? Die Energie, welche erforderlich ist, um 1 g Wasser um 1 °C zu erwärmen, würde ausreichen, um dieses 1 g Wasser um mehr als 400 m in die Höhe zu heben.

Was genau geschieht, wenn man Wasser erwärmt?

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Wärme ist eine Form der Energie. Die Einheit der Energie ist das Joule (J). Die Energie, die in Form von Wärme in einem Körper enthalten ist, wird daher in J angegeben. Beim Kochen von Wasser muss diesem genügend Energie zugefügt werden, um seine Temperatur auf 100 °C zu erhöhen.

Um 1 g Wasser um 1 °C zu erwärmen, ist eine Energie von 4,2 J erforderlich. Früher wurde diese Menge an Energie auch als 1 Kalorie (cal) bezeichnet. Um einen Topf mit Wasser, der 2 l fasst, von 10 °C auf 100 °C zu erwärmen, ist eine Energie von etwa 760 000 J oder 760 kJ erforderlich.

Die Wärmemenge

1 cal = 4,2 J

Erinnere dich! Welcher elektrischen Energiemenge entspricht 1 J? Petroleum: brennbare Flüssigkeit, die aus Erdöl hergestellt wird

Die Wärmemenge ist die Menge an Wärmeenergie, die beim Erwärmen einem Gegenstand zugeführt wird. Die Wärmeenergie wird mit dem Buchstaben q abgekürzt. Q steht für das englische Wort „quantity“, das „Menge“ bedeutet. Ihre Einheit ist das J.

Die Einheit der Wärmeenergie ist das J. Sie wird mit Q abgekürzt.

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Markus und Bettina erhalten im Physikunterricht von ihrer Lehrerin den Auftrag, ein Experiment zur Wärme durchzuführen. Markus soll einen Topf mit Wasser erwärmen, Bettina einen gleich großen Topf mit Petroleum. Sie erhalten dazu 2 gleich gebaute Heizplatten, die sie auf dieselbe Heizstufe einstellen. Zu Beginn haben beide Flüssigkeiten Raumtemperatur. Nach 10 min überreicht ihnen die Lehrerin 2 Thermometer. „Jetzt messt die Temperatur eurer Flüssigkeiten!“, fordert sie die beiden auf.

Petroleumlampe: Früher wurde Petroleum häufig in Lampen verwendet. Wo wird heute noch eine Petroleumlampe verwendet?

40 °C

Markus und Bettina tauchen ihre Thermometer in die Töpfe. „Das Wasser ist 40 °C warm!“, meint Markus, nachdem er einige Zeit später das Thermometer abgelesen hat. „Gewonnen!“, ruft Bettina. „Mein Petroleum ist 60 °C warm!“ Wasser

60 °C

Petroleum

Wärme ist Energie Warum wurde das Petroleum wärmer als das Wasser?

Kapazität: Fähigkeit, etwas aufzunehmen

Führt man Wasser eine bestimmt Wärmemenge zu, dann erhöht sich dadurch die durchschnittliche Geschwindigkeit der Teilchen im Wasser. Dieselbe Wärmemenge in Petroleum führt jedoch dazu, dass sich die durchschnittliche Geschwindigkeit der Petroleum-Teilchen stärker erhöht. Die größere Geschwindigkeit der Teilchen in Petroleum zeigt sich an der höheren Temperatur.

spezifisch: besonders

Die spezifische Wärmekapazität

Bei gleicher Temperatur ist also im Wasser eine größere Wärmemenge „gespeichert“ als in Petroleum. Die Fähigkeit, Wärme aufzunehmen und zu speichern, ist eine Eigenschaft des Stoﬀes. Man bezeichnet sie als spezifische Wärmekapazität.

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Was ist der Heizwert? Der Heizwert gibt an, wie viel chemische Energie in einem Stoﬀ enthalten ist, die beim Verbrennen frei wird. Der Heizwert darf nicht mit der spezifischen Wärme verwechselt werden.

Die spezifische Wärmekapazität eines Stoffes gibt an, wie viel Energie erforderlich ist, um 1 kg des Stoffes um 1 K zu erwärmen.

Die spezifische Wärmekapazität wird in kJ pro kg und pro K angegeben.

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zentral: in der Mitte liegend

Woher stammt die Energie unseres Körpers? Wir beziehen unsere Energie aus der Nahrung, die wir zu uns nehmen. In der Nahrung ist chemische Energie gespeichert. Wir benötigen pro Tag eine Energie von etwa 10 000 kJ.

Wasser hat eine besonders hohe spezifische Wärmekapazität. Es ist zwar viel Energie notwendig, um es zu erwärmen, aber dafür kann warmes Wasser auch wieder sehr viel Energie in Form von Wärme abgeben. Daher wird bei einer Zentralheizung heißes Wasser durch die Heizkörper geleitet, das dadurch den Raum erwärmt.

Die meisten anderen Stoﬀe haben eine geringere spezifische Wärmekapazität als Wasser. In dieser Liste findest du die spezifischen Wärmekapazitäten in kJ/kg•K einiger fester Stoﬀe, Flüssigkeiten und Gase.

Gase

feste Stoﬀe

Wasserstoﬀ

14,3

Wasser

4,2

Eisen

0,5

Helium

5,2

Alkohol

2,4

Aluminium

0,9

Argon

0,5

Petroleum

2,1

Kupfer

0,4

Luft

1,0

quecksilber 0,1

Blei

0,1

Die spezifische Wärmekapazität von Wasser

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Die Wärmeenergie Q, mit der ein Körper erwärmt werden kann, wird in Joule (J) angegeben. Die spezifische Wärmekapazität gibt an, wie viel Wärmeenergie notwendig ist, um 1 kg eines Stoﬀes um 1 K zu erwärmen. Wasser hat eine besonders hohe Wärmekapazität und sorgt so für den Temperaturausgleich auf der Erde.

Flüssigkeiten

Die Fähigkeit des Wassers, sehr viel Wärme aufnehmen zu können, ist sehr bedeutend für das Leben auf der Erde. Das Wasser der Meere kann im Sommer viel Wärme aufnehmen, die sie im Winter langsam wieder abgibt. Durch die Meeresströmungen und die Bildung von Wolken, die über dem Land Regen bewirken, wird so die Wärme auf der Erdoberfläche verteilt. Das Wasser sorgt so für einen Temperaturausgleich zwischen unterschiedlichen geografischen Lagen und zwischen den Jahreszeiten.

Wärme ist Energie 95

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

1) Wärme oder Temperatur? – Vervollständige den folgenden Text, indem du in die Lücken die Begriﬀe „Wärme“ oder „Temperatur“ einsetzt! %%%%

Die ______________________ ist eine Eigenschaft eines Körpers. Je höher die Geschwindigkeit der Teilchen, aus denen der Körper besteht, im Durchschnitt ist, desto höher ist seine _____________________. Wenn man den Körper in zwei gleich

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große Teile zerschneidet, haben beide Teile danach dieselbe _____________________. Im Gegensatz dazu halbiert sich die _____________________ in jedem der beiden Teile. Die ______________________ ist die Menge an Energie, die in einem Körper steckt und die dafür sorgt, dass sich seine Teilchen bewegen.

Bringt man zwei Körper mit unterschiedlichen _______________________ miteinander in Kontakt, dann fließt

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_____________________, also Energie, vom Körper mit der höheren _____________________ zu dem mit niedrigerer _____________________. Die ______________________ des einen Körpers nimmt dabei ab, die des anderen nimmt zu. ______________________ fließt so lange, bis beide Körper dieselbe ______________________ haben. „Kälte“ ist keine physikalische Größe. Körper sind nicht „kalt“, sie sind nur unterschiedlich „warm“. Ein Körper, der eine niedrigere ______________________ hat als seine Umgebung, enthält weniger ____________________. Wenn du ihn berührst, fließt ____________________ von deinen Fingern in den kälteren Körper. Dadurch sinkt auch die ____________________ in deinen Fingern. Du empfindest die niedrigere ____________________ in deinen Fingern als kalt.

2) Spezifische Wärmekapazität von Flüssigkeiten – Hilf Emilio festzustellen, um welche Flüssigkeit es sich handelt! %%%%Tipp: Die Tabelle auf S. 94 hilft dir dabei.

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Emilio hat in einem Schrank eine Flasche mit einer klaren durchsichtigen Flüssigkeit gefunden. Auf der Flasche befindet sich aber leider kein Etikett. Um herauszufinden, um welche Flüssigkeit es sich handelt, schüttet er die Flüssigkeit in einen Topf. In einen anderen Topf gießt er die gleiche Menge Wasser. Dann stellt er beide Töpfe auf zwei gleiche Heizplatten.

Mit einem Thermometer misst Emilio nun die Temperaturen beider Flüssigkeiten. Zunächst wartet er, bis sich in beiden Töpfen Raumtemperatur (20 °C) eingestellt hat. Dann schaltet er beide Heizplatten gleichzeitig ein. Nach einiger Zeit misst er erneut die Temperaturen. Das Wasser hat eine Temperatur von 40 °C. Die Temperatur der unbekannten Flüssigkeit beträgt 55 °C. Um welche Flüssigkeit handelt es sich?

40 °C

Bei der unbekannten Flüssigkeit handelt es sich um

____________________________________

Wasser

55 °C

96 Wärme ist Energie

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

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3) Fest, flüssig oder gasförmig? – Welchen Aggregatzustand haben die Gegenstände, die auf diesen Bildern dargestellt sind. Schreibe „F“ für fest, „Fl“ für flüssig und „G“ für gasförmig in die Kästchen! %

4) Halbe Sätze – Diese Sätze sind durcheinandergeraten. Verbinde die zusammenpassenden Satzteile mit einem Lineal, dann ergeben die Buchstaben – der Reihe nach gelesen – ein Lösungswort! %% R Am absoluten Nullpunkt

aus winzigen Teilchen.

physikalische Größe.

Um 1 g Wasser um 1 °C zu erwärmen,

G Wasser hat eine besonders

die für die Bewegung der Teilchen sorgt.

W Alle Körper bestehen

benötigt man eine Energie von 4,2 J.

bewegen sich die Teilchen nicht.

hohe spezifische Wärmekapazität.

Die Fähigkeit, Wärme aufzunehmen,

M Kälte ist keine

LÖSUNGSWORT:

bezeichnet man als spezifische Wärmekapazität. R

Oly

U Wärme ist die Energie,

Wärme ist Energie

Wohin ist das Wasser verschwunden, welches zuvor in der Wäsche war?

Verdampfen und Verdunsten

Warum wird die Wäsche zum Trocknen aufgehängt? Der Übergang der Teilchen von flüssig zu gasförmig erfolgt nur an der Oberfläche. Je größer die Oberfläche ist, desto rascher geschieht dies. Beim Aufhängen der Wäsche wird íhre Oberfläche vergrößert.

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Ahmet spielt im Garten, während sein Vater die frisch gewaschene Wäsche aufhängt. Einige Stunden später ruft ihn sein Vater zu sich. „Sei so nett und hilf mir, die Wäsche abzunehmen!“, meint er. „Wieso?“, fragt Ahmet. „Die ist doch nass.“ „In der Zwischenzeit müsste sie aber schon trocken sein“, erwidert sein Vater. Ahmet geht zur Wäscheleine und betastet die Wäsche. Tatsächlich, die Wäsche ist nicht mehr nass.

21. ÜBERGÄNGE ZWISCHEN AGGREGATZUSTÄNDEN

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Sicherlich kannst du dich noch daran erinnern, was passiert, wenn man Wasser kocht. Die Teilchen, aus denen das Wasser besteht, bewegen sich so schnell, dass sie an der Oberfläche die Kohäsionskräfte überwinden können. Wasser kocht bei 100 °C. Diesen Vorgang nennt man Verdampfen.

Verdampfen ist der Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand bei der Siedetemperatur.

Aber schon bei viel niedrigeren Temperaturen kommt es zu einer Zustandsänderung des Wassers: Nicht alle Teilchen im flüssigen Wasser haben die gleiche Geschwindigkeit. Manche sind schneller, andere langsamer.

Um Getränke zu kühlen, kann man sie in ein feuchtes Tuch einwickeln.

Teilchen mit hoher Geschwindigkeit können an der Oberfläche das flüssige Wasser verlassen. Diesen Vorgang nennt man Verdunsten.

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Verdunsten ist der Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand unterhalb der Siedetemperatur.

Versuch Führt das Experiment „Kältemischung“ auf S. 167 durch!

Die Verdunstungswärme

Beim Verdunsten verlassen die „wärmsten“ Teilchen, also die Teilchen mit der höchsten Geschwindigkeit und der höchsten Energie, die Flüssigkeit. Dadurch geht der Flüssigkeit Wärmeenergie verloren, sie kühlt ab. Diese Energie wird als Verdunstungswärme bezeichnet. Die Wärmeenergie strömt aus der Umgebung nach. Die Umgebung wird dadurch kälter. Deshalb spricht man manchmal auch von „Verdunstungskälte“. Das ist der Grund, warum dir auch kalt wird, wenn nach dem Duschen das Wasser auf deiner Haut trocknet oder wenn du mit nassen Haaren ins Freie gehst. Dein Körper nutzt die Verdunstungswärme aber auch, um sich vor Überhitzung zu schützen. Wenn du schwitzt, sondert dein Körper Flüssigkeit ab, die beim Verdunsten deinen Körper kühlt.

Verdunstet nur Wasser? Jede Flüssigkeit verdunstet und benötigt dazu Wärmeenergie. Je niedriger ihr Siedepunkt ist, desto rascher verdunstet sie. So verdunstet Alkohol rascher als Wasser, Quecksilber viel langsamer.

Wärme ist Energie Was geschieht beim Sieden?

Wie du weißt, siedet Wasser bei 100 °C. Wird Wärme zugeführt, dann bilden sich bei dieser Temperatur Gasblasen aus Wasserdampf in der Flüssigkeit und steigen nach oben. Mehr Wärme führt dazu, dass mehr Dampfblasen entstehen. Die gesamte zugeführte Wärmeenergie wird zur Dampferzeugung eingesetzt. Um Wasser am Sieden zu erhalten, muss laufend neue Wärmeenergie zugeführt werden. Die Temperatur des Wassers steigt dabei nicht an.

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Wie hoch steigt der Druck in einem Druckkochtopf an? Ein Überdruckventil am Deckel sorgt dafür, dass der Druck nicht so hoch steigen kann, dass das Gefäß explodiert. Oberhalb von 1 800 hPa lässt das Ventil den Dampf ab.

Bei höherem Luftdruck steigt die Siedetemperatur von Wasser an. Mehr Druck bedeutet, dass über der Wasseroberfläche mehr Luftteilchen vorhanden sind. Diese behindern die Wasserteilchen beim Austritt aus der Flüssigkeit.

mp eV

Überlege: Warum verringert sich die Kochzeit bei einer höheren Temperatur?

Bei normalem Luftdruck von etwa 1 000 hPa (1 bar) siedet Wasser bei 100 °C. Erhöht man den Luftdruck auf 1 800 hPa, dann steigt die Siedetemperatur auf 116 °C an. In einem Druckkochtopf wird das Wasser in einem abgeschlossenen Gefäß erwärmt, sodass der Wasserdampf nicht entweichen kann. Dadurch steigt der Druck im Inneren an. Durch die erhöhte Temperatur kann man die Kochzeit verringern.

Druckkochtopf

Andererseits siedet Wasser bei geringerem Luftdruck schon bei niederer Temperatur. Würdest du am Mount Everest Wasser kochen, würde es bereits bei 70 °C sieden, da der Luftdruck in einer Höhe von 8 848 m nur 325 hPa beträgt.

Schmelzen und Erstarren

Beim Schmelzvorgang wird die regelmäßige Anordnung der Teilchen in einem festen Körper aufgelöst. Dazu ist Energie erforderlich.

Eiswürfel in einem Getränk bewirken, dass die Temperatur bei 0 °C bleibt, bis das Eis geschmolzen ist.

Oly

Die Schmelz- oder Erstarrungsenergie wird in J/g angegeben. Sie ist die Energie, die erforderlich ist, um 1 g eines Stoﬀes zu schmelzen:

Wie beim Sieden so wird auch beim Schmelzen die zugeführte Energie, die Schmelzwärme, für die Änderung des Zustandes benötigt. Daher steigt auch die Temperatur während des Schmelzvorganges nicht an.

Eisen

268 J/g

Gold

63 J/g

Kupfer

210 J/g

quecksilber

12 J/g

Sauerstoﬀ

13 J/g

Wachs

176 J/g

Wasser

334 J/g

Schmelzen ist der Übergang vom festen in den flüssigen Zustand.

Den umgekehrten Vorgang nennt man Erstarren. Dabei ordnen sich die Teilchen wieder in einem regelmäßigen Muster an. Die Energie, die zum Schmelzen aufgewendet worden ist, wird dabei wieder frei. In diesem Fall nennt man sie Erstarrungswärme. Die Erstarrungswärme ist genau so groß wie die Schmelzwärme.

Erstarren ist der Übergang vom flüssigen in den festen Zustand.

Wärme ist Energie

Kondensieren Wo ist dir selbst schon einmal aufgefallen, dass Wasser an einer kalten Oberfläche kondensiert? Denke dabei an dein Badezimmer nach dem Duschen oder Baden!

Die Teilchen eines Gases wie Wasserdampf haben eine höhere Geschwindigkeit als die von flüssigem Wasser. Treﬀen diese auf eine kalte Oberfläche, dann geben sie einen Teil ihrer Bewegungsenergie ab. Sie werden dadurch langsamer, sodass sie die Kohäsionskräfte zwischen den Teilchen nicht mehr überwinden können. An der kalten Oberfläche lagern sich die Teilchen in Form von winzigen Tröpfchen ab. Diesen Vorgang nennt man Kondensieren.

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Kondensieren ist der Übergang vom gasförmigen in den flüssigen Zustand.

niederschlagen: eine Schicht bilden

Das Wasser, das sich auf einer kalten Oberfläche niederschlägt, war zuvor Bestandteil der Luft. Doch welche Menge an Wasser kann die Luft aufnehmen?

mp eV

Wie viel Wasser die Luft aufnehmen kann, hängt vor allem von ihrer Temperatur ab. Bei 20 °C können maximal 17 g Wasser in 1 m³ Luft enthalten sein. Bei 30 °C können bereits 30 g in 1 m³ Luft und bei 100 °C sogar 588 g aufgenommen werden. Ist dieser Maximalwert erreicht, dann spricht man davon, dass die Luft mit Wasser gesättigt ist. Die relative Luftfeuchtigkeit beträgt dann 100 %. Wird warme Luft rasch abgekühlt, kann man das Kondensieren besonders gut beobachten. Beim Einatmen wird die Luft im Rachen und in der Lunge angewärmt und mit Wasser „aufgeladen“. Atmet man im Winter diese Luft aus, dann kühlt sie rasch ab. Das enthaltene Wasser kondensiert und bildet feine Tröpfchen in der Luft. Diese können wir als Dampfwolke sehen.

Das Wasser in heißen Speisen verdunstet. Die „Verdunstungskälte“ sorgt dafür, dass die Speisen dabei abkühlen. Über der Speise ist die Luft mit Wasser gesättigt, sodass kein weiteres Wasser verdunsten kann. Beim „Blasen“ wird die gesättigte Luft weggeblasen, sodass frische Luft wieder Wasser aufnehmen kann.

Sublimation und Resublimation

Eines Tages im Winter beobachtet Ahmet, wie sein Vater im Garten Wäsche aufhängt. Obwohl es unter 0 °C hat und das Wasser in der Wäsche rasch gefriert, stellt Ahmet nach einiger Zeit fest, dass die Wäsche trotzdem trocken geworden ist. Wie kann gefrorenes Wasser verdunsten?

Oly

Es gibt auch einen Übergang vom festen Zustand eines Stoﬀes direkt in den gasförmigen, wobei der flüssige Zustand übersprungen wird. Diesen Übergang nennt man Sublimation. Der umgekehrte Übergang wird als Resublimation bezeichnet.

relativ: verhältnismäßig, hier R im Verhältnis zum Maximalwert

Sublimation ist der Übergang vom festen in den gasförmigen Zustand, Resublimation vom gasförmigen in den festen Zustand.

Sublimation ist dafür verantwortlich, dass im Winter manchmal der Schnee immer weniger wird, ohne dass es taut. Die Resublimation kennst du vielleicht als „Raureif“, der sich im Winter an Fensterscheiben oder an Bäumen niederschlägt. Auch die Eisschicht in einem Tiefkühlschrank entsteht durch Resublimation.

Raureif auf Grashalmen im Winter

100 Wärme ist Energie Das Zustandsdiagramm

Welche Zustände in welchen Bereichen eingenommen werden können, stellt man übersichtlich in einem Zustandsdiagramm dar. Im Zustandsdiagramm ist ersichtlich, bei welcher Temperatur welche Zustände gleichzeitig auftreten können. Die Linie zwischen „Wasserdampf“ und „flüssiges Wasser + Wasserdampf“ gibt z. B. an, bei welcher Temperatur 221 000 und bei welchem Druck kritischer hPa ﬂüssiges Wasser Wasser siedet. Bei einem Druck Punkt + Wasserdampf Eis + von 1 000 hPa liegt dieser Wert Wasserdampf bei 100 °C. Ebenso ist ersichtlich, bei welchen Werten 1 000 hPa Wasser fest wird. Bei 1 000 hPa 6 hPa WasserTripelpunkt geschieht dies bei 0 °C. dampf

erl

mp eV

kritischer Druck

Druck

Was ist überkritisches Wasser? Oberhalb des kritischen Punktes hat Wasser gänzlich andere Eigenschaften als „normales“ Wasser. In diesem Zustand kann es z. B. viele Kunststoﬀe auflösen. Daher wird es auch zum Zersetzen von Elektronik-Abfällen eingesetzt.

Welchen Zustand ein Stoﬀ einnimmt, hängt von der Temperatur und vom Druck ab. In manchen Temperatur- und Druckbereichen kann der Stoﬀ nicht nur einen Zustand einnehmen. So kann z. B. Wasser bei 20 °C und einem Druck von 1 000 hPa sowohl flüssig sein, als auch in Form von Wasserdampf vorliegen.

Druck

Zustandsänderungen auf einen Blick Verdampfen/Verdunsten fl R g Schmelzen f R fl Erstarren fl R f Kondensieren g R fl Sublimation fRg Resublimation gRf g: gasförmig fl: flüssig f: fest

Betrachte die senkrechte Temperatur Linie bei 50 °C. Bei dieser 374 °C 0 °C 50 °C 100 °C Temperatur siedet Wasser bei Zustandsdiagramm von Wasser ca. 120 hPa. Oberhalb dieses Drucks ist Wasser flüssig, aber es gibt auch Wasserdampf. Bei einem niedrigeren Druck ist kein flüssiges Wasser mehr möglich, es kann lediglich als Dampf auftreten.

Tripelpunkt und kritischer Punkt

fest + gasförmig

ﬂüssig + gasförmig

kritischer Punkt

Tripelpunkt

gasförmig

Im Zustandsdiagramm siehst du zwei besondere Punkte: ƒ Tripelpunkt: Dieser gibt an, bei welcher Temperatur und bei welchem Druck alle 3 Aggregatzustände möglich sind. Bei Wasser liegt er bei 0,01°C und 0,6 hPa. ƒ Kritischer Punkt: Mit zunehmendem Druck steigt die Dichte eines Gases immer mehr an. Ab einem gewissen Druck und einer gewissen Temperatur ist seine Dichte so groß wie die der Flüssigkeit. Oberhalb dieses kritischen Punktes kann man das Gas und die Flüssigkeit nicht mehr unterscheiden. Bei Wasser liegt der kritische Punkt bei 374 °C und 221 000 hPa.

kritische Temperatur Temperatur

Die Anomalie des Wassers

Das Zustandsdiagramm des Wassers sieht etwas anders aus als das von anderen Stoﬀen. Oberhalb des Tripelpunktes gibt es kein Eis mehr, während bei anderen Stoﬀen in diesem Bereich bei hohem Druck sehr wohl der feste Aggregatzustand möglich ist. Das führt dazu, dass Wasser bei 4 °C seine größte Dichte hat und sich sowohl bei höheren als auch bei tieferen Temperaturen ausdehnt.

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Zustandsdiagramm eines Stoﬀes ohne Anomalie

Jeder Stoﬀ kann in drei Aggregatzuständen vorkommen: fest, flüssig und gasförmig. Welche Zustände möglich sind, hängt von der Temperatur und vom Druck ab. Zum Übergang eines Zustandes in einen anderen ist Energie notwendig.

Festes Wasser – das Eis – ist also weniger dicht als flüssiges Wasser. Deshalb schwimmt Eis im Wasser und Gewässer frieren im Winter meist nicht bis zum Grund zu.

8 °C 7 6 5 4

0 °C 1 2 3 4

Wärme ist Energie 101

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

1) Verdunsten – Was geschieht, wenn Wasser verdunstet? Bringe die Sätze in die richtige Reihenfolge, dann ergeben die Buchstaben ein Lösungswort! %%%% Tipp: Beginne beim fett gedruckten Satz! P

Die Teilchen, die zurückbleiben, haben eine geringere Energie und eine geringere Geschwindigkeit als die, die den Tropfen verlassen haben.

Daher empfindest du Wassertropfen auf der Haut als kalt.

Dadurch kühlt der Tropfen ab.

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Sie nehmen ihre Bewegungsenergie mit und entziehen so dem Tropfen diese Energie.

Die Energie, die die Teilchen beim Verdunsten mitnehmen, wird also letztendlich deiner Haut entzogen.

Durch Wärmeleitung gelangt aber ständig neue Energie aus deiner Haut in den Tropfen.

RR E

TT P

Manche werden dadurch schneller, andere werden abgebremst. Bei den Stößen wird Energie übertragen.

mp eV

Diese verlassen den Wassertropfen und gehen in den gasförmigen Zustand über. Die Teilchen in einem Wassertropfen auf deiner Haut stoßen immer wieder aneinander. An der Oberfläche des Tropfens können die schnellsten Teilchen die Kohäsionskräfte überwinden.

LÖSUNGSWORT: T

Oly

2) Wäschetrocknen leicht gemacht – Markiere die hier gezeigten Vorgänge! %% + = unterstützt das Trocknen von Wäsche – = behindert das Trocknen von Wäsche

102 Wärme ist Energie

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

Temperatur

3) Temperaturverlauf – Dieses Diagramm zeigt dir, wie sich die Temperatur eines Stoﬀes ändert, wenn Wärmeenergie zugeführt wird. Trage die passenden Nummern in die Kreise ein! %%%%

1. Schmelzen des Stoﬀes 2. Siedetemperatur 3. Temperaturanstieg im

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flüssigen Zustand 4. Verdampfen des Stoﬀes 5. Schmelztemperatur 6. Temperaturanstieg im festen Zustand

Zufuhr von Wärmeenergie

Verdampfen

mp eV

4) Ändern des Aggregatzustandes – Male zusammenpassende Kästchen mit der gleichen Farbe an! %%% flüssig R fest

fest R gasförmig

Kondensieren

Resublimation

Erstarren

Sublimation

gasförmig R flüssig

fest R flüssig

Schmelzen gasförmig R fest flüssig R gasförmig

5) Richtig oder falsch – Kreuze an, ob die folgenden Aussagen richtig oder falsch sind, dann erhältst du ein Lösungswort! %%%

falsch

Beim Schmelzvorgang löst sich die regelmäßige Anordnung der Teilchen auf.

Je wärmer sie ist, desto weniger Wasserdampf kann die Luft aufnehmen.

Im Tripelpunkt treten alle drei Aggregatzustände gleichzeitig auf.

Die Dichte von Wasser ist bei 4 °C am größten.

Raureif entsteht durch Sublimation.

Beim Kondensieren wird Wasserdampf flüssig.

Je höher der Druck ist, desto niedriger ist die Siedetemperatur.

Oly

Beim Verdunsten einer Flüssigkeit erwärmt sich die Flüssigkeit.

LÖSUNGSWORT:

richtig

Wärme ist Energie 103

22. WÄRME BREITET SICH AUS

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Warum wird der Löffel im heißen Tee heiß, die Tasse jedoch nicht?

In welche Richtung wird Wärme geleitet? Wärme fließt immer nur in eine Richtung, nämlich von einer wärmeren Stelle zu einer kälteren. Dabei gleicht sich die Temperatur im ganzen Körper aus. Es ist jedoch nicht möglich, dass eine Stelle wärmer wird, während andere abkühlen.

Mara liegt mit Grippe im Bett. Ihre Mutter bringt ihr eine Tasse mit heißem Lindenblütentee. Während sie mit dem Löffel den Tee umrührt, wird der metallene Löffel immer wärmer, bis er zu heiß ist, um ihn anzufassen. Die Tasse selbst kann sie aber trotzdem noch in der Hand halten.

Wenn man einen kalten Gegenstand aus Metall in eine warme Flüssigkeit taucht, dann prallen die schnellen Teilchen der Flüssigkeit an der Oberfläche auf die Teilchen des Metalls. Dabei geben die Teilchen der Flüssigkeit einen Teil ihrer Energie an die Teilchen des Metallgitters ab. Dadurch schwingen die Teilchen an der Metalloberfläche stärker – diese wird warm.

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Die Teilchen an der Oberfläche geben die Schwingung an weiter innen liegende Teilchen weiter, die ebenfalls stärker zu schwingen beginnen. So wird die Wärmeenergie von der Oberfläche ins Innere des Löﬀels geleitet. Man spricht von Wärmeleitung. Die Wärmeleitung ist ein langsamer Vorgang, da die Schwingung von einem Teilchen zum nächsten weitergegeben werden muss. So wird die Wärme erst nach einiger Zeit von dem Teil des Löﬀels, der in den heißen Tee eingetaucht ist, bis zu dem Teil geleitet, den Mara in der Hand hält.

Die Wärmeleitfähigkeit

Manche feste Stoﬀe leiten die Wärme besser als andere. So sind Metalle, also Stoﬀe, die auch Elektrizität gut leiten, im Allgemeinen sehr gute Wärmeleiter, während das Porzellan, aus dem die Teetasse besteht, die Wärme nur sehr schlecht leitet. Deswegen kann Mara die Tasse mit dem heißen Tee auch halten, ohne sich die Finger zu verbrennen.

Wärmeleitung in Flüssigkeiten und Gasen

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In Flüssigkeiten und Gasen können sich die Teilchen frei bewegen. Je wärmer sie sind, desto schneller bewegen sie sich. Die schnellen Teilchen übertragen bei Zusammenstößen ihre Bewegungsenergie auf ihre Nachbarn. So wird die Wärme in Flüssigkeiten und Gasen geleitet. Diese sind schlechtere Wärmeleiter als Festkörper.

Die Wärmeleitfähigkeit eines Stoﬀes wird in Watt pro Meter und pro °C angegeben – W/(m • °C). Einige Beispiele: Stoﬀ W/(m • °C) Eisen 80 Kupfer 401 Aluminium 236 Glas 0,8 Beton 2,1 Styropor 0,04 Wolle 0,04 Wasser 0,6 Luft 0,03 Vakuum *) 0 *) Im Vakuum gibt es keine Wärmeleitung, da keine Teilchen vorhanden sind, die ihre Bewegung weitergeben können.

Warum „tanzt“ ein Wassertropfen auf der heißen Herdplatte? Ein Teil des Wassers verdampft und bildet ein Polster aus Dampf, auf dem der Tropfen schwebt. Der Dampf leitet die Wärme kaum und verhindert so, dass der Tropfen rasch verdampft. Dieser Eﬀekt wird „LeidenfrostPhänomen“ genannt.

Elektrische Leiter sind auch gute Wärmeleiter. Elektrische Isolatoren hingegen sind schlechte Wärmeleiter. Auch Flüssigkeiten und Gase sind schlechte Wärmeleiter.

Dampf heiße Herdplatte

104 Wärme ist Energie Wärme in bewegten Flüssigkeiten und Gasen In einer Flüssigkeit oder in einem Gas bewegen sich zwar die einzelnen Teilchen, jedoch bewegen sich in jede Richtung gleich viele Teilchen wie in die Gegenrichtung. Die Teilchenbewegungen sind ausgeglichen, daher sagt man, „das Medium befindet sich in Ruhe“.

Medium: hier R flüssiger oder gasförmiger Stoﬀ Warum kann es in festen Körpern keine Wärmeströmung geben?

erl Strömung in einem Glas mit Wasser

Das Medium kann in einer Strömung auch Wärmeenergie mit sich führen. Man spricht in diesem Fall vom Wärmeströmung oder Konvektion. In einem Kochtopf wird das Wasser von unten erhitzt. Das Wasser am Boden des Topfes wird dabei warm. Da warmes Wasser eine geringere Dichte hat als Konvektion in einem Kochtopf kaltes Wasser, steigt es auf und transportiert dabei die Wärmeenergie an die Oberfläche. Dort übertragen die Wasserteilchen ihre Bewegung auf die Teilchen der Luft. Das Wasser gibt so Wärmeenergie an die Umgebung ab und kühlt dabei ab. Das kühlere Wasser sinkt wieder nach unten. Dadurch bewegt sich das Wasser im Topf im Kreis. Man spricht von Zirkulation.

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Wie funktioniert ein Rauchfang? Das Feuer erhitzt die Luft. Diese steigt im Rauchfang nach oben. Der Rauchfang muss hoch genug sein, dass dadurch am Boden ein Unterdruck entsteht, durch den frische Luft angesaugt wird. So wird verhindert, dass sich die Abgase in der Wohnung ausbreiten. Der Rauchfangkehrer überprüft, ob der Rauchfang hoch genug und nicht verstopft ist.

Bewegt sich jedoch das Medium, dann spricht man von einer Strömung. Es gibt jedoch auch Strömungen, bei denen sich das Medium nicht als Ganzes bewegt, sondern wo es zu einer Bewegung innerhalb eines Mediums kommt. Das geschieht etwa, wenn du ein Glas mit Wasser umrührst.

Wärmeströmung im Wasser kann auch benutzt werden, um eine Wohnung oder ein Haus zu heizen. Bei einer Zentralheizung wird das Wasser in einem Kessel erwärmt. Das warme Wasser wird dann mit einer Pumpe durch Rohrleitungen zu den einzelnen Heizkörpern transportiert. In den Heizkörpern gibt das Wasser seine Wärmeenergie zunächst an das Metall des Heizkörpers und dann an die Luft ab, kühlt ab und gelangt wieder in den Kessel zurück.

Oly

Konvektion in der Luft

Versuch

Führt das Experiment „Das Laufrad über der Kerze“ auf S. 168 durch!

Überlege! Wo ist es in einem Raum am kältesten, wo am wärmsten?

Auch warme Luft steigt auf. In einem geschlossenen Raum steigt sie daher zur Decke, kühlt dort ab und sinkt wieder zu Boden. Ein Heizkörper in einem Raum versetzt auf diese Weise die Luft in Zirkulation. So kann ein Wohnraum gleichmäßig beheizt werden.

Bei Wärmeströmung oder Konvektion wird die Wärmeenergie von einem sich bewegenden Medium transportiert.

Wärme ist Energie 105

Wie also breitet sich die Wärmeenergie aus?

Wärmeübertragung durch Strahlung

Prisma: geometrischer Körper, hier R mit 3-eckiger Grundfläche

Hast du dir eigentlich schon einmal überlegt, wie die Wärmeenergie der Sonne auf die Erde kommt? Zwischen der Sonne und der Erde liegt ein luftleerer Raum, in dem es keine Wärmeleitung oder -strömung gibt.

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Die Sonne gibt ständig Strahlung ab. Das sichtbare Licht ist nur ein kleiner Teil dieser Strahlung. Wenn man das Licht der Sonne durch ein Glasprisma fallen lässt, dann entsteht dahinter ein Bild, welches an einen Regenbogen erinnert.

Wie nimmt das Auge Licht wahr? Auch im Licht, das auf die Netzhaut deines Auges triﬀt, steckt Energie. Diese wird von den Sinneszellen des Auges absorbiert und in Nervensignale umgesetzt.

Neben den Farben, die durch das Prisma sichtbar gemacht werden, gibt es noch Farben, die wir nicht sehen können. Der unsichtbare Anteil des Lichts, der nach dem violetten Anteil des Lichts kommt, wird „ultraviolettes Licht“ oder „UV-Licht“ genannt. Der Anteil nach dem roten Anteil ist das „infrarote Licht“ oder „IR-Licht“.

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Zur Erzeugung der Strahlung in der Sonne wird Energie benötigt. Fällt diese Strahlung auf einen Gegenstand, so werden bestimmte Teile davon von diesem aufgenommen (absorbiert). Die in dieser Strahlung enthaltene Energie wird wieder in Wärmeenergie umgewandelt. So gelangt die Wärmeenergie der Sonne durch Wärmestrahlung zu uns.

Jeder Körper gibt Strahlung ab. Wie sich diese Strahlung zusammensetzt, hängt jedoch von der Temperatur des Körpers ab. Um Strahlung im sichtbaren Bereich abzugeben, muss ein Körper so wie die Sonne sehr heiß sein. Bei niedrigeren Temperaturen gibt er vor allem Strahlung im IR-Bereich ab. Wenn du deine Hand neben eine Flamme hältst, spürst du die Wärme, die dadurch entsteht, dass die IR-Strahlung des Feuers auf deine Haut triﬀt.

Erinnere dich an die Glühbirne! Wie wird dort elektrische Energie in Licht umgewandelt?

Wovon hängt ab, wie viel Wärmestrahlung absorbiert wird? Dunkle Gegenstände absorbieren mehr Wärmestrahlung als helle. Außerdem absorbieren Gegenstände mit rauer Oberfläche mehr Strahlung als glatte.

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Wie wird Wärmestrahlung aufgenommen?

Fällt die geeignete Strahlung auf ein Teilchen eines Gegenstandes, so verstärkt die Strahlung die Schwingung des Teilchens. Dieses nimmt die Energie der Strahlung auf und wird dabei wärmer.

Wärmestrahlung breitet sich so wie das Licht immer in gerader Richtung aus. Daher kann sie auch abgehalten werden. Im Schatten, wie unter einem Sonnenschirm, spürt man die Wärmestrahlung der Sonne nicht so stark.

Ein Sonnenschirm hält die Wärmestrahlung ab.

ACHtuNg! Wirkt die Wärmestrahlung der Sonne längere Zeit auf den ungeschützten Kopf ein, kann ein Sonnenstich die Folge sein. Dieser zeigt sich durch Kopfschmerzen und Übelkeit.

Die Wärmemenge, die durch Wärmestrahlung übertragen wird, hängt davon ab, wie viel Strahlung auf eine Fläche auftriﬀt. Daher erwärmt sich eine Fläche, die senkrecht zur Strahlung steht, stärker als eine, auf die die Strahlung schräg auftriﬀt.

stärker

106 Wärme ist Energie Solarturm

Reflexion der Wärmestrahlung Bei einem Sonnenkraftwerk sind viele einzelne Spiegel so ausgerichtet, dass die Wärmestrahlung auf einen einzigen Punkt reflektiert wird. Dort wird es sehr heiß. Aus der Wärmeenergie wird elektrische Energie gewonnen.

Sonnenlicht

Sonnenkraftwerk Spiegel

Versuch

Hast du dich schon einmal gefragt, warum der Eisbär nicht friert? Die Erklärung liegt im Fell, welches ihn vor der Kälte schützt. Zwischen den Haaren des Fells befinden sich Millionen von mit Luft gefüllten Hohlräumen. Da Luft die Wärme sehr schlecht leitet, geht so nur sehr wenig Körperwärme verloren. Den Schutz vor dem Verlust von Wärme nennt man Wärmeisolierung. Die Kleidung, die dich im Winter vor der Kälte schützt, funktioniert nach demselben Prinzip. Auch in den winzigen Hohlräumen zwischen den Fasern, aus denen der Stoﬀ besteht, befindet sich Luft. Wenn du mehrere Schichten übereinander anziehst, liegen zwischen den einzelnen Kleidungsstücken noch zusätzliche isolierende Luftschichten.

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Führt die Experimente „Das Doppelglasfenster“ und „Hell und dunkel“ auf S. 169 durch!

Schutz vor Wärmeverlust – Wärmeisolierung

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Funktion eines Sonnenkraftwerks

Da Schnee winzige Hohlräume enthält, kann man damit Iglus bauen, in denen es angenehm warm ist.

Eisbären frieren selbst bei sehr tiefen Temperaturen nicht.

massiv: nicht hohl, sondern ganz aus einem bestimmten Material bestehend

Besonders wichtig ist die Wärmeisolierung beim Hausbau. Durch gute Isolierung kann der Energieverlust stark verringert werden. Wärmedämmplatten werden an Dächern und Hauswänden angebracht. Diese Platten enthalten ebenfalls unzählige winzige Hohlräume und werden häufig in mehreren Schichten gepresst. Fenster bestehen meist aus mehreren einzelnen Glasscheiben, zwischen denen sich ein isolierender Luftraum befindet. Größerer Hohlräume im Fensterrahmen würden dazu führen, dass Wärme durch Wärmeströmung verloren geht. Daher werden sie oft mit Isolierschaum ausgefüllt, der beim Aushärten winzige Luftbläschen bildet. Auch die Ziegel, mit denen die Wände eines Hauses gemauert werden, sind nicht massiv, sondern enthalten Luftlöcher. So tragen auch sie zur Wärmeisolierung eines Hauses bei.

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In einem festen Körper pflanzt sich die Wärme durch Wärmeleitung fort. Die Wärmeleitfähigkeit gibt an, wie rasch Wärme transportiert werden kann. Sie hängt vom Material ab. In Flüssigkeiten und Gasen erfolgt der Wärmetransport durch Wärmeströmung. Wärme kann auch durch Strahlung übertragen werden.

Im Winter plustern sich Vögel auf. Sie spreizen dabei ihre Federn auf, sodass dazwischen luftgefüllte Hohlräume entstehen.

Ziegel

Wärmedämmplatte

Fenster mit mehreren Glasscheiben

Bedenke! Da die Energie für das Heizen von Wohnungen und Häusern einen großen Anteil des weltweiten Energieverbrauchs ausmacht, ist beim Hausbau jede einzelne Maßnahme wichtig, die zum Energiesparen beitragen kann.

Wärme ist Energie 107

23. WÄRME IM WOHNRAUM

Was genau geschieht beim Heizen?

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Der Wind bläst ums Haus und es regnet. Zum ersten Mal in diesem Herbst ist es wirklich kalt. „Zeit, die Heizung in Betrieb zu nehmen!“, meint Emmas Vater. Er stellt den Thermostat von Sommer- auf Winterbetrieb um. Kurz darauf blubbert es in den Heizkörpern und Emmas Vater eilt mit einem kleinen Schraubenschlüssel von Heizkörper zu Heizkörper, um Luft aus den Ventilen zu lassen. Emma legt ihre Hand auf einen der Heizkörper und sagt: „Der ist ja noch ganz kalt!“ Ihr Vater lacht: „Ein wenig Geduld musst du schon haben, es dauert eine Weile, bis es warm wird.“

Ein Thermostat ist ein Gerät, welches die Temperatur im Raum misst. Fällt sie unter einen zuvor gewählten Wert, schaltet der Thermostat die Heizung ein. Sobald Thermostat es aber warm genug ist, schaltet er die Heizung ab.

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In den Heizkörpern zirkuliert Wasser, das von einem zentralen Heizgerät erwärmt wird. Daher nennt man so eine Heizung auch Zentralheizung.

Häufig ist direkt am Heizkörper ein Thermostat angebracht. So kann die Wärme in einzelnen Räumen unterschiedlich eingestellt werden.

Im Wasser ist Luft gelöst, die beim Erwärmen Luftblasen bildet. Diese Luftblasen verursachen das Blubbern, das Emma gehört hat. Damit das Wasser ungestört zirkulieren kann, müssen diese Luftblasen Entlüften eines Heizkörpers entfernt werden.

In der Heizungsanlage eines Hauses oder eine Wohnung bewegt sich das Wasser im Kreis. Wie eine Zentralheizung funktioniert, hast du schon im vorherigen Kapitel gelesen. Da es einige Zeit dauert, bis das gesamte Wasser in allen Heizkörpern und auch in den Rohren warm ist, wird es in einem Haus oder in einer Wohnung nur langsam warm.

Brenner einer Gasheizung

Methoden der Wärmeerzeugung

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In Österreich werden etwa 93 % der Häuser und Wohnungen mit einer Zentralheizung beheizt. Die Art und Weise, wie die Wärme erzeugt wird, kann jedoch sehr unterschiedlich sein. Meist wird ein Brennstoff verbrannt. Mit der entstehenden Wärme wird das Wasser erhitzt. ƒ BIOGENE BRENNSTOFFE: Darunter versteht man Brennstoffe wie Holz, Hackschnitzel oder Pellets. Diese benötigen viel Platz zum Lagern. In Österreich werden etwa 31 % der Haushalte mit biogenen Brennstoffen beheizt. ƒ ERDÖL: Dieses wird in einem Tank gelagert. Der Anteil von Ölheizungen beträgt ca. 25 %. ƒ ERDGAS: Meist wird das Gas in Rohrleitungen bis direkt zum Brenner geleitet. In Österreich heizen etwa 24 % der Haushalte mit Erdgas. ƒ FERNWäRME: Die Wärme wird nicht im Haus oder in der Wohnung erzeugt. Ihr Anteil beträgt ca. 12 %. ƒ ELEKTRIZITäT: In ca. 4,5 % der Haushalte wird elektrisch geheizt. ƒ ERDWäRME und SOLARWäRME: Die Wärme kommt aus dem Erdinneren oder von der Sonne. Der Anteil dieser beiden Energieformen liegt bei etwa 3 %.

Hackschnitzel: zerkleinertes Holz

Pellets: stäbchenförmig zusammengepresste Holzreste Wie wird bei dir zu Hause geheizt? Frage deine Eltern!

108 Wärme ist Energie Fernwärme

Vor allem in Städten wird die Wärme nicht in den einzelnen Häusern oder Wohnungen erzeugt, sondern in eigenen Kraftwerken. Dort wird Wasser erhitzt, welches durch Rohre mit dicker Wärmeisolierung zu den einzelnen Haushalten geleitet wird. Diese Rohre sind meist in der Erde vergraben. Manchmal wird auch die Wärme genutzt, die z. B. in einer Müllverbrennungsanlage anfällt.

Erdwärme

Scheit: gespaltetes Holzstück Kachel: Fliese, Keramikplatte

Im Erdinneren herrscht immer eine gleichmäßige Temperatur. Die in der Erde gespeicherte Wärme kann zum Heizen verwendet werden. Dazu wird ein etwa 100 m tiefes Loch in die Erde gebohrt. In diesem Loch wird eine Rohrleitung verlegt, in der eine Flüssigkeit zirkuliert. Diese erwärmt sich in der Tiefe und bringt die Wärmeenergie an die Oberfläche.

Solarwärme

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Koks: aus Kohle gewonnenes Heizmaterial

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Müllverbrennungsanlage Spittelau (Wien)

Fernwärmerohre

Oﬀene Kamine und Kachelöfen

Die meisten Häuser und Wohnungen werden mit einer Zentralheizung beheizt. Als Energiequelle werden biogene Brennstoﬀe, Erdöl, Erdgas, Fernwärme, Elektrizität, Erd- oder Solarwärme genutzt.

Solaranlage

Die Wärme, die in einem oﬀenen Kamin entsteht, wird durch das Verbrennen von Holzscheiten erzeugt. Allerdings kann nur ein geringer Anteil (10 bis 20 %) der entstehenden Wärme genutzt werden, denn ein Großteil der Wärme geht durch den Rauchfang verloren. Ist das Feuer erloschen, gibt der oﬀene Kamin keine Wärme mehr ab.

Auch im Kachelofen brennt ein Holzfeuer. Allerdings wird die entstehende Wärme im Mauerwerk des Ofens sowie in den Kacheln gespeichert und über eine längere Zeit hindurch gleichmäßig abgegeben. Der Wirkungsgrad eines Kachelofens liegt zwischen 70 und 80 %. Kachelöfen können aber auch mit anderen Brennstoﬀen wie Kohle oder Koks betrieben werden.

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Ein Beruf stellt sich vor: der Hafner Lange Zeit wurden kaum neue Kachelöfen gebaut, da viele Haushalte mit Öl oder Gas beheizt wurden. Dadurch ging auch die Zahl der Hafner, also der Handwerker, die Kachelöfen errichten, zurück. Seitdem der Umweltschutz immer mehr an Bedeutung gewinnt, steigen viele Haushalte beim Heizen auf erneuerbare Energie um. Deshalb sind auch wieder Hafner gefragt.

Die auftreﬀende Sonnenstrahlung erhitzt Wasser, das zum Heizen und für die Warmwasserbereitung verwendet werden kann. Auch im Winter hat die Sonne noch so viel Kraft, dass man an einigen Tagen mit Solarwärme heizen kann.

Kachelofen

Niedrigenergie- und Passivhäuser

Durch sehr gute Wärmeisolierung kann erreicht werden, dass man kaum Energie zum Heizen benötigt. Passivhäuser benötigen überhaupt keine Heizung. Bei diesen Häusern reicht die Abwärme von Beleuchtung und Haushaltsgeräten aus, um das Haus zu beheizen. Bei Passivhäusern erfolgt die Lüftung durch eine spezielle Anlage, welche die in der Abluft enthaltene Wärmeenergie zurückgewinnt.

Wärme ist Energie 109

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

In der doppelten Wand einer Thermoskanne befindet sich ein Vakuum, dadurch wird der Wärmetransport von der heißen Flüssigkeit nach außen verhindert.

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Helle Farben nehmen die Wärmestrahlung besser auf als dunkle, daher tragen die Menschen in der Wüste häufig schwarze Kleidung.

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248

Ein Teebecher aus Metall hält die Wärme besonders gut in der Flüssigkeit. In Metallgefäßen geht kaum Wärme verloren.

1) Richtig isolieren – Was kann man tun, um Wärmeverluste zu vermeiden? Kreuze die richtigen Aussagen an, die Zahlen ergeben addiert die Zahl 770! %%%

Styropor ist ein Material, das zum Großteil aus Luft besteht. Daher ist es sehr gut für die Wärmeisolierung geeignet.

Die winzigen Luftbläschen zwischen den Fasern eines Wollpullovers sorgen dafür, dass möglichst wenig Wärme verloren geht.

Um Wärmeverluste zu vermeiden, muss man Konvektionsströmungen verhindern.

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Unter der Schneedecke ist es viel kälter als darüber. Daher muss der Schnee völlig geschmolzen sein, bevor im Frühling die ersten Pflanzen austreiben.

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Es ist unnötig, Fenster aus mehreren einzelnen Scheiben zu bauen, da Glas ein hervorragender Isolator ist. Daher ist es vor allem wichtig, dass das Glas möglichst dick ist.

418

612

Die Eisenstäbe in Stahlbeton sind dafür verantwortlich, dass Stahlbeton besonders gut isoliert.

________________________

= 770

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2) Wärmeleitung, ja oder nein – In welchen dieser Bilder soll die Wärmeleitung möglichst groß sein und in welchen möglichst klein? Markiere die Bilder, in denen Wärmeleitung erwünscht ist, mit „+“, in denen sie unerwünscht ist, mit „–“! %%%

110 Wärme ist Energie

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

3) Heizkörper entlüften – Die einzelnen Schritte, die zum Entlüften eines Heizkörpers erforderlich sind, sind leider durcheinandergekommen. Bringe die Entlüftungsanleitung in die richtige Reihenfolge, indem du die Zahlen von 1 – 9 vor die einzelnen Schritte schreibst! %%%%

Bringe den Temperaturregler am Heizkörper in die gewünschte Stellung! Halte ein Gefäß unter das Entlüftungsventil des Heizkörpers!

Schalte die Pumpe der Heizung wieder ein!

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Achtung! Möglicherweise ist das Wasser, das aus dem Ventil kommt, heiß.

Öffne mit einem Entlüftungsschlüssel vorsichtig das Ventil!

Überprüfe die Druckanzeige der Heizung! Falls erforderlich, fülle Wassers nach!

Schalte die Pumpe der Heizung ab!

Schließe das Ventil, sobald keine Luft, sondern nur noch Wasser herauskommt!

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Drehe den Temperaturregler am Heizkörper, den du entlüften willst, ganz auf!

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4) Brennstoffe für die Zentralheizung – Womit kann die Heizung eines Hauses oder einer Wohnung betrieben werden? Ziehe von den Stoﬀen, die sich dazu eignen, Pfeile zum Haus! %%

Wärme ist Energie 111

Wenn ihr zu Hause einen frei stehenden Kühlschrank habt, lege einmal die Hand auf das Gitter an der Rückseite des Gerätes! Du hörst und spürst, wenn sich der Kühlschrank einschaltet. Wie ändert sich danach die Temperatur des Gitters?

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Pauls Eltern bekommen eine neue Küche. Beim Einbau des Kühlschranks meint sein Vater: „Wir müssen darauf achten, dass zwischen Kühlschank und Wand etwas Platz bleibt.“ „Warum?“, will Paul wissen. „Die Rückseite des Kühlschranks wird beim Betrieb warm“, erklärt der Vater, „denn die Wärme, die beim Kühlen den Lebensmitteln entzogen wird, wird hinten wieder abgegeben.“

24. WÄRME UND KÄLTE

Wie kann die Wärme aus dem Inneren des Kühlschranks abtransportiert werden?

Rückseite eines Kühlschranks

Komprimierte Gase werden warm

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Wenn du mit einer Pumpe einen Fahrradreifen aufpumpst, kannst du spüren, dass das untere Ende der Pumpe warm wird. Beim Pumpen drückst du die Luft zusammen. Die Temperatur eines Gases erhöht sich, wenn der Druck ansteigt. Umgekehrt sinkt die Temperatur, wenn der Druck abnimmt und das Gas sich ausdehnt.

Dieser Eﬀekt kann genutzt werden, um Wärmeenergie von einem Ort zu einem anderen zu transportieren:

Ein Gas wird von einem Kompressor in einer abgeschlossenen Rohrleitung unter Druck gesetzt. Dabei erwärmt es sich, seine Temperatur ist danach höher als die Umgebungstemperatur.

Drossel: sehr enge Stelle in der Rohrleitung des Kühlschranks; durch diese Verengung kann nur eine geringe Menge des Kältemittels hindurchströmen.

Das erwärmte Gas mit hohem Druck wird durch ein Rohr geleitet. Dabei kühlt es auf die Umgebungstemperatur ab. Die Wärmeenergie wird an die Umgebung abgegeben.

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Das kalte Gas mit geringem Druck nimmt Wärmeenergie aus der Umgebung auf. Es erwärmt sich auf Umgebungstemperatur. Danach gelangt das Gas wieder in den Kompressor und der Kreislauf beginnt von Neuem.

Schematische Darstellung des Wärmetransports

In der Skizze oben wird dadurch Wärmeenergie von links nach rechts transportiert.

Das komprimierte Gas strömt durch eine Drossel. Dabei nimmt der Druck ab und das Gas kühlt ab. Es ist jetzt kälter als die Umgebungstemperatur.

112 Wärme ist Energie Der Kompressorkühlschrank Die Wärmeenergie aus dem Inneren eines Kühlschranks wird nach demselben Prinzip nach außen transportiert. Allerdings wird in einem Kühlschrank als Kältemittel eine Flüssigkeit verwendet, deren Siedepunkt bei etwa –30 °C liegt. Im Kühlkreislauf wird diese Flüssigkeit abwechselnd verdampft und wieder verflüssigt. In einem Kühlschrank gibt es einen Bereich mit hohem Druck (etwa 1 bar). Unter diesem Druck ist das Kühlmittel selbst bei Raumtemperatur (etwa 20 °C) flüssig. Im Bereich mit geringem Druck verdampft die Flüssigkeit. Die zum Verdampfen erforderliche Wärme wird dem Inneren des Kühlschrankes entzogen, welches dadurch abkühlt.

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Wie muss ein Kühlschrank aufgestellt werden? Damit die Wärmeenergie an der Rückseite des Kühlschranks abgegeben werden kann, muss die Luft ungehindert vorbeiströmen können.

Welche Funktion hat der Thermostat im Kühlschrank?

Zwischen dem Hoch- und dem Niederdruckbereich befindet sich auf der einen Seite der Kompressor, auf der anderen die Drossel.

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Der Kühlschrank in 4 Schritten Im Kompressor wird der Druck des Gases auf etwa 1 bar erhöht. Dabei erwärmt es sich.

Das warme Gas gelangt zum Kondensator an der Rückseite des Kühlschranks. Dort kühlt es ab und wird unter dem hohen Druck flüssig. Die Wärmeenergie wird an die Umgebung abgegeben.

Im Verdampfer, der sich in der Rückwand des Kühlschranks befindet, verdampft aufgrund des geringeren Drucks das Kältemittel. Die dazu erforderliche Verdampfungswärme wird dem Inneren des Kühlschranks entzogen. Dieses wird dadurch abgekühlt. Das verdampfte Kältemittel gelangt wieder zum Kompressor.

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Durch die Drossel gelangen nur geringe Mengen des Kältemittels. Daher ist der Druck im Kühlkreislauf nach der Drossel geringer.

Wie pflegt man einen Kühlschrank? Damit ein Kühlschrank gut funktioniert, darf der Wärmetransport nicht gestört werden. Daher müssen außen am Kondensator der Staub und innen das Eis regelmäßig entfernt werden.

gasförmiges kältemittel

ﬂüssiges kältemittel

In einem Kühlschrank wird Wärmeenergie aus einem abgeschlossenen Raum nach außen transportiert und an die Umgebung abgegeben. Dazu ist elektrische Energie notwendig. Diese treibt über einen Elektromotor den Kompressor an. Kompressor eines Kühlschranks

Wärme ist Energie 113 Die Wärmepumpe

Wie gelangt die Wärme aus der Wärmepumpe in den Wohnraum? In der Wärmepumpe zirkuliert eine spezielle Flüssigkeit, die leicht verdampft. Durch die Heizkörper fließt jedoch Wasser. Der Wärmetransport von der Flüssigkeit in das Wasser erfolgt durch einen Wärmetauscher.

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umgebung

kühlschrank

umgebung

Wohnraum

Nach demselben Prinzip kann umgekehrt auch Wärme aus der Umgebung entnommen und in einen abgeschlossenen Raum – z. B. einen Wohnraum – hinein transportiert werden. Ein Gerät, das diesen Wärmetransport ermöglicht, nennt man „Wärmepumpe“.

Kühlschrank

Wärmepumpe

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Meist wird Wärme nicht aus der Luft entnommen. Einerseits ändert sich die Temperatur der Luft je nach Wetter und Jahreszeit sehr stark, andererseits ist die in der Luft enthaltene Wärmemenge nur sehr gering. Daher nutzt man die Wärme in Wärmereservoirs, deren Temperatur möglichst gleich bleibt und in denen viel Wärmeenergie enthalten ist (z. B. Grundwasser oder tiefe Erdschichten).

Kraft aus Wärme

Unter Energieeinsatz kann ein Temperaturunterschied zwischen zwei Orten erreicht werden. Umgekehrt kann aber auch ein Temperaturunterschied genutzt werden, um mechanische Energie zu gewinnen. Dazu benötigt man zwei Kolben, die sich in einem Zylinder bewegen, der an einem Ende erhitzt und am anderen Ende gekühlt wird. Ein Kolben, der Regenerator (R), ist von vielen dünnen Kanälen durchbohrt. Dieser steht ganz rechts. Das Gas befindet sich im heißen Bereich. Es dehnt sich aus, strömt durch die Kanäle und schiebt den Arbeitskolben (A) nach rechts.

q R

q A

Das Schwungrad drückt A nach links und komprimiert das Gas.

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A steht in der Nähe des äußersten Punktes. Das Schwungrad dreht sich weiter und schiebt R nach links. Dadurch strömt das heiße Gas weiter durch die dünnen Kanäle in R und erwärmt dabei R. Im kühlen Bereich wird das Gas abgekühlt.

Das Schwungrad dreht sich weiter und zieht R nach rechts. Dabei strömt das kalte Gas durch die Bohrungen und wird dabei durch die in R gespeicherte Wärme erhitzt. Sobald sämtliches Gas im heißen Bereich ist, wird es weiter erwärmt.

So einen Motor, der Wärme in Arbeit umwandelt, nennt man Stirlingmotor. Die Wärme wird dabei vom heißen zum kühlen Bereich transportiert.

Wärmetauscher: Die heiße Flüssigkeit fließt durch Rohre, die sich in einer anderen Flüssigkeit befinden. Reservoir: Speicher, Sammelbecken, Behälter Kolben: beweglicher Teil einer Maschine, der das Volumen des freien Raums im Zylinder verändert Regenerator: kurzfristiger Wärmespeicher Schwungrad: schweres Rad, das sich aufgrund seiner Trägheit weiterdreht

Gase erwärmen sich, wenn sie komprimiert werden und kühlen ab, wenn sie sich ausdehnen. Beim Kühlschrank wird ein Kältemittel abwechselnd kondensiert und verdampft. Dabei findet ein Wärmetransport statt. Auch bei der Wärmepumpe wird dieses Verfahren genutzt.

114 Wärme ist Energie

25. WÄRME IN DER TECHNIK

Erhitzt man in einem geschlossenen Gefäß Wasser, dann steigt beim Verdampfen der Druck des Dampfes über der Flüssigkeit sehr stark an. Bei 100 °C beträgt der Druck etwa 1 bar. Auch bei höheren Temperaturen bleibt das heiße Wasser durch den Druck flüssig. Der Druck des Dampfes über dem Wasser nimmt aber sehr stark zu. So beträgt er bei 370 °C mehr als 200 bar.

1,013 bar

15,55 bar

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0,023 bar

Wird ein Teil des Dampfes über dem flüssigen Wasser abgelassen, strömt dieser Dampf mit hohem Druck heraus. Im Gefäß verdampft dabei weiteres Wasser und der Druck bleibt erhalten.

Diese Dampfmaschine aus dem Jahr 1850 erbrachte eine Leistung von ca. 7 KW. Sie steht in Nürnberg (Deutschland).

20 °C

100 °C

200 °C

85,88 bar

210,4 bar

300 °C

370 °C

Druckanstieg bei steigender Temperatur

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Vom Dampfdruck zur Dampfmaschine

Im Jahr 1712 baute der englische Schmied Thomas Newcomen die erste Maschine, die die Kraft, die im heißen Dampf steckt, nutzte. Newcomens Dampfmaschine wurde dazu verwendet, um Wasser aus einem Bergwerk abzupumpen. Mit dieser ersten Dampfmaschine begann die Industrielle Revolution, von der du im Geschichtsunterricht schon gehört hast.

Schmied: Handwerker, der Eisen bearbeitet

Der schottische Erfinder James Watt verbesserte diese Dampfmaschine. Hatte Newcomens Maschine noch einen Wirkungsgrad von 0,5 %, so erreichte die von Watt einen Wirkungsgrad von 3 %.

Schieber

Zylinder

Schwungrad

kolben

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Pleuelstange

Bei einer Dampfmaschine strömt heißer Dampf unter hohem Druck in einen Zylinder und bewegt einen Kolben. Dieser treibt über eine Pleuelstange ein Schwungrad an.

1. Takt: Der Dampf strömt von der rechten Seite in den Zylinder und drückt den Kolben nach links. Der Schieber ist an seiner linken Position. Dadurch wird der Weg frei, durch den der abgekühlte Dampf nach außen gepresst werden kann.

2. Takt: Der Schieber wird durch das Schwungrad nach rechts geschoben. Dadurch strömt der Dampf von links in den Zylinder. Der Kolben bewegt sich nach rechts und drückt den kühleren Dampf des vorigen Taktes aus dem Zylinder.

Wärme ist Energie 115 Einsatz von Dampfmaschinen

Die ersten Dampfmaschinen wurden im Bergbau und in der Industrie eingesetzt. Sie wurden vor allem mit Kohle beheizt und trieben Pumpen und andere Maschinen an. Solche Dampfmaschinen erreichten Leistungen bis zu 11 000 kW (15 000 PS).

Mit der Entwicklung von Verbrennungsmotoren wurden Dampfmaschinen weitgehend verdrängt.

Dampfschiﬀ „Schönbrunn“ der DDSG

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Zu Beginn des 19. Jh. wurden die ersten Dampflokomotiven gebaut, die lange Zeit die leistungsfähigsten Verkehrsmittel waren. Teilweise sind auch heute noch Dampflokomotiven im Einsatz. Dampflokomotiven erreichen Geschwindigkeiten von bis zu 200 km/h.

Benzin als Treibstoﬀ in Verbrennungsmotoren

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Bei Dampfmaschinen wird heißer Wasserdampf zum Antrieb verwendet. Dieser wird außerhalb in einem Kessel erzeugt. Auch Verbrennungsmotoren verwenden heiße Gase, allerdings entstehen diese direkt im Motor.

DDSG Im Jahr 1829 wurde in Österreich die DonauDampfschiﬀfahrtsGesellschaft gegründet. Sie betrieb Dampfschiﬀe auf der Donau und ihren Nebenflüssen.

Woher kommen die heißen Gase?

Benzin ist eine brennbare Flüssigkeit, die aus Erdöl gewonnen wird. Schon bei sehr niedrigen Temperaturen verdunstet das Benzin. Das gasförmige Benzin mischt sich mit Luft. Diese Mischung ist hochexplosiv. kolben

Zündkerze

Genau diese Eigenschaft von Benzin nutzt man beim Ottomotor. In einem abgeschlossenen Brennraum, dem Zylinder, wird ein Benzin-LuftGemisch entzündet. Durch die sehr rasche Verbrennung entstehen heiße Gase mit sehr hohem Druck. Dieser Druck wirkt auf einen Kolben und drückt ihn nach unten. Eine Pleuelstange überträgt die Bewegung des Kolbens auf die Kurbelwelle.

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Die Vermischung von Benzin und Luft erfolgt entweder außerhalb des Zylinders im Vergaser oder indem Benzin in die Luft, die in den Zylinder gesaugt wird, eingespritzt wird. Gezündet wird das Gemisch mit dem elektrischen Funken einer Zündkerze, die sich oben im Zylinder befindet.

Pleuelstange

Zylinder

Meist besteht der Motor eines Fahrzeugs aus mehreren Zylindern. Die Pleuelstangen der einzelnen Kolben sind an einer gemeinsamen Welle – der Kurbelwelle – angebracht. Je mehr Zylinder ein Motor hat, desto mehr Leistung erbringt er. Aber auch der Hubraum, das ist das Volumen, in dem sich die Kolben bewegen, beeinflusst die Leistung. Zündkerzen

Dampfbetriebener Traktor für die Landwirtschaft

Woher kommt der Name „Ottomotor“? Der mit Benzin betriebene 4-Takt-Motor wurde nach dem deutschen Erfinder Nicolaus August Otto benannt, der in den 70er-Jahren des 19. Jh. maßgeblich an der Entwicklung dieses Motors beteiligt war.

116 Wärme ist Energie Der Viertaktmotor

E KR Bei einem Reihenmotor sind die Zylinder hintereinander angeordnet.

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Viele der Autos, die du täglich siehst, werden mit Benzin angetrieben. In ihrem Motor befinden sich die Zylinder. Im oberen Teil eines Zylinders, dem „Zylinderkopf“, gibt es zwei Ventile: Das Einlass- und das Auslassventil. Die Bewegung des Kolbens im Zylinder kann in 4 Takte unterteilt werden, die sich beim Betrieb des Motors ständig wiederholen:

1. Takt Ansaugtakt Das Einlassventil (E) ist geöﬀnet. Der Kolben bewegt sich nach unten und saugt dabei das Benzin-Luft-Gemisch in den Zylinder.

Bei einem V-Motor sind die Zylinder schräg wie der Buchstabe V angeordnet.

3. Takt Arbeitstakt Die Ventile bleiben geschlossen. Durch den Druck der heißen Verbrennungsgase wird der Kolben nach unten gedrückt.

4. Takt Auspuﬀtakt Das Auslassventil (A) ist geöﬀnet. Der Kolben bewegt sich nach oben und drückt die Abgase – das verbrannte Benzin-Luft-Gemisch – aus dem Zylinder.

Um die Reibung zwischen den Teilen, die sich in einem Viertaktmotor bewegen, zu verringern, müssen diese ständig geschmiert werden. Eine Ölpumpe transportiert Schmieröl zur Kurbelwelle (KW) sowie in den Zwischenraum zwischen dem Kolben und der Zylinderwand. Rund um den Kolben befinden sich die Kolbenringe (KR). Diese dichten den Hubraum ab und verhindern, dass die heißen Verbrennungsgase am Kolben vorbeiströmen.

An der Kurbelwelle sind Schwungscheiben (S) angebracht. Diese bewirken mit ihrer Trägheit, dass sich der Motor nicht nur während des Arbeitstakts weiterdreht. Sie liefern die notwendige Bewegungsenergie für die anderen 3 Takte. Bei einem Motor mit mehreren Zylindern erfolgen die Zündungen in den einzelnen Zylindern nicht gleichzeitig, sondern zeitlich versetzt. Bei 4 Zylindern befindet sich so immer ein Zylinder im Arbeitstakt.

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Wie funktioniert ein Katalysator? Der Katalysator ist aus einer dünnen Folie aufgebaut, die zahlreiche enge Kanäle bildet. So entsteht eine sehr große Oberfläche, die mit dem Edelmetall Platin beschichtet ist. Die heißen Abgase werden durch diese Kanäle geleitet. Das Platin bewirkt, dass ein großer Teil der schädlichen Anteile in den Abgasen in unschädliche umgewandelt wird.

2. Takt Verdichtungstakt Beide Ventile sind geschlossen. Der Kolben bewegt sich nach oben und verdichtet das Gemisch. Knapp bevor der Kolben an seinen höchsten Punkt gelangt, entzündet die Zündkerze (Z) das Gemisch.

Die Verbrennungsgase gelangen aus dem Zylinder in den Auspuﬀ. Dieser dämpft die Geräusche, die bei der raschen Verbrennung des Benzin-Luft-Gemisches in den Zylindern entstehen. Die Abgase strömen dabei durch den Katalysator. Dieser verringert die Schadstoﬀe in den Abgasen. Querschnitt durch einen Katalysator

Wärme ist Energie 117 Der Zweitaktmotor

1. takt

Beim Zweitaktmotor erfolgt jedes Mal, wenn der Kolben den höchsten Punkt erreicht hat, eine Zündung. Es gibt daher nur zwei Takte. Zweitaktmotoren sind einfacher gebaut als Viertaktmotoren, sie benötigen keine Ventile. Der Kolben selbst wirkt wie ein Ventil, indem er die Einströmund die Auspuﬀöﬀnung zum richtigen Zeitpunkt verschließt oder freigibt.

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1. Takt: Während sich der Kolben nach oben bewegt, verdichtet er das Benzin-Luft-Gemisch im Zylinder. Gleichzeitig vergrößert sich der Raum unterhalb des Kolbens. Dort entsteht ein Unterdruck, durch den neues Benzin-Luft-Gemisch angesaugt wird. Knapp bevor der Kolben seinen höchsten Punkt erreicht hat, erfolgt die Zündung.

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2. Takt: Die heißen Verbrennungsgase breiten sich aus und drücken den Kolben nach unten. Dabei wird im Raum unter dem Kolben das frische Benzin-Luft-Gemisch verdichtet. Sobald der Kolben die Auspufföffnung freigegeben hat, strömen die Abgase in den Auspuff. Knapp danach wird auch die Einströmöffnung freigegeben und das verdichtete Benzin-LuftGemisch gelangt in den Zylinder. Dabei verdrängt es die Reste der Verbrennungsgase.

2. takt

Auspuﬀöﬀnung

Ansaugöﬀnung Einströmöﬀnung

Beim Zweitaktmotor erfolgt die Schmierung durch Öl, das dem Benzin beigemischt wird. Das mit Schmieröl versetzte Benzin-Luft-Gemisch umströmt die Kurbelwelle.

Der Dieselmotor

Auch Dieselkraftstoﬀ ist eine brennbare Flüssigkeit, die aus Erdöl gewonnen wird. Allerdings ist Diesel wesentlich schwerer zu entzünden als Benzin.

Rudolf Diesel, der Erfinder des Dieselmotors

Ebenso wie der Ottomotor arbeitet der Dieselmotor in 4 Takten. Allerdings benötigt der Dieselmotor keine Zündkerzen und keinen Vergaser. Beim Ansaugtakt wird lediglich Luft angesaugt. Diese wird im anschließenden Verdichtungstakt auf ein 20-stel ihres Volumens komprimiert. Dadurch erwärmt sie sich auf 700 bis 900 °C. Am Ende des Verdichtungstaktes wird durch eine Einspritzpumpe der Diesel direkt in den Zylinder eingespritzt. Durch die hohe Temperatur der Luft entzündet er sich von selbst.

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Um einen kalten Dieselmotor zu starten, ist im Zylinderkopf eine elektrische Glühkerze eingebaut. Die Wärme, welche die Glühkerze erzeugt, erleichtert den Startvorgang.

Wo werden Dieselmotoren verwendet?

Der Wirkungsgrad von Dieselmotoren ist höher als der von Benzinmotoren. Außerdem ist die Energiedichte von Diesel höher als die von Benzin. Daher kommen Dieselmotoren vor allem dort zum Einsatz, wo eine hohe Leistung und ein geringer Treibstoffverbrauch wichtig sind. So werden Dieselmotoren in Lastkraftwägen, Schiffen oder als Notstromaggregate eingesetzt. Aber auch viele Autos fahren mit Dieselmotoren. Dieselmotor in einem Schiff

Wo werden Zweitaktmotoren eingesetzt? Da Zweitaktmotoren einfacher aufgebaut sind als Viertaktmotoren, werden sie überall dort eingesetzt, wo man sehr kleine Motoren benötigt, wie bei Mopeds, Rasenmähern oder Motorsägen.

Notstromaggregat: Gerät, mit dem bei einem Stromausfall für eine gewisse Zeit die Stromversorgung aufrechterhalten werden kann (z. B. in einem Krankenhaus)

118 Wärme ist Energie Der Wankelmotor Im Jahr 1933 entwickelte der deutsche Ingenieur Felix Wankel einen Motor, bei dem sich die Kolben nicht auf und ab bewegen. Der nach ihm benannte Wankelmotor enthält einen dreieckig geformten Kolben, der sich dreht. Der Kolben und der Zylinder sind so geformt, dass der sich drehende Kolben das Benzin-Luft-Gemisch ansaugt und verdichtet. Das sich nach der Zündung ausdehnende heiße Gas versetzt den Kolben in Drehung. Die 4 Takte laufen also gleichzeitig ab. Der Vorteil des Wankelmotors besteht darin, dass keine Pleuelstangen erforderlich sind und die Drehbewegung direkt genutzt wird.

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Wankelmotor

Ingenieur/in: Fachmann/Fachfrau auf einem technischen Gebiet

Die Dampfturbine

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Turbinenschaufel: flacher gebogener Bauteil einer Maschine; ähnlich dem Blatt eines Ventilators

Auch die Dampfturbine setzt die Energie eines heißen Gases direkt in eine Drehbewegung um. Eine Dampfturbine besteht aus einer Welle, auf der zahlreiche Turbinenschaufeln kreisförmig angeordnet sind. Der heiße Dampf strömt unter hohem Druck auf die Schaufeln und versetzt sie in Drehbewegung. In Kraftwerken dienen Dampfturbinen dazu, über einen Generator Wärmeenergie in elektrische Energie umzuwandeln. Diese Dampfturbinen erreichen eine Leistung von bis 1 700 MW.

Dampfmaschinen nutzen den hohen Druck von Wasserdampf. Ottomotoren verbrennen Benzin, es gibt sie als Zweitakt- oder Viertaktmotoren. In Dieselmotoren wird Diesel verbrannt. Wankelmotoren, Dampfturbinen und Strahltriebwerke erzeugen direkt eine Drehbewegung.

Dampfturbine

Aber auch Schiﬀe, die einen sehr leistungsfähigen Antrieb benötigen, sind mit Dampfturbinen ausgerüstet. Bei den stärksten Schiﬀen wie Eisbrechern oder Flugzeugträgern wird der Dampf durch einen Atomreaktor erzeugt.

Das Strahltriebwerk

Strahltriebwerke werden vor allem als Antrieb von Düsenflugzeugen verwendet. Ein Strahltriebwerk besteht aus mehreren auf einer gemeinsamen Welle montierten Turbinenrädern. Die vorderen Turbinenräder saugen Luft an und verdichten sie. In einer Brennkammer wird Treibstoﬀ eingespritzt und entzündet. Dadurch steigt der Druck stark an. Das heiße Gemisch aus Luft und Verbrennungsgasen versetzt die Turbinenräder im hinteren Teil des Triebwerks in Drehung. Diese liefern die Kraft, die auf die Welle übertragen wird.

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Was sind Biokraftstoffe? Darunter versteht man Kraftstoffe, die nicht aus Erdöl, sondern aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen werden. So wird Biodiesel aus pflanzlichen Ölen hergestellt. Bioethanol wird aus anderen Bestandteilen von Pflanzen gewonnen.

Das Gemisch aus Luft und Verbrennungsgasen verlässt das Triebwerk mit hoher Geschwindigkeit und erzeugt einen Rückstoß. Dieser bewegt das Flugzeug nach vorne. Strahltriebwerk

Turbinenräder

Brennkammer

Welle

Wärme ist Energie 119

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

1) Heizen mit Erdwärme – Lies diesen Informationstext über die Erdwärmeheizung zuerst aufmerksam durch! Dann beschrifte die Skizze, indem du die im Text fett gedruckten Begriﬀe richtig einsetzt! %%%% Will man die Wärme aus tiefen Erdschichten für die Heizung nutzen, dann benötigt man dazu drei getrennte Kreisläufe: Im Solekreislauf (Sole: Salzlösung) wird Sole in die Tiefe gepumpt und kommt erwärmt wieder an die Oberfläche. In einem Wärmetauscher wird die Wärme an den zweiten Kreislauf, die Wärmepumpe, abgegeben.

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In der Wärmepumpe zirkuliert ein Kältemittel. Da im Wärmetauscher des Solekreises ein geringer Druck herrscht, erfolgt hier die Verdampfung des Kältemittels. Dabei kühlt es zunächst ab und nimmt dann Wärme aus der Sole auf. Ein Kompressor setzt den Kältemitteldampf unter Druck. In einem zweiten Wärmetauscher findet die Kondensation des Kältemittels statt. Anschließend fließt das flüssige Kältemittel durch die Drossel, bevor es mit geringem Druck wieder in den Wärmetauscher des Solekreislaufes gelangt.

Im zweiten Wärmetauscher wird die bei der Kondensation des Kältemittels frei werdende Wärme an den Heizkreislauf abgegeben. In diesem wird Wasser durch Rohrleitungen und Heizkörper gepumpt, um das Haus zu heizen. 2) Bestandteile eines Autos – Ordne die einzelnen Teile eines Autos in der Abbildung richtig zu, indem du die Buchstaben neben die Beschreibung schreibst! Wenn du alles richtig gemacht hast, erhältst du ein Lösungswort. %% Auspuff (R)

Stoßdämpfer (N)

Motor (D)

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Keilriemen (L)

Bremse (E)

überträgt die Kraft des Motors auf die Lichtmaschine dient zum Wechseln der Gänge

liefert die Kraft für den Antrieb

Getriebe (Y)

formt die Motorkraft um

federt beim Fahren Stöße ab

Schaltung (I)

LÖSUNGSWORT: .

erzeugt elektrischen Strom im Auto

Lichtmaschine (Z) .

bewirkt, dass das Auto langsamer wird leitet die Abgase des Motors ab

120 Wärme ist Energie

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

3) Wärmekraftmaschinen – Hier siehst du mehrere Abbildungen von Wärmekraftmaschinen. Beschrifte sie richtig, indem du die Begriﬀe aus dem Kästchen einsetzt! %%%

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4) Der Benzinmotor – Hier erfährst du, was beim Starten und beim Abstellen des Benzinmotors eines Autos geschieht. Bringe die einzelnen Vorgänge in die richtige Reihenfolge, dann ergeben die Buchstaben ein Lösungswort. %%%%

Dreht man den Schlüssel ein Stück weiter, wird der Anlasser eingeschaltet. Dadurch wird das Benzin-Luft-Gemisch in die Zylinder gesaugt. Durch die eingeschaltete Zündung entsteht in der Zündkerze der Zündfunke und das Gemisch zündet.

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Nach einigen Zündvorgängen läuft der Motor von alleine und man kann den Zündschlüssel loslassen.

N T

Zum Abschalten des Motors dreht man den Zündschlüssel nach links.

Dadurch wird der Stromkreis zur Zündung unterbrochen und es gibt keine weiteren Zündvorgänge in den Zylindern.

Dabei handelt es sich um einen Elektromotor, der die Kurbelwelle dreht und damit die Kolben in Bewegung setzt.

Beim Umdrehen des Zündschlüssels wird zunächst der Stromkreis zwischen der Batterie und der Zündung geschlossen.

LÖSUNGSWORT: .

I U

PHYSIK-LABOR: Wärme 121

Experiment 1: Spezifische Wärmekapazität

Ziel des Experiments: Finde heraus, welcher Stoff viel Wärme speichert!

Du brauchst: Backrohr * Thermometer * verschiedene Gegenstände (z. B. Glas mit Wasser, Stück Holz, Gegenstand aus Eisen oder Aluminium, Stein, Topf mit Sand usw.) Ablauf:

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ƒ Lege zuerst alle Gegenstände in das Backrohr, dann stelle die Temperatur auf 50 °C ein und schalte das Backrohr ein! ƒ Warte 30 min, bis alle Gegenstände die gleiche Temperatur angenommen haben! ƒ Nun nimm die Gegenstände aus dem Backrohr! ACHTUNG: Greife sie nicht mit bloßen Fingern an, sondern nimm dazu ein Tuch! ƒ Miss nun die Temperatur der Gegenständ gleich, nachdem du sie aus dem Backrohr genommen hast! Danach miss die Temperatur im Abstand von jeweils 5 min mehrere Male hintereinander!

ƒ Trage zum Schluss die Temperaturen als Punkte in diesem Diagramm ein und verbinde diese durch eine Linie!

Temperatur (°C)

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TIPP: Da das Messen einige Zeit dauert, kannst du die Gegenstände auch nacheinander aus dem Backrohr nehmen. Wichtig ist, dass die Temperatur der Gegenstände immer nach demselben Zeitraum nach dem Herausnehmen gemessen wird.

50 45

Stelle fest, welche Gegenstände rasch abkühlen und welche langsam! Finde eine Erklärung dafür!

40 35 30 25

Zeit (min) 15

Experiment 2: Kondensation von Wasser

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Ziel des Experiments: Finde heraus, unter welchen Bedingungen Wasser kondensiert! Du brauchst: 2 gleiche Gläser * Topf * Wasser * Eiswürfel * Herd Ablauf: ƒ ƒ ƒ ƒ

Fülle Wasser in den Topf und bringe das Wasser auf dem Herd zum Kochen! Anschließend fülle ein Glas mit kaltem Wasser und gib die Eiswürfel dazu! Danach fülle das andere Glas mit heißem Wasser aus der Wasserleitung! Halte zum Schluss beide Gläser gleichzeitig über das kochende Wasser!

Was beobachtest du? Finde eine Erklärung dafür!

122 PHYSIK-LABOR: Wärme Experiment 3: Verdunstungswärme

Ziel des Experiments: Kühlen einer Flasche mit Wasser Du brauchst: Flasche * Handtuch * Wasser * Thermometer Ablauf:

ƒ Fülle die Flasche mit Wasser und lasse sie stehen, bis das Wasser Raumtemperatur angenommen hat! ƒ Nun miss die Temperatur des Wassers!

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ƒ Befeuchte dann das Handtuch und wickle es um die Flasche! ƒ Miss nun regelmäßig die Temperatur des Wassers in der Flasche, bis das Handtuch trocken ist! ƒ Führe Protokoll: Wie hoch ist die Wassertemperatur?

Was beobachtest du? Finde eine Erklärung dafür! Wassertemperatur nach:

20 min

40 min

60 min

90 min

120 min

150 min

180 min

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Protokoll:

Experiment 4: Dampfdruck

Ziel des Experiments: Beobachte den Dampfdruck bei unterschiedlichen Temperaturen! Du brauchst: Dose (aus Metall) * Kunststofffolie (Frischhaltefolie) * Gummiringerl * kochendes Wasser Ablauf:

ƒ Fülle zuerst die Dose etwa zur Hälfte mit kochendem Wasser! ƒ Dann verschließe die Dose mit der Kunststofffolie und mit einem Gummiringerl! ƒ Lass jetzt das Wasser abkühlen und beobachte dabei die Folie! Wie verhält sich die Folie? Finde eine Erklärung dafür!

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Experiment 5: Wärmeleitung

Ziel des Experiments: Stelle fest, welches Material Wärme gut leitet! Du brauchst: flaches Kochgefäß * Wasser * Kochlöffel aus Holz und Kunststoff * Metalllöffel * Herd Ablauf:

ƒ Fülle zuerst das Wasser in das Kochgefäß und bringe es zum Kochen! ƒ Lege nun die Löffel nebeneinander in das kochende Wasser! ƒ Berühre von Zeit zu Zeit vorsichtig die Löffel! Welcher Löffel wird am raschesten warm? Finde eine Erklärung dafür!

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PHYSIK-NEWS: Wärme Frage der Woche:

Was ist ein Die selbär ?

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Dehnt sich ein Gas sehr rasch aus, dann kühlt es ab. Diesen Effekt nutzt man bei schmerzhaften Sportverletzungen wie Prellungen oder Verstauchungen. Ein Vereisungsspray senkt die Temperatur an der betreffenden Körperstelle um mehrere °C ab. Durch die Kälte wird der Schmerz unterdrückt und ein verletzter Fußballer kann gleich wieder weiterspielen. Seit kurzem gibt es auch Vereisungssprays für Hundekot. Dadurch friert das „Häufchen“ des Vierbeiners ein, wird fest und kann leichter entfernt werden. Nebeneffekt: Auch der unangenehme Geruch verschwindet dadurch.

Kälte gegen Schmerz

Die Antwort findest du auf der nächsten Seite.

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Überkritisches Wasser: Es löst einfach alles!

Flüssiges Wasser bei –40 °C

Damit Wasser gefriert, müssen sogenannte „Kristallisationskeime“ vorhanden sein. An diesen lagern sich unterhalb von 0 °C Wasserteilchen an und werden zu Eis. Als Kristallisationskeime dienen winzige Verunreinigungen, die im Wasser praktisch immer vorhanden sind. Fehlen diese, dann kann Wasser bis zu -40 °C abgekühlt werden, ohne dass es gefriert.

Oberhalb einer Temperatur von 375 °C und einem Druck von 221 bar kann man nicht mehr unterscheiden, ob Wasser flüssig oder gasförmig ist. Es verhält sich zwar wie ein Gas, ist aber so dicht wie eine Flüssigkeit. In diesem Zustand hat das Wasser ganz andere Eigenschaften als „normales“ Wasser. Überkritisches Wasser ist ein ideales Lösungsmittel. Es zersetzt Elektronikschrott genauso wie radioaktiv verunreinigte Erde.

Kühlen in der guten alten Zeit

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Bevor es elektrische Kühlschränke gab, nutzten die Menschen Eis zum Kühlen. Im Winter wurden Eisblöcke aus dem Wasser von Teichen geschnitten und in tiefen Eiskellern gelagert. Dort hielt sich das Eis sehr lange. Im Sommer wurden die Eisblöcke aus dem Keller geholt und zum Kühlen von Lebensmitteln verwendet.

Unglaublich – aber wahr: Eis schützt vor Kälte

Sobald im Frühjahr die ersten Blüten an Obstbäumen erschienen sind, besteht die Gefahr, dass ein Frosteinbruch große Schäden für die Landwirtschaft verursacht. Doch manche Landwirte wissen sich zu helfen: Sie besprühen an kalten Tagen ihre Obstbäume mit Wasser. Dieses erstarrt auf den jungen Blüten und Blättern. Bei diesem Vorgang wird die Erstarrungswärme des Wassers freigesetzt. So kann die Temperatur nicht wesentlich unter den Gefrierpunkt sinken und die Blüten überleben die Frostperiode unbeschadet.

Buchtipps Grips! Das Auto: Geschwindigkeit ist keine Hexerei (Contmedia Verlag, 2009). Bernd Flessner, Geniale Denker und clevere Tüftler: 20 bahnbrechende Erfindungen (Beltz & Gelberg, 2009). Kay Spreckelsen: Das U-Boot in der Limoflasche: Mit 100 Experimenten Naturgesetze verstehen (FISCHER KJB, 2010).

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PHYSIK-NEWS: Wärme Frage der Woche: Antwort

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Haben Sie gewusst, dass Essigpatscherl ein äußerst wirksames Mittel sind, um Fieber zu senken? Dazu braucht man nichts anderes als Tücher und eine Schüssel mit lauwarmem Wasser, in das man einen Schuss Essig gibt. Die Tücher werden in das Wasser getaucht, dann ausgewunden und um die Unterschenkel gewickelt. Beim Verdunsten entzieht das Essigwasser dem Körper Wärme. So können Sie in rund 1 Stunde die Körpertemperatur um 1 °C senken.

Ein Dieselbär ist keine neuentdeckte Tierart, die sich in der Nähe von Tankstellen herumtreibt. Vielmehr ist er eine Ramme, bei der die Explosion eines Luft-DieselGemisches einen Kolben nach oben schleudert. Wenn der Kolben nach unten fällt, treibt er einen Pfahl in die Erde.

Alte Hausmittel: „ESSIGPATSCHERL“ SENKEN DAS FIEBER

Schneekanonen garantieren Ihnen Schivergnügen

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Mit einem Druck von 5-10 bar wird ein WasserLuft-Gemisch in den Luftstrom eines starken Ventilators geleitet. Dabei dehnt sich das Gemisch aus, kühlt ab und die feinen Wassertröpfchen gefrieren. So erzeugt eine Schneekanone künstlichen Schnee, ohne den heute kaum noch ein Wintersportort in Österreich auskommt. Allerdings ist dieser Schnee nicht ganz billig. Wenn man die Kosten für die Anlage, den Strom und das erforderliche Wasser zusammenrechnet, dann kostet 1 m³ Schnee etwa 4,50 €.

Wiener U-Bahn mit Dampfbetrieb

Auf Teilen der Strecken, auf denen heute die Wiener U-Bahnlinien U4 und U6 verkehren, fuhren bis 1924 dampfbetriebene Züge. Damals nannte man dieses öffentliche Verkehrsmittel allerdings noch nicht U-Bahn, sondern Stadtbahn, auch wenn Teile der Strecken bereits damals unterirdisch verliefen. 1925 wurden die Strecken für den elektrischen Betrieb umgerüstet und ab 1976 in das neu geschaffene Wiener U-Bahnnetz eingebunden.

Hast du das gewusst?

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ƒ Heizöl und Diesel sind identisch. Allerdings ist Diesel mit höheren Steuern belastet, daher ist er teurer. Wer sein Auto mit Heizöl betreibt, macht sich strafbar. Damit man die beiden Brennstoffe voneinander unterscheiden kann, werden sie unterschiedlich gefärbt. ƒ Unterschiedliche Flüssigkeiten haben unterschiedliche Siedepunkte. Diese Tatsache kann man nutzen, um 2 Flüssigkeiten voneinander zu trennen. Beim „Schnapsbrennen“ erhitzt man eine Flüssigkeit mit niederem Alkoholgehalt auf über 78 °C. Der Alkohol verdampft bei dieser Temperatur, während das Wasser noch flüssig bleibt. Der Dampf wird kondensiert und man erhält flüssigen Alkohol. Diesen Vorgang nennt man Destillieren. ƒ Durch Destillieren kann man auch Flüssigkeiten reinigen. Wird Wasser verdampft und anschließend kondensiert, erhält man „destilliertes Wasser“, das frei von Verschmutzungen bzw. gelösten Stoffen ist. ƒ In einem Treibhaus dringt die Sonnenstrahlung durch die Glaswände und erwärmt das Innere. Die aus dem Inneren abgegebene Wärmestrahlung kann das Glas nicht durchdringen. So bleibt die Wärme im Treibhaus und die Temperatur ist innen viel höher als in der Umgebung.

Wärme auf der Erde 125

26. WÄRME IST LEBEN

Hast du dich eigentlich schon einmal gefragt, welche Bedeutung die Temperatur und die Wärme für das Leben auf der Erde haben?

Welche Bedeutung hat der Sauerstoff für das Leben? Für die ersten Lebewesen, die im Wasser der Urozeane gelebt haben, war Sauerstoff giftig. Er entstand als Abfallprodukt bei der Fotosynthese. Erst als der Anteil an Sauerstoff im Wasser hoch genug war, begannen einige dieser Lebewesen ihn zu nutzen, um Energie aus organischen Stoffen zu gewinnen.

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Die Erde gibt ständig Wärmeenergie in Form von Strahlung in den Weltraum ab. Andererseits erhält die Erde aber auch ständig Wärme von der Sonne. Zwischen der Wärmeenergie, die die Erde abstrahlt und der, die sie von der Sonne erhält, herrscht ein Gleichgewicht. Daher verändert sich die Temperatur an der Erdoberfläche nur in einem sehr engen Bereich.

Erinnere dich! Was ist der Unterschied zwischen Wärme und Temperatur?

Wie hat sich dieses Wärmegleichgewicht auf der Erde eingestellt?

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Nach dem Entstehen der Erde war ihre Oberfläche extrem heiß und flüssig. Es dauerte viele hundert Mio. Jahre, bis die Erde so viel Wärmeenergie abgestrahlt hatte, dass flüssiges Wasser existieren konnte. Das Wasser, das zuvor als Dampf in der Atmosphäre der jungen Erde enthalten war, kondensierte und fiel als Regen auf die Oberfläche. Dieser Regen dauerte etwa 40 000 Jahre. Danach hatten sich die Ozeane gebildet.

Eiweiß: Der Baustein des Lebens

Eiweißmoleküle, aus denen Lebewesen aufgebaut sind, sind sehr wärmeempfindlich. Wenn sie zu warm werden, verändern sie ihre Struktur. Wenn du etwa ein Hühnerei kochst, dann beginnt sich bei 62 °C das darin enthaltene Eiweiß zu verändern: Es wird fest. Umgekehrt würde unter 0 °C das Wasser in unseren Zellen gefrieren und die Zellen zerstören.

Eiweiß

Pflanzen und Tiere benötigen zum Leben einen sehr schmalen Temperaturbereich, in dem ihre Körpertemperatur liegen muss. Manche Lebewesen können nur innerhalb dieses Bereiches existieren, andere sind in der Lage, ihre Körpertemperatur zu steuern.

Wärme bei Stoﬀwechselvorgängen

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Nahrung enthält chemische Energie. Nach der Verdauung werden die Nährstoﬀe zu den Zellen in deinem Körper transportiert.

In einer Zelle wird die in den Nährstoﬀen gespeicherte Energie genutzt. Dabei wird Wärmeenergie frei.

Wärme

Nährstoﬀe

Abfallprodukte Zelle

Energieumwandlung in der Zelle

Jeder Lebensvorgang setzt also ein wenig Wärme frei. Bei größeren Lebewesen wie dem Menschen muss diese Wärme wieder abtransportiert werden, damit es im Körperinneren nicht zu warm wird.

Wärmebild der Erde: Je röter ein Gebiet ist, desto mehr Wärme wird abgestrahlt.

Erinnere dich an den Biologieunterricht! Wie sieht der Stoﬀwechsel von Pflanzen aus?

126 Wärme auf der Erde Wärmehaushalt der Lebewesen

Die meisten Tiere wie Insekten, Fische, Amphibien oder Reptilien können ihre Körpertemperatur ebenfalls nicht regeln. Diese passt sich der Umgebung an. Manche von ihnen können durch ihr Verhalten ihre Temperatur steuern. So suchen Reptilien oft sonnige Plätze auf, um sich zu wärmen. Ist ihnen zu heiß, flüchten sie in den Schatten. Wird es kälter, sind sie weniger aktiv und im Winter fallen sie in Kältestarre.

Staatenbildende Insekten wie Bienen oder Ameisen erzeugen im Winter in ihrem Stock oder Bau durch rasche Muskelbewegungen Wärme.

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Samen und Sporen Viele Pflanzen überdauern die kalte Jahreszeit, indem sie Samen oder Sporen bilden. Wenn es im Frühling warm wird, entstehen daraus neue Pflanzen.

Wechselwarme Tiere

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Bakterien und Pilze erzeugen in Komposthaufen oder Mülldeponien so viel Wärme, dass diese sogar zu brennen beginnen können.

Der Stoﬀwechsel von Pflanzen ist zu gering, um große Wärmemengen zu produzieren. Daher stellen Pflanzen im Winter die meisten ihrer Lebensprozesse ein. Erst im Frühling, wenn es wieder warm genug ist, nehmen sie diese wieder auf. In den Pflanzensäften sind organisches Material und Mineralstoﬀe gelöst. Dadurch ist die Gefriertemperatur sehr niedrig und die Flüssigkeit in den Pflanzenzellen gefriert auch bei tiefen Temperaturen nicht.

Gleichwarme Tiere

Vögel und Säugetiere können ihre Körpertemperatur konstant halten, selbst wenn sich die Umgebungstemperatur ändert. Ihr Stoﬀwechsel versorgt den Körper mit der erforderlichen Wärmeenergie. Eine Isolierschicht aus Federn, Haaren oder Fett schützt sie vor Wärmeverlust.

Tiere, die nicht schwitzen, senken ihre Körpertemperatur durch Hecheln. Dabei wird im Mund- und Rachenraum Flüssigkeit verdunstet. Manche Tiere wälzen sich in feuchtem Boden oder belecken ihr Fell. Dadurch wird Speichel aufgebracht, der beim Verdunsten ebenfalls kühlt.

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Einige Tiere wie der Igel halten einen Winterschlaf. Dabei senken sie ihre Körpertemperatur stark ab.

Um Überhitzung zu vermeiden, haben viele gleichwarme Tiere unterschiedliche Vorkehrungen entwickelt. Viele Tiere besitzen Schweißdrüsen. Wenn es warm ist, wird Schweiß abgesondert. Beim Verdunsten kühlt dieser die Körperoberfläche. Einige Tiere wie die Primaten oder Pferde besitzen überall am Körper Schweißdrüsen, andere nur an manchen Körperstellen. So schwitzen Raubtiere wie Hunde nur an den Pfotenballen.

Die richtige Temperatur ist sehr wichtig für das Leben auf der Erde. Bei den meisten Lebewesen passt sich ihre Körpertemperatur der Umgebung an, sie sind wechselwarm. Säugetiere und Vögel sind gleichwarm, sie können ihre Körpertemperatur konstant halten.

Wie reguliert der Mensch seine Körpertemperatur? Der Mensch als Säugetier nutzt dieselben Verfahren wie gleichwarme Tiere. So schwitzen auch wir, wenn uns warm wird. Zusätzlich stehen uns aufgrund unserer kulturellen Entwicklung aber auch noch weitere Methoden zur Verfügung: So schützen wir uns durch Kleidung oder Heizung vor der Kälte. Im Sommer sorgen Ventilatoren und Klimaanlagen für Kühlung.

Wärme auf der Erde 127

27. WÄRMESPENDER SONNE

Im Inneren der Sonne verschmelzen die Kerne von Wasserstoﬀatomen. Das Element Wasserstoﬀ wird so in das Element Helium umgewandelt. Dabei wird sehr viel Energie freigesetzt, die für eine extrem hohe Temperatur von etwa 15 Mio. °C sorgt. Diese Energie wird an die Sonnenoberfläche geleitet, die eine Temperatur von etwa 6 000 °C aufweist. Durch Wärmestrahlung wird die Wärmeenergie in den Weltraum abgegeben und erreicht auch die Erde.

Was geschieht mit dieser Energie?

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Etwa 1/3 der Energie wird von der Erde reflektiert und gleich wieder in den Weltraum abgestrahlt.

2/3 der Energie werden von der Atmosphäre und der Erdoberfläche aufgenommen. Diese Energie verursacht Wetter2/3 von Atmosphäre, Landmassen und Ozeanen aufgenommen erscheinungen und steht dem Leben auf der Erde als Energiequelle zur Verfügung. Aber auch diese Energie wird nach einiger Zeit wieder in den Weltraum abgestrahlt. Die Erde befindet sich in einem Gleichgewicht. Insgesamt strahlt sie genauso viel Energie ab, wie sie von der Sonne erhält.

Verteilung der Sonnenenergie auf der Erde

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Die Energie, die von der Sonne kommt, ist überall gleich groß. Durch die Krümmung der Erdoberfläche fällt sie an den Polen jedoch in einem flacheren Winkel ein. So verteilt sich die einfallende Energie dort auf eine größere Fläche als am Äquator. Daher absorbieren äquatornahe Gebiete mehr Energie als polnahe Gebiete mit der gleichen Fläche. Diese unterschiedliche Absorption der von der Sonne kommenden Energie ist die Ursache für die Klimazonen. Durch die geringere Energieeinstrahlung ist es in der Nähe der Pole wesentlich kälter als in der Nähe des Äquators. Daher herrschen dort ganz andere Lebensbedingungen. Je nachdem, wie groß die Entfernung zum Äquator ist, unterscheidet man auf der Erde, wie du auf der Landkarte siehst, 4 Klimazonen:

Polare Zone

Subtropische Zone

Gemäßigte Zone

Tropische Zone

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Pro Stunde triﬀt auf die Erde eine Energiemenge von ca. 170 000 Mrd. kWh auf. Das entspricht dem 10 000-fachen der Energiemenge, die weltweit von Menschen genutzt wird.

Aufbau der Sonne: Im Kern (1) der Sonne wird die Energie freigesetzt. In der Strahlungszone (2) wird die Wärmeenergie transportiert. An der Oberfläche (3) der Sonne wird die Energie in den Weltraum abgestrahlt.

Was alles ist Sonnenenergie? Sonnenenergie kann in Solaranlagen direkt genutzt werden. Aber auch die meisten anderen Energiequellen auf der Erde gehen auf die Sonne zurück. Das Wetter, welches Wind und Regen verursacht, hat seine Ursache in der Sonneneinstrahlung. Daher stammen auch die Windund die Wasserkraft von der Sonne. In fossilen Energiequellen wie Erdöl oder Kohle ist Sonnenenergie gespeichert, die Pflanzen vor vielen Mio. Jahren aufgenommen haben.

Erinnere dich an den Geografieunterricht! Was sind die Kennzeichen der Klimazonen?

Klimazonen der Erde

128 Wärme auf der Erde Tag und Nacht

Erkläre! Was versteht man unter Wendekreis, was unter Polarkreis?

Nur die von der Sonne beschienene Seite der Erde empfängt Wärmeenergie. Während des Tages wird in der Atmosphäre, den oberen Schichten des Erdbodens und in den Gewässern Wärmeenergie gespeichert. In der Nacht sorgt diese Wärme dafür, dass die Erde an der der Sonne abgewandten Seite nicht auskühlt.

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Vegetation: Pflanzen, die an einem Ort den Boden bedecken

Tag und Nacht auf der Erde

Wie du weißt, dreht sich die Erde in 24 Stunden um sich selbst, sie rotiert. Eine Hälfte ist der Sonne zugewandt, auf dieser Hälfte ist es Tag. Die andere Hälfte liegt im Schatten, es ist Nacht.

Umlauf: kreisförmige Bewegung rund um einen festen Ort

Die vier Jahreszeiten

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Die Erde kreist auch um die Sonne. In 365 Tagen vollendet sie einen Umlauf. Die Achse, um die die Erde währenddessen rotiert, steht jedoch nicht senkrecht zu ihrer Kreisbahn um die Sonne. Sie weicht um einen Winkel von etwa 23,5° von der Senkrechten ab. Das führt dazu, dass entlang der Umlaufbahn ein halbes Jahr lang die Nordhalbkugel stärker der Sonnenstrahlung ausgesetzt ist als die Südhalbkugel. Während des anderen halben Jahres ist es genau umgekehrt.

Die Abholzung des Regenwaldes verändert die Wärmespeicherung und damit das Klima.

23,5°

Jahreszeiten auf der Nordhalbkugel

Gletscher wie die Pasterze am Großglockner beeinflussen durch die Reflexion der Sonnenstrahlung das Klima

Frühjahr

Sommer

Winter

Herbst

Durch die unterschiedliche Sonneneinstrahlung während eines Jahres entstehen die Jahreszeiten. Im Sommer gelangt mehr Wärmeenergie von der Sonne zu uns als im Winter. Daher ist es im Sommer wärmer als im Winter.

Wärmespeicher an der Erdoberfläche

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Solange die Sonne scheint, gelangt Wärmeenergie auf die Oberfläche und wird dort gespeichert. Allerdings gibt es mehrere Bedingungen, die diese Wärmespeicherung beeinflussen.

Die Wärmeenergie der Sonne erreicht durch Strahlung die Erde. Je schräger die Sonnenstrahlen einfallen, desto weniger Wärme wird übertragen. Die Rotation der Erde und ihr Umlauf um die Sonne sorgen für Tag und Nacht sowie für die Jahreszeiten.

ƒ Wasser erwärmt sich langsamer als Land. Dafür speichert es aber mehr Wärme. Wasser wirkt daher als Wärmespeicher, der die Wärmeenergie des Sommers im Winter wieder abgibt. ƒ Die Vegetation verhindert, dass sich tagsüber der darunterliegende Boden zu stark erhitzt. Umgekehrt sorgt sie aber auch dafür, dass in der Nacht der Boden nicht zu stark abkühlt. Daher ist das Klima in einem Wald meist gleichmäßiger als am freien Land. ƒ Mit Schnee und Eis bedecktes Land reflektiert einen großen Teil der Sonnenstrahlen. Daher erwärmt sich dieses Land kaum. Diese Bedingungen führen dazu, dass das Klima von Ort zu Ort sehr unterschiedlich sein kann. Daher haben auch die Klimazonen eine sehr unregelmäßige Form.

Wärme auf der Erde 129

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

1) Energie von der Sonne – Sarah hat sich auf ihre Physikprüfung vorbereitet und Stichworte zu verschiedenen Energieformen notiert. Leider hat sie vergessen, die Überschriften dazuzuschreiben. Hilf ihr und setze die Überschriften richtig ein! Dann kreuze an, ob die Energie von der Sonne kommt! Die betreﬀenden Buchstaben ergeben – in die richtige Reihenfolge gebracht – ein Lösungswort. %%%%

_____________________ Staumauer – Fluss – potentielle Energie – Niederschläge – Quellen

(B)

_____________________ Ebbe und Flut – Meer – Küstennähe Anziehungskraft des Mondes

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Sonne:

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Sonne:

_____________________ Bohrturm – Benzin und Diesel – „Schwarzes Gold“ – Raffinerie

Sonne:

(E)

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_____________________ Erdinneres – Geothermie – tiefe Bohrungen im Boden Wärmepumpe

Sonne:

_____________________ Atomstrom – Spaltung von Uran – Radioaktivität – nicht in Österreich

Sonne:

(A)

(R)

_____________________ Verbrennung – Bergbau – Überreste von Pflanzen Stahlerzeugung

_____________________ Solaranlage – Warmwasser oder Photovoltaik – Hausdach – vor allem im Sommer

Sonne:

(E)

(L)

_____________________ Luftbewegungen – große Räder – auf Erhebungen im Gelände oder auf flachem Land

(S)

Sonne:

(N)

LÖSUNGSWORT: .

2) Wärmespeicherung – Von welcher physikalischen Größe hängt es ab, wie viel Wärmeenergie die Erdoberfläche speichern kann? Kreuze an! %%

hydrostatischer Druck

kinetische Energie

spezifische Wärmekapazität

130 Wärme auf der Erde

3) Wärme auf der Erde – Löse dieses Kreuzworträtsel! %%%

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

1 3

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senkrecht: 1. Eisfläche im Hochgebirge 2. Pflanzen, die an einem Ort den Boden bedecken 3. schützt vor Wärmeverlust 4. Zwei Wirkungen sind gleich groß und heben einander auf. 5. Lufthülle der Erde 6. sorgt beim Hund für Kühlung

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waagrecht: 7. Tiere, die ihre Körpertemperatur nicht regeln können, sind … 8. In ihr wird in der Sonne die Wärme transportiert. 9. kreisförmige Bewegung um einen festen Ort 10. hält einen Winterschlaf

Hecheln

 (K)

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Fettschicht

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Federn

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Schwitzen

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Belecken des Fells

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Haare

 (K)

 (W)

4) Temperaturregulierung – Was sorgt für Kühlung (K), was schützt vor Wärmeverlust (W)? Kreuze richtig an! %%

Wärme auf der Erde 131

28. WETTERERSCHEINUNGEN AUF DER ERDE

Kira verbringt mit ihrer Familie den Urlaub am Meer. Den ganzen Tag über hat ein kräftiger Wind vom Meer in Richtung Land geweht. Als Kira am Abend den Strand verlässt, ist vom Wind jedoch nichts mehr zu spüren. Nach dem Abendessen unternimmt die Familie einen Strandspaziergang. Dabei stellt Kira fest, dass der Wind wieder bläst, diesmal jedoch in die Gegenrichtung: vom Land zum Meer.

Entstehung von See- und Landwind

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Wieso hat sich am Abend die Windrichtung umgekehrt?

Was ist die Thermik? An Land erfolgt die Erwärmung durch die Sonne mitunter sehr unterschiedlich. So kann sich ein trockenes Feld stärker erwärmen als eine feuchte Wiese oder ein Wald, der in der Nähe liegt. Dadurch entsteht über dem wärmeren Gebiet eine nach oben gerichtete Luftströmung, die man als Thermik bezeichnet.

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TAGSÜBER: Die Sonne erwärmt sowohl das Meer als auch das Land. Die spezifische Wärmekapazität von Wasser ist viel größer als die des Landes. Daher steigt die Temperatur des Wassers kaum an, während sich das Land aufheizt. Über dem heißen Land erwärmt sich die Luft. Da warme Luft leichter ist als kühlere, steigt die Luft über dem Land auf und kühlere Luft vom Meer strömt nach. Dadurch entsteht der Wind, den Kira tagsüber gespürt hat. Diesen Wind bezeichnet man als „Seewind“. In höheren Luftschichten kühlt die Luft wieder ab und strömt zurück aufs Meer. IN DER NACHT: Das Land kühlt stärker ab als das Meer. Dadurch steigt die wärmere Luft über dem Wasser auf und kühlere Luft strömt vom Land nach. Diesen Wind bezeichnet man als „Landwind“.

Druckunterschiede als „Motor“ für den Wind

Da warme Luft eine geringere Dichte hat als kalte, steigt sie in der Atmosphäre nach oben. Die geringere Dichte bedeutet aber auch, dass in Gebieten mit warmer Luft der Luftdruck geringer ist als in Gebieten mit kühler Luft. Dieser Druckunterschied bewirkt, dass Luft von Hochdruckgebieten in Tiefdruckgebiete strömt. So entsteht der Wind.

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Durch die unterschiedliche Erwärmung von Landmassen und Meeren entstehen auf der Erde große Hoch- und Tiefdruckgebiete. Meteorologen und Meteorologinnen messen den Luftdruck auf der ganzen Welt und erstellen Wetterkarten. Je größer der Druckunterschied zwischen den Gebieten ist und je geringer der Abstand zwischen ihnen ist, desto stärker ist der Wind, der durch den Druckunterschied entsteht.

Auf einer Wetterkarte sind neben den Hoch- und Tiefdruckgebieten auch Isobaren eingezeichnet. Je dichter diese Linien in einem Gebiet beieinander liegen, desto größer sind dort die Druckunterschiede.

Segelflugzeug: besitzt keinen Motor; wird durch ein anderes Flugzeug zum Starten nach oben gezogen; nutzt dann die Thermik, um Höhe zu gewinnen. Wettererscheinungen: z. B. Niederschläge, Temperatur, Luftdruck, Luftfeuchtigkeit Meteorologe/in: Wissenschaftler/in, der/die sich mit der Meteorologie, also mit der Wissenschaft vom Wetter, beschäftigt Sieh dir den Wetterbericht im Fernsehen an! Was erkennst du auf der Wetterkarte, die dabei gezeigt wird? Isobaren: Linien, die Orte mit gleichem Luftdruck verbinden

Wetterkarte

132 Wärme auf der Erde Hoch- und Tiefdruckgebiete

Im Wetterbericht hört man oft etwas vom „Azorenhoch“. Welche Bezeichnungen für Hoch- und Tiefdruckgebiete kennst du sonst noch?

So bildet sich im Winter über Sibirien ein stabiles Hochdruckgebiet mit kalter trockener Luft aus, das als „Russlandhoch“ bezeichnet wird. Von diesem kann die „sibirische Kälte“ nach Mitteleuropa kommen. Im Sommer bringt ein Hochdruckgebiet meist schönes Wetter. Da die Luft aus diesem Gebiet abströmt, sinkt von höheren Luftschichten Luft nach unten. Dabei erwärmt sie sich pro 100 m um 1 °C. Die wärmere Luft kann größere Mengen an Wasserdampf aufnehmen, sodass sich die Wolken auflösen. Daher sehen wir einen strahlend blauen Himmel.

Luft steigt auf | Abkühlung Wolken bilden sich

Wind

Entstehung und Auflösung von Wolken

In Tiefdruckgebieten steigt die Luft wieder auf und kühlt dabei ab. Der Wasserdampf kondensiert und bildet Wolken. Regen ist die Folge.

Die Erddrehung beeinflusst die Luftbewegung Nordpol

Wirbel: kreisförmige Strömung Sog: Saugwirkung

Luft sinkt ab | Erwärmung Wolken lösen sich auf

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Was ist eine Wetterfront? Unter einer Wetterfront versteht man die Grenze zwischen zwei aufeinander stoßende Luftmassen. Häufig ändern sich an dieser Grenze der Luftdruck, die Temperatur und die Windrichtung sehr rasch, sodass mit einer plötzlichen Wetteränderung zu rechnen ist.

Sibirien: Gebiet im Norden Russlands

Durch die ungleichmäßige Verteilung von Land und Wasser auf der Erdoberfläche bilden sich an manchen Stellen Hochdruckgebiete aus, die über eine längere Zeit stabil bleiben. Dafür entstehen an anderen Stellen stabile Tiefdruckgebiete. Diese Gebiete beeinflussen unser Wetter.

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Was ist eine Zyklone? Häufig bleiben Tiefdruckgebiete nicht an einem Ort, sondern wandern. Solche sich bewegende Tiefdruckgebiete nennt man Zyklone.

Luft, die vom äquator nach Norden strömt, wird durch die Drehbewegung der Erde nach Osten abgelenkt. Umgekehrt wird Luft, die sich vom Nordpol in Richtung Äquator bewegt, nach Westen abgelenkt. Daher strömt die Luft von einem Hoch- in ein Tiefdruckgebiet nicht auf gerader Linie, sondern wird nach rechts abgelenkt. Die in ein Tiefdruckgebiet strömende Luft wird dadurch in Drehung versetzt. Es bildet sich ein Tiefdruckwirbel aus.

Äquator

Ablenkung von Luftströmungen

Bildet sich ein Gebiet mit sehr niedrigem Luftdruck über einem warmen Meer, dann kann ein Wirbelsturm entstehen. Aus dem Meer werden große Mengen an verdunstetem Wasser mitgeführt, sodass Tiefdruckwirbel über Island diese Wirbelstürme auch starke Regenfälle mit sich bringen.

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Überlegt gemeinsam! Wie sieht so ein Tiefdruckwirbel auf der Südhalbkugel der Erde aus? Tornado

Tiefdruckwirbel können auch mit einem sehr kleinen Durchmesser von einigen Metern entstehen. Dann spricht man von einer „Windhose“ oder einem „Tornado“. Im Inneren des Wirbels entsteht ein starker Sog, der Gegenstände nach oben zieht. Bildet sich so ein Tiefdruckwirbel über einer Wasserfläche, dann wird Wasser nach oben gesogen. Man spricht von einer „Wasserhose“.

Wärme auf der Erde 133 Weltweite Windsysteme Neben den Winden, die den Luftdruck zwischen kleineren Hoch- und Tiefdruckgebieten ausgleichen, gibt es auch sehr großflächige Windsysteme. Diese beeinflussen unser Wetter sehr stark. Polarer Ostwind

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NordostPassat

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PASSAT: Die Luft, die von der Sonne über dem äquator besonders stark erwärmt wird, steigt auf und strömt in großer Höhe zu den Polen. Je weiter sich die Luft vom Äquator entfernt, desto weniger Platz hat sie wegen der Kugelgestalt der Erde. Sie wird deshalb zusammengedrückt. Die dichtere Luft sinkt bei einer geografischen Breite von etwa 30° daher wieder ab.

Wie werden Winde bezeichnet? Winde werden nach ihrer Richtung bezeichnet. Dabei ist entscheidend, aus welcher Richtung sie kommen. Ein Westwind bläst also von West nach Ost. Bei Meeresströmungen ist es genau umgekehrt. Eine Nordströmung ist nach Norden gerichtet.

Windsysteme

Wie heißt der Passat auf der Südhalbkugel?

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In der Nähe des Bodens strömt sie wieder zum äquator zurück. Durch die Erddrehung wird sie dabei nach Westen abgelenkt. Auf der Nordhalbkugel entsteht so ein Wind, der über lange Zeit sehr gleichmäßig weht: der Nordost-Passat.

Typische Winde Es gibt Verteilungen von Hoch- und Tiefdruckgebieten, die für eine bestimmte Jahreszeit typisch sind. Dadurch treten immer wieder die gleichen Winde auf, die häufig sogar eigene Namen haben.

POLARER OSTWIND: Kalte Luft sinkt über den Polen ab und strömt in Richtung äquator. Die Erddrehung lenkt sie nach Westen ab, daher entsteht ein gleichmäßiger Ostwind. Je weiter sich die kalte Luft vom Pol entfernt, desto mehr Platz hat sie. Sie dehnt sich aus und wird weniger dicht. In einer geografischen Breite von etwa 70° steigt sie daher auf und strömt in großer Höhe zum Pol zurück. WESTWINDZONE: In den „gemäßigten Breiten“, also in dem Gebiet, in dem auch Österreich liegt, strömt die Luft zum Pol. Dabei wird sie nach Osten abgelenkt, sodass hier westliche Winde vorherrschen. Ursache für die Ablenkung sind einerseits die Erddrehung, andererseits die Jetstreams.

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JETSTREAMS: Durch aufsteigende und absinkende Luftmassen entstehen auch in großer Höhe Hoch- und Tiefdruckgebiete. Der Druckausgleich zwischen diesen Gebieten erfolgt durch die Jetstreams. Dabei handelt es sich um Winde, die sich wellenförmig in West-Ost-Richtung rund um die Erde bewegen. Da sie in einer Höhe über 10 km keine Hindernisse vorfinden und keine Reibung mit der Erdoberfläche vorliegt, sind diese Winde extrem schnell. Sie werden Jetstreams über 500 km/h schnell.

Der Föhn

Flugzeuge in großer Höhe müssen auf Jetstreams achten. Durch die Jetstreams dauert der Flug zwischen Europa und Amerika in eine Richtung eine Stunde länger als in die Gegenrichtung. Welche Strecke dauert länger?

Triﬀt eine Luftströmung auf ein Gebirge, dann steigt sie nach oben. Dabei kühlt sie ab und das in der Luft enthaltene Wasser kondensiert. Es bilden sich Wolken und es regnet. Auf der anderen Seite sinkt die Luft wieder nach unten. Da sie jetzt weniger Wasser enthält, erwärmt sie sich beim Absinken stärker. Daher ist es auf dieser Seite des Gebirges häufig wärmer. Der dort auftretende Föhn ist ein warmer Wind, der manchmal sehr stark weht.

+ 10 °C

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134 Wärme auf der Erde Der Wasserkreislauf in der Atmosphäre

Durch die Sonneneinstrahlung verdunstet Wasser an der Erdoberfläche. Je wärmer Luft ist, desto mehr Wasserdampf kann sie aufnehmen. Kühlt die Luft ab, kondensiert ein Teil des Wassers. Es bilden sich winzige Tröpfchen. Diese sind als Wolken sichtbar.

Bilden sich Wolken direkt am Boden, spricht man von Nebel. anlagern: an etwas anderem haften bleiben

Wolken

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Wasserkreislauf

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Die Wassertröpfchen, die Wolken bilden, sind sehr klein. Sie haben einen Durchmesser von weniger als 0,01 mm. Diese Tröpfchen entstehen meist an sogenannten Kondensationskeimen. Das sind winzige Staubpartikel, an denen sich die Wasserteilchen anlagern. Sehr hohe Wolken können auch aus winzigen Eiskristallen bestehen. Wolken lassen sich nach ihrer Höhe, nach ihrer Form und nach der Art ihrer Entstehung einteilen:

kondensationskeim

Tau ist eine Form des Niederschlages, bei der Wasser in Bodennähe kondensiert.

HAuFENWOLKEN: entstehen, wenn viel Wasser verdunstet.

FEDERWOLKEN: bestehen aus Eiskristallen in großer Höhe.

Niederschläge

Reif entsteht dadurch, dass Wasser aus der Luft an Gegenständen gefriert.

Enthalten Wolken sehr viel Wasser auf engem Raum, lagern sich dessen Teilchen aneinander und bilden größere Gebilde:

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Durch die unterschiedliche Erwärmung der Erdoberfläche entstehen Hoch- und Tiefdruckgebiete. Beim Druckausgleich strömt Luft, der Wind. Weltweite Windsysteme sind für unser Wetter verantwortlich. Wasser, das in der Atmosphäre kondensiert, bildet Wolken. In Form von Regen, Schnee oder Hagel fällt es wieder zur Erde.

gEWIttERWOLKEN: enthalten sehr viel Wasser in Form von Regen und Eis.

HAgEL: Hagelkörner entstehen in gewitterwolken. Nachdem ein Wassertröpfchen in den unteren Schichten einer Wolke gefroren ist, wird es durch Winde innerhalb der Wolke mehrmals auf und ab befördert. Dabei wächst es, indem sich weiteres Wasser anlagert und gefriert. Hagelkörner können so groß wie Tennisbälle werden.

REgEN: Winzige Wassertröpfchen lagern sich aneinander. Sie wachsen zu tropfen heran, die zu schwer sind, um in der Luft zu schweben. Sie fallen als Regen auf die Erde.

SCHNEE: Ist es kalt genug, bilden sich winzige Eiskristalle. An diese lagert sich Wasser in regelmäßiger Form an und gefriert. So bildet sich ein Schneekristall. Viele solche Kristalle formen gemeinsam eine Schneeflocke.

Wärme auf der Erde 135

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

1) Berg- und Talwind – Im Gebirge erwärmen sich Täler und Berghänge während des Tages unterschiedlich. Trage in den Kreisen in beiden Skizzen ein: 1. Wo entstehen Bereiche mit Hoch- und Tiefdruck? 2. In welche Richtung weht der Wind? 3. Wie nennt man diesen Wind jeweils? %%%

Abend: Die Luft an den Berghängen kühlt rascher ab als die in den Tälern.

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Vormittag: Die Sonnenstrahlung erwärmt die Berghänge stärker als die Täler.

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Berg

Tal

Berg

Tal

2) Typische Winde am Mittelmeer – An den Küsten des Mittelmeers treten zahlreiche typische Winde auf, die eigene Namen haben. Trage die Zahlen richtig in die Landkarte ein! %%

2. Scirocco:

trockener Fallwind an der kroatischen Küste, Windgeschwindigkeit bis zu 200 km/h

heißer Südwind, weht von Nordafrika in Richtung Mittelmeer

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1. Bora:

3. Levante:

4. Meltemi:

5. Mistral:

entsteht im westlichen Mittelmeer zwischen Spanien und Nordafrika und weht in Richtung Atlantik

Wind, der im Sommer von N nach S über die Ägäis (Griechenland) weht

starker NW-Wind, der von Frankreich aus in Richtung Mittelmeer weht

136 Wärme auf der Erde

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

3) Wolken – Meteorologinnen und Meteorologen unterscheiden 10 Typen von Wolken. Setze die richtigen Buchstaben zu den Wolkennamen, dann erhältst du – von oben nach unten gelesen – eine der Ursachen für Luftbewegungen! %%% 12 000 m

hohe Wolken

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7 000 m

mittlere Wolken

tiefe Wolken

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2 000 m

tiefe Wolken

Cumulus: tritt meist bei schönem Wetter auf, wird häufig auch „Schäfchenwolke“ genannt Stratus: sehr tiefe einheitlich graue Wolkenschicht, die häufig den ganzen Himmel bedeckt; wird häufig auch „Hochnebel“ genannt Stratocumulus: Cumulus-Wolken in größerer Höhe, sind meist abgeflacht und durch Luftströmungen in kleine Teile „zerrissen“, zwischen denen der Himmel durchscheint Nimbostratus: typische Regenwolke; bringt oft langanhaltende Regenfälle und im Winter Schnee Cumulonimbus:„Gewitterwolke“; reicht oft bis in sehr große Höhen; bringt Regen, Hagel und Schnee mittlere Wolken

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Altostratus: sehr ausgedehnte flache Wolke aus Wassertröpfchen und Eiskristallen; häufig ist durch die Wolke hindurch die Sonne noch zu erkennen. Altocumulus: Wolke, die aus zahlreichen kleinen Wolken zusammengesetzt ist, sieht nahe der Sonne weiß aus, sonst meist grau hohe Wolken

Cirrus: besteht aus Eiskristallen; sieht wie ein schmales Band oder eine Feder aus, wird daher auch „Federwolke“ genannt

Cirrocumulus: viele sehr kleine einzelne weiße Wolken, die zu größeren Wolkenfeldern verwachsen sind LÖSUNGSWORT:

Cirrostratus: sehr dünne ausgedehnte Wolke aus Eiskristallen, die häufig den ganzen Himmel bedeckt; sieht wie ein Schleier aus („Schleierwolke“)

Wärme auf der Erde 137

29. DAS KLIMA UND SEINE VERÄNDERUNG

Unter „Klima“ versteht man sämtliche Wettererscheinungen, die an einem bestimmten Ort üblicherweise auftreten. Ebenso fallen darunter die typischen änderungen dieser Wettererscheinungen während eines Tages oder eines Jahres. Im Gegensatz dazu bezeichnet man mit „Wetter“ den derzeitigen Zustand der Atmosphäre.

Das Klima auf der Erde

Verwechsle nicht „Klima“ mit „Wetter“!

Betrachte die Karte mit den Klimazonen genauer! Fahre mit dem Finger die rote Linie bei 55° Nord entlang!

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England ist ein Land mit reicher Landwirtschaft, warmen Sommern und milden Wintern. Auf der anderen Seite des Atlantiks findest du in Kanada die Hudson Bay. Hier herrscht ein sehr kaltes Klima vor. Sie wird der „Eiskeller Nordamerikas“ genannt.

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Klimazonen

Wieso ist das Klima auf beiden Seiten des Atlantiks auf gleicher geografischer Breite so unterschiedlich?

Faktoren, die das Klima beeinflussen

MEERESSTRÖMUNGEN: Diese können wie eine riesige Zentralheizung wirken. Im Atlantik herrscht der Golfstrom vor, der in Meeresgebieten in der Nähe des Äquators riesige Mengen von Wärme aufnimmt. Diese Wärme transportiert er dann nach Norden und gibt sie im Westen von Europa, in England und Skandinavien, wieder ab. Daher ist in Nordeuropa das Klima viel milder als auf der anderen Seite des Atlantiks. Nordamerika

Europa

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Meeresströmungen wie der Golfstrom sorgen für eine Verteilung der Sonnenwärme auf der Erdoberfläche. Golfstrom

LUFTSTRÖMUNGEN: Diese führen ebenfalls große Wärmemengen mit sich. Zusätzlich transportieren sie auch noch Wasserdampf über große Entfernungen. Sowohl Meeres- als auch Luftströmungen werden in ihrer Richtung von den Landmassen beeinflusst.

Die Sonneneinstrahlung, die Verteilung von Land und Meer sowie die Höhe eines Ortes über dem Meeresspiegel bestimmen das Klima eines Standortes. All diese Faktoren sorgen dafür, dass die Klimazonen sich nicht ausschließlich nach der geografischen Breite richten. Lokal wird das Klima auch noch von kleineren Gewässern oder dem Pflanzenbewuchs beeinflusst.

Gemäßigtes Klima im Westen Kanadas Auch an der Westküste Amerikas ist es wärmer als in Gebieten an der asiatischen Ostküste bei gleicher geografischer Breite. Verantwortlich dafür ist der Nordpazifikstrom. Dieser transportiert Wärme vom Äquator die amerikanische Westküste entlang.

Asien

Nord a

meri

Nordpaziﬁkstrom

Wie entstehen Meeresströmungen? In der Nähe der Pole kühlt das salzreiche Meerwasser ab. Dadurch wird es dichter und sinkt ab. Vom Äquator strömt wärmeres Wasser nach.

lokal: auf einen Ort bezogen

138 Wärme auf der Erde Natürliche Veränderungen des Klimas

Auswirkungen der Kontinentalverschiebung

Zyklus: regelmäßig immer wiederkehrendes Ereignis

In vergangenen Perioden der Erdgeschichte hat sich das Klima auf unserer Erde ständig verändert. Allerdings erfolgten die Klimaänderungen meist sehr langsam. Folgende Ursachen gibt es für die natürliche Änderung des Klimas: SONNE: Die Aktivität unserer Sonne ist nicht immer gleich. Über lange Zeiträume von vielen hundert Mio. Jahren verändert sich die Energieabstrahlung und dadurch die Wärmemenge, die auf die Erde gelangt. Zusätzlich bewirken Strömungen im Inneren der Sonne, dass alle elf Jahre einige Bereiche der Sonnenoberfläche ein wenig abkühlen. So entstehen kühlere Zonen, die man als Sonnenflecken bezeichnet. Diese reduzieren ebenfalls die Energieabstrahlung der Sonne.

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Neigung: Schräglage

Antarktis

ERDBAHN: Die Bahn, auf der sich die Erde um die Sonne bewegt, sowie die Neigung der Erdachse verändern sich in regelmäßigen sehr lange dauernden Zyklen. Deshalb fällt die Sonnenstrahlung nicht immer im gleichen Winkel ein. Diese Veränderungen der Erdbahn sind unter anderem die Ursache für die regelmäßig auftretenden Eiszeiten.

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Erdurzeit: Die Antarktis lag in der Nähe des Äquators.

KONTINENTALVERSCHIEBUNG: Die Veränderung der Verteilung der Landmassen auf der Erdoberfläche geht in langen Zeiträumen vor sich.

Heute: Die Antarktis liegt am Südpol und ist der kälteste Ort der Erde.

VULKANISMUS: Bei Vulkanausbrüchen gelangen große Mengen von Staub und Gasen in die Atmosphäre. Diese beeinflussen die Sonneneinstrahlung auf der Erdoberfläche sowie die Abstrahlung von Strahlungswärme in den Weltraum.

Das Leben verändert das Klima

Die natürlichen Änderungen des Klimas geschehen meist über einen sehr langen Zeitraum. Dies bewirkt, dass sich die Tier- und Pflanzenwelt an die geänderten Umweltbedingungen anpassen kann.

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Wo gibt es Vulkanismus? In der Frühzeit der Erde spielten die Vulkane eine wichtige Rolle bei der Entstehung der Erdatmosphäre. Aber auch heute gibt es weltweit noch etwa 1 500 Vulkane, die von Zeit zu Zeit ausbrechen. Die meisten von ihnen findet man im sogenannten „Ring of Fire“ rund um den Pazifik.

Dadurch verändern sich die Wärmeverteilung auf der Erde, die Meeresströmungen und die Windsysteme.

Ring of Fire

Tiere und Pflanzen passen sich aber nicht nur an ihre Umwelt an, sondern gestalten sie auch mit. So beeinflussen Biber mit ihren Bauten den Lauf von Flüssen. Auch Bäume schaﬀen in Wäldern einen eigenen Lebensraum. Auf diese Art und Weise beeinflussen auch die Lebewesen das Klima. Diese Biberdamm, der einen Fluss staut Einflüsse sind aber entweder – wie beim Biber – auf die nähere Umgebung beschränkt oder erfolgen – wie beim Wald – über einen sehr langen Zeitraum.

Wärme auf der Erde 139 Der Mensch verändert das Klima

roden: dauerhaftes Entfernen von Bäumen und Sträuchern

Methan Nicht nur Kohlenstoffdioxid sondern auch das Gas Methan trägt zum Treibhauseffekt bei. Dieses entsteht vor allem beim Abbau von organischem Material. Wiederkäuer erzeugen aber auch Methan bei der Verdauung. So haben auch große Rinderherden ihren Anteil am Treibhauseffekt.

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Vor vielen tausend Jahren haben die Menschen ihre Lebensweise geändert. Sind sie zuvor noch als Jäger und Sammler über das Land gezogen, so wurden sie jetzt sesshaft. Sie rodeten Wälder und legten Felder an. Damit beeinflussten sie erstmals das Aussehen der Landschaft und damit auch das Klima in diesem Gebiet.

Die Anzahl der Menschen auf der Erde stieg rasch an, sodass immer mehr Platz zum Leben gebraucht wurde. Daher wurde die Natur immer stärker verändert. Mit der Industriellen Revolution nahm der Bedarf an Kohle und später an Erdöl immer mehr zu. Die Abgase, die bei der Verbrennung frei werden, bewirken ebenfalls eine Klimaveränderung.

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Die Technologien, die im Laufe der Zeit entwickelt wurden, trugen aber auch auf viele andere Arten dazu bei, das Klima auf der Erde zu verändern.

Der Treibhauseﬀekt

In einem Treibhaus oder Glashaus erwärmt die Sonnenstrahlung das Innere. Die Wärme kann aber durch das Glas nicht mehr entweichen, daher ist es in einem Treibhaus viel wärmer als in der Umgebung.

Suche im Internet unter den Stichwörtern „Rinderzucht Amazonas“ Informationen über die Zerstörung des Regenwaldes! Welche Auswirkungen hat diese? Wer besitzt dort die größte Rinderherde der Welt?

Die Atmosphäre der Erde wirkt ähnlich wie das Glas eines Treibhauses. Auch sie hält die Wärme auf der Erde zurück. Wie stark die Atmosphäre die Wärme zurückhält, hängt von der Zusammensetzung der Gase ab. Vor allem das Gas Kohlenstoﬀdioxid trägt zu diesem Eﬀekt bei.

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Der Anteil von Kohlenstoffdioxid war in der Vergangenheit konstant. Das Kohlenstoffdioxid, welches beim Abbau von organischem Material entstanden ist, wurde von Pflanzen wieder aufgenommen und in neues organisches Material umgebaut. In fossilem Brennstoff wie Kohle oder Erdöl ist jedoch eine große Menge an Kohlenstoff gespeichert. Mit dem Verbrennen dieser Stoffe steigt der Kohlenstoffdioxidgehalt an. Dadurch wird mehr Wärme in der Atmosphäre gehalten und weltweit steigen die Temperaturen an, man spricht von der „globalen Erwärmung“.

Zunahme der Temperatur: In den dunkelroten Gebieten war 2009 die mittlere Jahrestemperatur um bis zu 2 °C höher als 30 Jahre zuvor.

Auswirkungen des Treibhauseﬀekts

Durch den Treibhauseﬀekt verschieben sich die Klimazonen: ƒ Wüsten dehnen sich aus. ƒ Die Niederschläge in einzelnen Gebieten werden geringer und Flüsse führen weniger Wasser. An anderen Stellen fällt mehr Niederschlag und es kommt zu Überschwemmungen. ƒ Gletscher- und Polareis schmelzen ab. In der Folge steigt der Meeresspiegel. Viele flache Inseln und küstennahe Gebiete werden vom Meer überschwemmt. ƒ In der Folge finden viele Tier- und Pflanzenarten nicht mehr die Lebensräume vor, die sie brauchen. Da sie sich nicht so rasch anpassen können, sterben sie aus oder wandern in andere Gebiete ab.

Der Lebensraum des Eisbären wird durch den Klimawandel bedroht.

140 Wärme auf der Erde Das Ozonloch

Chlorhaltige Gase, wie sie als Kältemittel in Kühlschränken oder als Treibgase in Spraydosen zum Einsatz kommen, zerstören das Ozon in der Atmosphäre. Vor allem über der Antarktis ist die Ozonschicht durch den Einsatz dieser Gase so dünn geworden, dass man von einem „Ozonloch“ spricht. Das Ozonloch hat großen Einfluss auf das Leben im Meer. Zahlreiche Kleinlebewesen sterben dadurch ab. Da sie die Nahrung für viele größere Tiere wie Wale sind, geht deren Anzahl in der Folge zurück.

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Wo verwendest du Spraydosen? Überlege, ob du sie wirklich brauchst!

Was sind Treibgase? In einer Spraydose befindet sich ein Gas, das unter Druck steht und die Flüssigkeit „heraustreibt“.

In den oberen Schichten der Atmosphäre bildet sich durch die Sonnenstrahlung eine besondere Form des Sauerstoﬀs: das Ozon. Dieses filtert die UV-Strahlung aus dem Sonnenlicht.

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filtern: zurückhalten einzelner Teile

Von der Sonne kommt auch UV-Strahlung auf die Erde. Große Mengen an UV-Strahlung sind für Lebewesen schädlich. So ist die UV-Strahlung die Ursache für den Sonnenbrand, den du dir im Sommer vielleicht schon geholt hast. Ein Großteil der UV-Strahlung wird jedoch von der Atmosphäre abgehalten.

regulieren: hier R begradigen versiegeln: undurchlässig machen

Ozonloch über der Antarktis

Seit einigen Jahren werden diese chlorhaltigen Gase zum Großteil durch andere Gase ersetzt, welche die Ozonschicht nicht schädigen. Durch diese Maßnahmen ist das Ozonloch wieder kleiner geworden.

Hochwasser und Überflutungen

Viele Bäche und Flüsse wurden in den letzten Jahren reguliert. Ihr natürlicher Lauf wurde dabei verändert, die feuchten Flächen an ihren Ufern legte man trocken.

Überflutung am 3. Juni 2013 bei Schärding (OÖ)

Oly

Unter Klima versteht man alle Wettererscheinungen an einem Ort. Es wird von vielen Faktoren beeinflusst. Das Klima verändert sich im Laufe der Zeit aufgrund von natürlichen Ursachen. Die Klimaänderungen der jüngsten Vergangenheit wie die globale Erwärmung oder das Ozonloch sind jedoch vom Menschen verursacht.

Außerdem wurden große Flächen durch den Bau von Häusern und Straßen versiegelt, sodass das Regenwasser nicht mehr ins gelangen Grundwasser kann. Es fließt stattdessen an der Oberfläche rasch ab. Bei starken Regenfällen führen regulierte Flüsse häufig Hochwasser und es kommt zu Überflutungen.

Beeinflussung des Lebens Die Verschmutzung von Luft, Wasser und Boden durch den Menschen hat großen Einfluss auf zahlreiche Ökosysteme. Abgase aus Verkehr und Industrie gelangen mit dem Regen auf die Erde. Nicht abbaubare Abfälle wie Kunststoﬀe werden durch die Flüsse in die Meere gespült und sammeln sich dort an. Düngemittel und Pestizide aus der Landwirtschaft gelangen ebenfalls in Gewässer und Meere. Die Umweltverschmutzung verändert Ökosysteme und damit deren Einfluss auf das Klima.

Wärme auf der Erde 141

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

1) Umweltveränderungen bedrohen Tierarten – Entscheide, ob die Umweltveränderungen natürlichen Ursprung haben oder vom Menschen verursacht werden! %% Natur Mensch

Mit dem Ende der letzten Eiszeit verschwanden die ausgedehnten Graslandschaften, in denen das Mammut lebte. Neben zahlreichen anderen Tierarten starb diese Tierart aus.

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Die globale Erwärmung könnte zu einem Abschmelzen der Eisdecke rund um den Nordpol führen. Dadurch würde auch der Lebensraum des Eisbären zerstört werden.

Der natürliche Lebensraum des Orang Utans sind die Regenwälder in Indonesien. Durch deren Abholzung wird auch der Lebensraum dieses Tieres bedroht.

Viele Millionen Jahre lang lebten Saurier wie der Tyrannosaurus rex auf der Erde. Ein Meteoriteneinschlag schleuderte große Staubmengen in die Atmosphäre. Die Temperaturen auf der Erde sanken und die Saurier starben aus.

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Vor etwa 252 Mio. Jahren veränderten gewaltige Vulkanausbrüche das Klima auf der Erde. Zahlreiche Tierarten wie die Trilobiten starben in der Folge aus.

Früher lebten Pandabären in weiten Teilen Chinas. Durch die Ausbreitung des Menschen wurde ihr Lebensraum fast völlig zerstört, sodass sie heute vom Aussterben bedroht sind.

2) Der Kohlenstoffkreislauf – Diese Grafik zeigt dir, wie Kohlenstoﬀ auf der Erde eine Rolle spielt. Beantworte die Fragen, indem du die richtige Zahl einsetzt! %%%

Oly

A) Wo wird Kohlenstoff aus der Atmosphäre entfernt? B) Wo greift der Mensch in den Kohlenstoffkreislauf ein?

Fotosynthese

Verbrennungsgase

1 Atmung

E) Wo wird Kohlenstoff durch Lebewesen in die Atmosphäre abgegeben?

C) Wo wird Kohlenstoff langfristig gespeichert? D) Wo trägt der Mensch zum Treibhauseffekt bei?

Atmosphäre kohlenstoﬀdioxid CO2

Atmung

Tiere

Pﬂanzen

Abbau

CO2 Abgabe

Fabriken kraftwerke Verkehr

3 fossile Brennstoﬀe (kohle/Öl/Gas)

Energiegewinnung

142 Wärme auf der Erde

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

1 °C

390

Abweichung der durchschnittlichen Jahrestemperatur von der mittleren Jahrestemperatur zwischen 1900 und 2000

380 370

0,5 °C

kohlenstoﬀgehalt der Atmosphäre in ppm

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360

3) Atmosphäre und Temperatur – Betrachte die beiden Grafiken und beantworte anschließend die ppm: „part per million“, Anzahl der Teilchen pro 1 Mio. Luftteilchen Fragen! %%%%

350 340

20 10

20 00

19 90

20 10

20 00

19 90

19 80

330

0 °C

A) Im Zeitraum von 1980 bis 2010 nahm die durchschnittliche Jahrestemperatur  ab

mp eV

 zu

Um wie viel °C liegt die höchste Temperatur in diesem Zeitraum über der tiefsten?  0,3 °C

 0,5 °C

 0,6 °C

 0,8 °C

Um wie viele ppm nahm der Kohlenstoffgehalt in diesem Zeitraum ungefähr zu?  50 ppm  60 ppm

 70 ppm

B) Im Jahr 1991 brach auf den Philippinen der Vulkan Pinatubo aus. Wie veränderte sich in den Jahren danach die durchschnittliche Jahrestemperatur?  sie nahm ab

 sie nahm stärker zu

Wie wirkte sich der Ausbruch des Pinatubo auf den Kohlenstoffdioxidgehalt aus?  er stieg stärker an

 er stieg geringer an

 gar nicht

Wieso beeinflusste der Ausbruch des Pinatubo die Temperatur auf der Erde in den folgenden Jahren? _________________________________________________________________________________________

LÖSUNGSWORT:

A E fi

Oly

4) Der Treibhauseffekt – Wähle jene Bilder aus, die Vorgänge zeigen, die zum Treibhauseﬀekt beitragen, indem du die Buchstaben ausmalst! Dann bringe diese in die richtige Reihenfolge für das Lösungswort! %%%%

Wärme auf der Erde 143

30. UMWELTSCHUTZ IST KLIMASCHUTZ

Gehe sorgsam mit Energie um!

Der Mensch unternimmt große Anstrengungen, um Energie und Rohstoﬀe nutzbar zu machen. Viele der Folgen dieser Tätigkeiten wirken sich auf das Klima unseres Planeten aus. Daher ist jede Maßnahme, die Energie und Rohstoﬀe schont, ein Beitrag zum Klimaschutz.

2011

mp eV

1938

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Der Treibhauseﬀekt ist eines der größten Probleme, vor dem unsere Welt steht. Die Veränderung des Klimas wird in wenigen Jahrzehnten zum Abschmelzen von großen Eismassen und damit zu einem Anstieg des Meeresspiegels führen.

Die Temperatur wird in vielen Ländern ansteigen und großen Einfluss auf die Tier- und Pflanzenwelt haben. Die Hauptursache für den Treibhauseﬀekt ist der Verbrauch von fossilen Brennstoﬀen. Auch du kannst dazu beitragen, diesen Verbrauch zu reduzieren!

Klimaschutz im Verkehr

Wenn du mit dem Auto fährst, bewegst du eine Masse von 1 000 kg, um deine eigene Masse von 50 kg zu transportieren. Dabei verbrennt das Auto Benzin und produziert Kohlenstoﬀdioxid. Beachte folgende Tipps:

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ƒ Kurze Strecken sollte man zu Fuß zurücklegen oder mit dem Fahrrad fahren. ƒ Verwende öffentliche Verkehrsmittel! Der Energieaufwand pro Person ist dabei viel geringer. ƒ Bei Fahrgemeinschaften reduziert sich ebenfalls der Energieaufwand pro Person. Alleine mit dem Auto zu fahren, ist am schädlichsten für die Umwelt. ƒ Beim Kauf eines Autos sollte man darauf achten, dass das Fahrzeug möglichst wenig Treibstoff verbraucht und möglichst wenige Schadstoffe produziert. ƒ Bei Flugreisen wird besonders viel Treibstoff verbraucht. Fliege daher nur, wenn es unbedingt notwendig ist! ƒ Waren werden oft über sehr weite Strecken transportiert, bevor sie im Geschäft in deiner Nähe ankommen. Achte daher darauf, woher sie kommen! Kaufe vor allem Lebensmittel wie Obst und Gemüse von Produzenten aus deiner Nähe! Warum können Lebensmittel, die über weite Strecken transportiert werden, billiger sein als österreichische?

Weltweiter Transport von Nahrungsmitteln

Warum tragen alternative Energieformen nicht zum Treibhauseﬀekt bei?

Die Fläche der Pasterze, eines Gletschers in den österreichischen Alpen, hat in den letzten 100 Jahren fast um die Hälfte abgenommen.

Was ist saisonales Obst und Gemüse? Jede einheimische Frucht wird zu einer bestimmten Zeit reif und ist dann bei uns zu kaufen. Es gibt also für jede Obst- und Gemüsesorte eine „Saison“. Wenn du sie außerhalb dieser Saison kaufst, dann muss sie aus einem fernen Land zu uns transportiert werden.

Saison: bestimmter Zeitabschnitt des Jahres Sieh nach, woher die Kleidung kommt, die du trägst! Woher stammen deine Elektrogeräte?

Ananas: aus Elfenbeinküste Transportweg 8 000 km Banane: aus Mittelamerika Transportweg 10 000 km

kiwi: aus Neuseeland Transportweg 20 000 km

144 Wärme auf der Erde Klimaschutz im Haushalt

Durch den sparsamen Umgang mit elektrischer Energie im Haushalt kann daher der Ausstoß von Kohlenstoﬀdioxid verringert werden:

Waschmaschine/Geschirrspüler: Das Erhitzen des Wassers erfordert besonders viel Energie R nur einschalten, wenn sie wirklich voll sind R Wassertemperatur nicht höher wählen als notwendig

Herdplatten: geben auch nach dem Abschalten noch Wärme ab R Nutze die Restwärme durch rechtzeitiges Abschalten! R Topf sollte genauso groß sein wie die Herdplatte

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Wie gehst du zu Hause mit elektrischer Energie um? Gibt es Maßnahmen, um Energie zu sparen?

Die meisten Geräte im Haushalt werden mit elektrischer Energie betrieben. Diese Energie kommt von Kraftwerken. Auf welche Weise die elektrische Energie im Kraftwerk erzeugt worden ist, kannst du nicht feststellen. In Österreich wird zwar ein großer Teil der Elektrizität aus Wasserkraft gewonnen, allerdings gibt es auch bei uns zahlreiche Kraftwerke, die mit Kohle oder Gas betrieben werden.

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Kühl- und Gefrierschrank: R nur kurz öﬀnen

Wäschetrockner: verbraucht sehr viel Energie R wenn möglich, Wäsche an der Luft trocknen

Beleuchtung: R nur in Räumen einschalten, in denen man sich aufhält

Klimaanlage:„Stromfresser“ R möglichst wenig einsetzen

Elektrogeräte:

R sollten immer ganz abgeschaltet

werden (kein Stand-by-Betrieb)

Überlege bei jedem Elektrogerät, das du benutzt, ob du es wirklich brauchst oder ob du deine Arbeit auch anders erledigen kannst!

Oly

Was ist Ökostrom? Ökostrom ist elektrische Energie, die aus erneuerbaren Energiequellen wie Wasser, Wind, Sonne oder Biomasse gewonnen wird. In Österreich muss auf der Stromrechnung angegeben sein, aus welchen Energiequellen der elektrische Strom stammt.

Das Erwärmen von Wasser kostet sehr viel Energie. Daher sollte mit warmem Wasser so sparsam wie möglich umgegangen werden.

ƒ Beim Duschen wird wesentlich weniger Warmwasser verbraucht als bei einem Vollbad. ƒ Lass niemals den Warmwasserhahn laufen! ƒ Geschirrspülen mit der Hand verbraucht viel mehr Warmwasser als das Spülen mit der Geschirrspülmaschine.

Viel Energie kann beim Heizen eingespart werden. Daher sollte die Temperatur nicht zu hoch eingestellt werden. In der Nacht oder wenn man für längere Zeit die Wohnung verlässt, kann die Temperatur abgesenkt werden.

Wärme auf der Erde 145 Verantwortungsvoller Umgang mit Wasser Welche Maßnahmen setzt du bei dir zu Hause, um Wasser zu sparen?

In einem Haushalt wird viel Wasser verbraucht: Zum Waschen, zum Baden, zum Kochen, zum Gartengießen oder auch zum Spülen des WC. Dieses Wasser stammt von Quellen oder aus dem Grundwasser. Der Großteil des Wassers gelangt über den Kanal in eine Kläranlage, wo es gereinigt und anschließend wieder in ein Gewässer eingeleitet wird.

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Österreich ist eines der wenigen Länder, in denen es ausreichend Wasser mit hoher Qualität gibt. Trotzdem muss sparsam und sorgfältig mit diesem Wasser umgegangen werden, da der Transport und die Reinigung des Wassers mit hohem Energieaufwand verbunden sind.

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ƒ Lasse keinen Wasserhahn unnötig laufen! Drehe den Wasserhahn immer nur so weit wie nötig auf! Wassersparende Duschköpfe sparen beim Duschen bis zu 50 % Wasser. ƒ Bei den meisten WC-Spülungen gibt es einen Spülknopf für die Spülung mit geringerer Wassermenge. Nutze ihn, wenn es möglich ist! ƒ Verunreinige das Wasser so wenig wie möglich! Gehe sparsam mit Reinigungs- und Sparknopf bei der WC-Spülung Körperpflegemitteln wie Haarshampoo um! Verwende solche, die biologisch abbaubar sind! ƒ Gieße keine Chemikalien in den Abfluss! Auch Speiseöl gehört nicht in den Abfluss, sondern muss richtig entsorgt werden!

Luftverschmutzung: Schutz und Warnung

Auch du kannst deinen Beitrag dazu leisten, die Verschmutzung der Luft gering zu halten. Vermeide Spraydosen oder Ähnliches! Die Treibgase tragen zur Luftverschmutzung bei. Verbrenne niemals irgendwelche Abfälle! Häufig gelangen dabei giftige Abgase ungefiltert in die Luft. Den größten Anteil an der Luftverschmutzung haben aber die Industrie und der Verkehr. Vor allem in Städten kann die Belastung der Luft so hoch sein, dass gesundheitliche Gefahren für die Bevölkerung bestehen. Im Sommer, wenn es heiß ist und es lange nicht geregnet hat, ist die Belastung besonders hoch. Welche Luftschadstoffe sind besonders gefährlich? Erklärung

Entstehung

Auswirkungen

besondere Form des Sauerstoﬀs

bei starker Sonnenstrahlung und wenig Wind

reizt die Atemwege und die Schleimhäute

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Schadstoﬀ Ozon

Feinstaub

Stickstoﬀoxide

Staub, dessen Teilchen Abrieb von Bremsen und der kleiner als 10 µm sind Straße, Verbrennen von Diesel

Atembeschwerden

chemische Verbindung Verbrennungsvorgang in Automotoren von Sauerstoﬀ und Stickstoﬀ

greifen die Schleimhäute an

Wenn die Belastung durch diese Stoﬀe zu groß wird, ergeht eine Warnung an die Bevölkerung. Man sollte sich dann möglichst wenig im Freien aufhalten.

Wassersparender Duschkopf Lies die Angaben auf den Verpackungen von Körperpflegeprodukten! Dann erfährst du, welche biologisch abbaubar sind.

Was kann man zum Schutz des Bodens tun? Im eigenen Garten kann man durch die richtige Bepflanzung Rückzugsmöglichkeiten für Insekten schaﬀen. Diese halten Schädlinge fern und man braucht keine Pestizide. Beim Bearbeiten des Bodens sollte man möglichst schonend vorgehen. Dadurch werden Bodenlebewesen wie Regenwürmer nicht verletzt.

Abrieb: durch Reibung an der Oberfläche abgeschliﬀenes Material

146 Wärme auf der Erde Verantwortungsvoller Umgang mit Ressourcen

Unter natürlichen Ressourcen werden alle Rohstoﬀe verstanden, die für die Herstellung von Lebensmitteln oder Gütern benötigt werden und die aus der Natur stammen. Dazu zählen Pflanzen aus der Land- und Forstwirtschaft ebenso wie Grundstoﬀe aus dem Bergbau. Schon beim Einkaufen beginnt dein Beitrag zum Klimaschutz: ƒ Kaufe nur so viel, wie du wirklich benötigst! ƒ Achte auf die Verpackung! Wenn es möglich ist, kaufe nicht verpackte Waren!

Müll ist eine wertvolle Ressource

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Tipps für die Müllvermeidung ƒ Packe deine Waren im Geschäft aus und lasse das Verpackungsmaterial dort! ƒ Lass dir nicht jedes Mal eine Tragtasche aus Kunststoff geben! Nimm einen Korb oder eine Stofftasche mit! ƒ Alte Handys können woanders noch gebraucht werden. Gib sie bei Sammelstellen ab! ƒ Verwende einseitig bedrucktes Papier für Notizen, bevor du es wegwirfst!

Die Gewinnung von natürlichen Ressourcen stellt häufig einen schweren Eingriff in die Natur dar. Durch die Gewinnung selbst, die Verarbeitung der Rohstoffe und durch die damit verbundenen Umweltschäden ist auch das Klima im betreffenden Gebiet betroffen. Daher ist es wichtig, möglichst schonend mit diesen Ressourcen umzugehen.

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Ressource: Hilfsmittel, mit dem etwas hergestellt wird

Welche Tipps zur Müllvermeidung würdest du noch geben?

Was ist Restmüll? Dies ist der Müll, der nach der Mülltrennung übrig bleibt. Dieser wird zum Großteil verbrannt. Die dabei entstehende Wärme wird als Fernwärme genutzt.

ƒ ƒ ƒ ƒ

Metalle werden wieder eingeschmolzen. Altes Glas wird ebenfalls zur Herstellung neuer Glasprodukte genutzt. Papier kann zur Herstellung von neuem Papier verwendet werden. Auch viele Kunststoﬀe können erneut verarbeitet werden.

Geräte müssen richtig entsorgt werden! Sie werden in ihre Einzelteile zerlegt und die darin enthaltenen Rohstoﬀe wiedergewonnen. So darfst du Batterien nicht einfach wegwerfen. Bring sie ins Geschäft zurück, in dem du sie gekauft hast! Auch du kannst Altes wiederverwenden. Abgelegte Kleidungsstücke können teilweise als Putztücher eingesetzt werden.

Müllentsorgung – aber richtig

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Um einen Beitrag zum Klimaschutz zu leisten, muss man sorgsam mit der Energie umgehen. Vor allem im Verkehr und im Haushalt kann sehr viel Energie gespart werden. Wasser und Luft müssen vor Verschmutzung geschützt werden. Abfälle müssen getrennt und richtig entsorgt werden.

In vielen Fällen kann das, was man wegwirft, noch genutzt werden. Durch Recycling können viele Rohstoﬀe wiedergewonnen und erneut bei der Herstellung von neuen Waren eingesetzt werden.

RICHTIG!

Damit Abfälle wieder verwendet werden können, müssen sie getrennt entsorgt werden. In den meisten Städten und Ortschaften gibt es Müllsammelstellen. Achte darauf, dass du deine Abfälle in die richtigen Tonnen wirfst!

Trenne deinen Müll und entsorge ihn richtig! – So schützt du die Natur.

Wärme auf der Erde 147

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

Apfeless ig sorgt für glänzend es und g esundes Haar. Ma n gibt e inen großen S chuss Ap f elessig in eine Schüssel mit Wasser u nd tauch t nach der Haar wäsche s e inen Kopf hin ein.

den ue Haut an ra n e g e g ft il an eine Avocado h zerdrückt m u z a D . n e g o sie mit Ellb d vermischt n u o d ca o v ischung reife A pfen. Die M o T ln e ff ö L stellt einigen älchen und ch S 2 f u a n verteilt ma hinein. die Ellbogen

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Olivenöl mach t Haare weich und geschmeidig. Man verteilt et w as Olivenöl auf d em Haar, lässt es einige Stunden einw irken und wäs cht es mit einem milden Shampoo aus.

bei Raue und ch hilft rissige Knoblau keln im L ip ic p e P n n n b e ehan klein upft ma mit Honig delt man . Dazu t n Saft t h ic .M s e G mit einem an tupft epresste e g s u a n de zeh Wattestäb oblauch chen einer Kn Wattem e h m r e m l. in a e ls ein wen mit e n Pick ig n auf de e h c b ä t s

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en kann Zum Haarewasch man auch Eigelb verquirlt verwenden. Dazu d man das Eigelb un n ei verwendet es wie nwirken Shampoo – kurz ei ündlich lassen und dann gr ausspülen!

1) Ressourcenschonende Schönheitspflege – Sabrina hat aus verschiedenen Zeitungen Tipps für die Körperpflege ausgeschnitten und gesammelt. Hilf ihr, das richtige natürliche Mittel zu finden! %%

Weiße Zä hne erhä lt man m Backpulv it er. Dunk l e Verfärbu ngen las sen sich entferne n, indem man etwa Backpulv s er auf e ine Zahnbürs te gibt und sich damit di e Zähne putzt.

Wenn im Winter meine Lippen rissig sind, behandle ich sie mit

Für mein weiches Haar verwende ich

Ich habe ganz raue Ellbogen. Ich helfe mir mit

_________________________.

________________.

____________________.

Damit meine Zähne heller werden, brauche ich

______________________.

____________________.

Zum Haarewaschen verwende ich

Wenn ich im Gesicht einen Pickel habe, hilft mir

Oly

Ich möchte glänzendes Haar. Daher verwende ich

_________________________.

2) Schwierige Wörter – Erkläre die folgenden Begriﬀe! %%% Ressource: Abrieb:

Saison:

____________________.

148 Wärme auf der Erde

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

3) Fossile Brennstoffe – Was gehört zu den fossilen Brennstoﬀen? Ringle die Buchstaben neben den fossilen Brennstoﬀen ein, dann ergeben die Buchstaben ein Lösungswort! %%

S: Papier L: Benzin

T: Beton

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L: Kohle M: Erdgas LÖSUNGSWORT:

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Ö: Gold

E: Holz

Ü: Erdöl

4) Tipps zum Klimaschutz – Kreuze an, welche dieser Tipps zum Klimaschutz richtig und welche falsch sind, dann erhältst du einen wichtigen Begriﬀ zum Klimaschutz! %%%

Nimm ein Vollbad anstatt zu duschen!

Schalte Elektrogeräte ganz aus und lasse sie nicht im Stand-by-Modus! Gehe kurze Strecken zu Fuß oder fahre mit dem Fahrrad! Verlange bei jedem Einkauf ein Plastiksackerl!

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Kaufe saisonale Produkte!

Stelle in der Nacht oder wenn du die Wohnung verlässt die Heizung zurück! Fülle die Waschmaschine immer nur halb voll an! Verwende Energiesparlampen!

Lass immer das Licht brennen, wenn du die Wohnung verlässt! Verwende zum Putzen möglichst viel Reinigungsmittel! Vermeide nach Möglichkeit Müll, bzw. trenne ihn richtig!

falsch

M L L

Ö R E C

N R

S G

S G K

T R

N B

N I

5) Mein Beitrag zum Klimaschutz – Schreibe einen Brief an deinen Sitznachbarn/deine Sitznachbarin, in dem du darüber berichtest, mit welchen Maßnahmen du selbst zum Klimaschutz beiträgst! %%%%

Trockne deine Wäsche im Freien und nicht im Wäschetrockner!

richtig

PHYSIK-LABOR: Wetter 149

Experiment 1: Warme Luft

Ziel des Experiments: Zeige, dass warme Luft leichter ist als kalte!

Du brauchst: 2 kleine Plastiksackerl * Klebeband * Stab aus Holz oder Kunststoff * Draht * Schnur * Kerze Ablauf:

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ƒ Biege zuerst aus Draht zwei Ringe und klebe diese mit Klebeband an die Öffnungen der Plastiksackerl! ƒ Klebe jeweils ein Stück Schnur an die geschlossenen Enden der Plastiksackerl und klebe diese an beide Enden des Holzstabs! ƒ Binde nun ein Stück Schnur in die Mitte des Holzstabs! Hänge diese Schnur so auf, dass sich der Holzstab frei bewegen kann! Der Stab soll dabei waagrecht stehen. ƒ Halte zum Schluss die brennende Kerze unter die Öffnung eines der Plastiksackerl! Was kannst du beobachten? Finde eine Erklärung dafür!

Experiment 2: Regenmesser

Ziel des Experiments: Miss die Niederschlagsmenge!

Du brauchst: leere Plastikflasche (PET-Flasche) * scharfes Messer * Knetmasse * Lineal * wasserfester Filzstift Ablauf:

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ƒ Schneide die Flasche in etwa 2/3 der Höhe auseinander! ƒ Fülle dann den Boden der Flasche mit Knetmasse aus und streiche sie glatt! Die Flasche muss so weit mit Knetmasse angefüllt werden, dass an ihrer Oberfläche der Mantel der Flasche senkrecht nach oben führt. ƒ Drehe den Teil mit der Öffnung um und stecke ihn in den unteren Teil der Flasche! ƒ Zeichne mit dem Lineal seitlich an der Flasche Markierungen im Abstand von 1 cm! „0 mm“ markiert die Oberfläche der Knetmasse. ƒ Stelle nun die Flasche im Freien auf! Damit sie nicht umfällt, kannst du sie auch ein Stück in der Erde eingraben. ƒ Lies nach jedem Regen ab, wie viel Regen gefallen ist! Um die Regenmenge in mm angeben zu können, miss mit dem Lineal nach! ƒ Schütte nach jedem Regen die Flasche aus! ƒ Führe Protokoll! Wie viel Regen fällt pro Tag, pro Woche und pro Monat? Nun kannst du deine Messungen mit denen deiner Mitschüler und Mitschülerinnen vergleichen.

150 PHYSIK-LABOR: Wetter

Experiment 3: Raureif Du brauchst: Trinkglas * Kühlschrank mit Tiefkühlfach Ablauf:

Ziel des Experiments: Untersuche Raureif an einem Wasserglas!

ƒ Lege zuerst das Trinkglas in das Tiefkühlfach und lass es dort für einige Zeit (30 min)! ƒ Nimm nun das Glas aus dem Tiefkühlfach und lass es bei Raumtemperatur stehen!

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Was beobachtest du? Wie verändert sich die Oberfläche des Glases? Finde eine physikalische Erklärung für diesen Vorgang!

ƒ Lass dann das Glas stehen und beobachte, wie sich die Oberfläche weiter verändert!

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Erkläre auch diesen Vorgang!

Experiment 4: Luftverschmutzung

Ziel des Experiments: Zeige die Verschmutzung der Luft!

Du brauchst: Staubsauger * Filterpapier (Kaffeefilter) * Schere Ablauf:

ƒ Schneide zu Beginn den Filter so auseinander, dass du ein ebenes Stück Filterpapier erhältst! ƒ Halte dann das Filterpapier vor die Öffnung der Düse des Staubsaugers und schalte ihn ein! ACHTUNG! Du musst dabei das Papier sehr gut festhalten, damit es nicht in den Staubsauger gesaugt wird! ƒ Schalte nach 1 min den Staubsauger ab und betrachte das Filterpapier! Was fällt dir am Filterpapier auf? Was ist die Ursache für die Veränderung?

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ƒ Wiederhole das Experiment an verschiedenen Orten (Wohnung, im Freien, in der Schule, …)! Du musst darauf achten, dass du immer denselben Staubsauger verwendest und dass du ihn immer genau gleich lang eingeschaltet lässt! ƒ Vergleiche die Filterpapiere von verschiedenen Orten miteinander! Erkläre das unterschiedliche Aussehen der Filterpapiere!

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PHYSIK-NEWS: Wetter

Wolken bestehen nicht nur aus Wasserdampf. Erst kürzlich haben Forscher/innen herausgefunden, dass zahlreiche Lebewesen in ihnen einen idealen Lebensraum vorfinden. Bakterien und andere Mikroorganismen werden durch den Wind vom Boden aufgewirbelt und finden in Wolken ausreichend Nahrung, Feuchtigkeit und Schutz vor gefährlicher UV-Strahlung. Sie leben dort und vermehren sich, bis sie mit dem Regen wieder auf die Erdoberfläche zurückgelangen. Diese Lebewesen finden in Wolken aber nicht nur einen Lebensraum vor, sie gestalten ihn auch mit. Sie sind Kondensationskeime für Wassertröpfchen und tragen auf diese Weise maßgeblich zur Wolkenbildung bei. Somit scheinen Mikrolebewesen einen großen Einfluss auf das Klima der Erde zu haben.

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Diese Wolke lebt

erl

Die Silberameisen sind wahre Meister im Überleben bei großer Hitze und leben in der tunesischen Sahara. Da ihre silbrige Farbe die Wärmestrahlung der Sonne reflektiert, verlassen sie erst dann ihren Bau, wenn die Temperatur zu hoch für ihre Feinde ist. Nach spätestens 30 min müssen sie aber wieder in ihren Bau zurück, denn trotz ihres perfekten Sonnenschutzes würde nach dieser Zeit ihre Körpertemperatur auf über 50 °C ansteigen. Diese Temperatur wäre sogar für die Silberameisen zu viel.

Silberameisen in der Sahara

Eine Initiative für den Klimaschutz: Das Kyoto-Protokoll

Im Dezember 1997 trafen sich Vertreter zahlreicher Länder in der japanischen Stadt Kyoto zu einer Konferenz. Bei dieser Konferenz wurde über Maßnahmen gegen den Klimawandel und die globale Erwärmung verhandelt. Das Ergebnis dieser Konferenz war das Kyoto-Protokoll. In diesem wurde beschlossen, den CO2-Ausstoß deutlich zu verringern. Bisher haben sich 193 Staaten dazu verpflichtet, dieses Protokoll einzuhalten. Einer der wenigen Staaten, die sich dieser Klimaschutzinitiative nicht angeschlossen haben, sind die USA.

Müll kennt keine Grenzen

Oly

Buchtipps

Gerhard Straguhn: Sonne, Wind und Regen: Eine Wetterkunde in Zeiten des Klimawandels (Deutscher Taschenbuch Verlag, 2010). memo Wissen entdecken, Band 11: Klimawandel (Dorling Kindersley Verlag, 2011). Stefan Rahmstorf: Wolken, Wind und Wetter: Alles was man über Wetter und Klima wissen muss (Deutsche Verlags-Anstalt, 2011).

Meeresströmungen transportieren Kunststoffabfälle, die ins Meer gelangen, über weite Strecken. Dabei werden sie von den Wellen zu immer kleineren Teilchen zermahlen. Wasservögel und Fische verwechseln diese Teilchen mit Nahrung und fressen sie. Viele Tiere sterben daran. An manchen Stellen in den Meeren sammelt sich der Müll an. Ein solcher „Müllteppich“ befindet sich im Pazifischen Ozean zwischen Japan und den USA. Er ist etwa so groß wie ganz Mitteleuropa. In jedem km² dieses Gebiets treiben etwa 1 Mio. Kunststoffteilchen.

152

PHYSIK-NEWS: Wetter El Niño – ein Klimaphänomen zur Weihnachtszeit

An vielen Küsten verursacht El Niño schwere Stürme mit hohen Wellen.

Kyrill ist ein Tiefdruckgebiet, welches im Jänner 2007 über Mitteleuropa zog. Dieses brachte Stürme mit Windgeschwindigkeiten von mehr als 200 km/h mit sich. Kyrill richtete auch in Österreich große Schäden an. Doch woher hat Kyrill seinen Namen? Das Meteorologische Institut der Freien Universität Berlin vergibt die Namen für Hoch- und Tiefdruckgebiete, die für das Wetter in Europa verantwortlich sind. In geraden Jahren erhalten Tiefdruckgebiete weibliche und Hochdruckgebiete männliche Namen. In ungeraden Jahren ist es umgekehrt. Gegen eine Gebühr kann man auch selbst den Namen eines solchen Hoch- oder Tiefdruckgebietes vergeben. Überraschen Sie doch einen Freund/eine Freundin zu seinem/ihrem nächsten Geburtstag damit, dass Sie einem Hoch- oder Tiefdruckgebiet seinen/ihren Namen geben.

mp eV

„Gestatten, mein Name ist Kyrill!“

erl

„Christkind“ heißt auf Spanisch „El Niño“. El Niño ist aber auch der Name für eine Klimabesonderheit, die alle zwei bis sieben Jahre zur Weihnachtszeit vor der Pazifikküste Südamerikas auftritt. Normalerweise sorgt der Humboldtstrom, eine kalte Meeresströmung, dafür, dass in diesem Gebiet kühles Wasser an die Meeresoberfläche gelangt. In manchen Jahren wird der Humboldtstrom jedoch abgeschwächt. Dann erwärmt sich das Oberflächenwasser vor Südamerika, das Plankton stirbt ab und es kommt zu einem Massensterben von Fischen und Seevögeln. El Niño hat Auswirkungen auf das Wetter in weiten Teilen der Welt. Während es an der Küste Südamerikas zu starken Regenfällen kommt, herrscht in den Regenwäldern des Amazonasgebiets, aber auch in Südostasien und Australien Trockenheit. Man nimmt an, dass El Niño auch das Winterwetter in Mitteleuropa beeinflusst.

Hast du das gewusst?

Oly

ƒ Das Austauschen alter elektrischer Geräte zahlt sich aus, auch wenn das neue Gerät teuer ist, da moderne Geräte oft wesentlich weniger Strom als alte verbrauchen. So ist die Stromersparnis durch das neue Gerät häufig schon nach kurzer Zeit höher als die Anschaffungskosten. ƒ Richtig lüften spart Heizkosten und trägt somit zur Verringerung der CO2-Produktion bei. Solange man heizt, sollte man ein Fenster nicht gekippt lassen. Besser ist es, für kurze Zeit das Fenster ganz zu öffnen und es dann wieder zu schließen. Diese Art des Lüftens nennt man „Stoßlüften“. ƒ Biokunststoff wird aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt, vor allem aus Stärke, die aus Mais gewonnen wird. Immer häufiger findet man in Supermärkten „Plastiksackerl“ aus Biokunststoff, die nach dem Gebrauch von Pilzen und Bakterien wieder abgebaut werden können. Biokunstoffe sind CO2-neutral, d.h. es gelangt kein zusätzliches CO2 in die Atmosphäre. Daher tragen sie nicht zur globalen Erwärmung bei.

Das Wochenende kommt – und das Wetter wird schlecht! Wer kennt das nicht: Kaum steht das Wochenende vor der Tür, beginnt es zu regnen. Deutsche Wissenschaftler/innen haben jetzt nachgewiesen, dass das Wochenendwetter im Durchschnitt tatsächlich schlechter ist als das Wetter während der Woche. Und sie haben auch eine Erklärung dafür: Während der Arbeitswoche werden durch die Industrie und durch den Verkehr sehr viele Staub- und Rußteilchen in die Atmosphäre abgegeben. Dort sammeln sie sich an und je weiter die Woche vorrückt, desto höher wird ihre Konzentration. Gegen Ende der Woche ist die Schadstoffkonzentration dann so hoch, dass der Wasserdampf an den Schmutzteilchen kondensiert – es regnet. Der Regen wäscht den Schmutz wieder aus der Luft, sodass nach dem Wochenende die Atmosphäre wieder sauber ist. Mit Beginn der Arbeitswoche tritt wieder sonniges Wetter ein.

Physik-Domino 153

Physik-Domino Schneide zuerst die Spielsteine aus, dann könnt ihr das Physik-Domino spielen!

Was sind Elemente?

Grundstoﬀe, aus denen alle Gegenstände aufgebaut sind

Stromzähler

Was ist UV-Licht?

Wer gab dem Atom seinen Namen?

der griechische Wissenschaftler Demokrit

Wie nennt man die regelmäßige Anordnung von Teilchen?

Kristallgitter

Wie lautet das Ohmsche Gesetz?

Was ist Wärme?

Schwingungsenergie von Teilchen

Wozu dient ein Bandgenerator?

zum Erzeugen von elektrischer Ladung

Was ist eine Drossel?

Was ist die Einheit der elektrischen Ladung?

Coulomb

Wodurch wird Nordeuropa erwärmt?

Golfstrom

Welches Atom besitzt im Kern 2 Protonen?

100 °C

Was ist die Einheit des elektrischen Widerstands?

warmer Wind bei Gebirgen

Wie ist ein Neutron geladen?

mp eV

Ultraviolettes Licht

U=R•I

Welches Gerät misst den Stromverbrauch?

Oly

enge Stelle in einem Rohr

START

erl

SPIELANLEITUNG: Die Spielsteine werden gemischt und auf die Mitspieler verteilt. Wer den „START“-Stein besitzt, legt diesen zuerst auf den Tisch. Derjenige, der den Stein mit der richtigen Antwort besitzt, legt diesen so unter den ersten Stein, dass die Antwort unter der Frage steht. Als nächstes ist der an der Reihe, der den Stein mit der Antwort auf diesen Stein hat. Die richtige Antwort wird diesmal über die Frage gelegt. Das Spiel ist zu Ende, sobald ein Spieler keine Steine mehr besitzt.

das HeliumAtom

Was ist die Einheit der Stromstärke?

Ampere

Bei welcher Temperatur siedet Wasser?

Ohm

Was ist IR-Licht?

Infrarotes Licht

Was ist Föhn?

mp eV Oly

erl

154 Physik-Domino

fi Es ist ungeladen.

Wie ist eine Erdungsleitung gekennzeichnet?

Nicolaus August Otto

Was sind die elektrischen Ladungsträger?

Periodensystem

Physik-Domino 155

Nach wem ist der Benzinmotor benannt?

Wie nennt man die Urform der Batterie?

Voltasche Säule

Elektronen

Welche beiden Punkte gibt es im Zustandsdiagramm?

Tripelpunkt und kritischer Punkt

Wie nennt man die Tabelle der Elemente?

Welche Aufgabe hat ein Transformator?

Er ändert die elektrische Spannung.

Welche Elemente gehören zu den Edelgasen?

Helium, Neon, Argon, Xenon

Was ist Thermik?

nach oben gerichtete Luftströmung

Wie nennt man die Bindung von Wasser?

Elektronenpaarbindung

Was ist die Einheit der Energie?

Joule

Wovor schützt ein Faradayscher Käfig?

vor Blitzen

Was sind Jetstreams?

schnelle Luftströmungen in großer Höhe

Wie lautet die Formel für die elektrische Leistung?

P=U•I

Welche Aufgabe hat ein Kompressor?

Er verdichtet Gas.

Was ist die Einheit der elektrischen Spannung?

Volt

Wodurch regelt ein Hund seine Körpertemperatur?

durch Hecheln

Wie nennt man flüssige Leiter?

Elektrolyte

Was verhindert den Anstieg der Stromstärke?

Sicherung

Was ist ein Lichtbogen?

ständige Entladung durch ionisierte Luft

Wodurch werden die Jahreszeiten verursacht?

durch die Neigung der Erdachse

Wodurch entsteht Konvektion?

durch aufsteigende warme Luft

Wodurch wird Wind verursacht?

durch Druckunterschiede der Luft

ENDE

Oly

mp eV

erl

gelb-grün

156 Physik-Domino

Oly

mp eV

erl

Spannende Experimente: Elektrizität 157

Der rotierende Löffel Du brauchst: Kunststoffstab * Holzlöffel * Uhrglas * Wolltuch (Pullover)

Wie verhält sich der Löffel?

mp eV

Worauf ist dieses Verhalten zurückzuführen?

erl

Anleitung: ƒ Leg den Holzlöffel auf das umgedrehte Uhrglas, sodass er sich frei drehen kann! ƒ Reib den Kunststoffstab am Wolltuch und bring ihn dann in die Nähe des drehbar gelagerten Löffels!

Elektrisch gekoppelte Pendel

Du brauchst: 2 Kochlöffel aus Kunststoff mit einem Loch am Ende (alternativ: 2 Kunststofflineale) * 2 dünne Holzstäbe * Wolltuch (Pullover) * schweres Buch Anleitung: ƒ Leg die beiden Holzstäbe nebeneinander an die Kante eines Tisches und beschwere sie mit dem Buch! ƒ Hänge beide Kochlöffel an die Holzstäbe! ƒ Versetze einen der beiden Kochlöffel in Schwingung! Was kannst du am anderen Kochlöffel beobachten?

Oly

ƒ Reibe einen der beiden Kochlöffel am Wolltuch, hänge ihn wieder auf den Holzstab und versetze in erneut in Schwingung! Achtung: Berühre den Kochlöffel nicht mit den Fingern sondern ergreife ihn mit dem Wolltuch! Was geschieht nun mit dem anderen Kochlöffel? Welche Schlüsse ziehst du daraus?

158 Spannende Experimente: Elektrizität

Papierschnitzeltanz Du brauchst: Seidenpapier * Seidentuch * Glasplatte (nicht zu dünn) * 2 Holzklötze

Was kannst du beobachten?

erl

Anleitung: ƒ Zerreiße das Seidenpapier in kleine Stücke und leg diese auf den Tisch! ƒ Leg die beiden Holzklötze auf beiden Seiten neben die Papierschnitzel und leg die Glasplatte darüber! ƒ Reibe mit dem Seidentuch an der Oberseite der Glasplatte!

mp eV

Was kannst du aus deiner Beobachtung schließen?

Die Elektronenfalle

Du brauchst: 2 Elektroskope * Wolltuch * Glasstab * Hartgummistab * Metallstab Anleitung: ƒ Reibe zunächst den Glasstab am Wolltuch! ƒ Dann lade damit das eine Elektroskop auf! ƒ Anschließend reibe den Hartgummistab am Wolltuch! ƒ Nun lade mit dem Hartgummistab das andere Elektroskop! Achte darauf, dass die Metallstreifen der Elektroskope etwa gleich stark gespreizt sind! ƒ Zum Schluss verbinde die beiden Elektroskope mit dem Metallstab!

Oly

Was geschieht?

Erkläre deine Beobachtung!

gum Hart

Glas

Metall

Spannende Experimente: Elektrizität 159

Einfacher elektrischer Stromkreis Du brauchst: Stromquelle (Flachbatterie) * Lämpchen mit Fassung * 2 Krokoklemmen * 3 Kabel * Schalter

Was geschieht?

mp eV

Erkläre, was geschehen ist!

erl

Anleitung: ƒ Baue einen elektrischen Stromkreis so auf, wie er in der Skizze dargestellt ist! Lass dabei zunächst den Schalter noch geöffnet! ƒ Dann schließe den Schalter!

Die Serienschaltung

Du brauchst: Stromquelle * 3 Lämpchen mit Fassung * 5 Kabel * Schalter Anleitung: ƒ Baue die Serienschaltung entsprechend nebenstehender Schaltskizze auf! Lass dabei den Schalter zunächst noch geöffnet! ƒ Dann schließe den Schalter! Was kannst du beobachten?

ƒ Drehe nun eines der Lämpchen aus der Fassung! Was geschieht jetzt?

ƒ Entferne zum Schluss die leere Fassung und schließe den Stromkreis wieder!

Oly

Was kannst du nun feststellen?

Finde eine Erklärung für deine Beobachtungen!

160 Spannende Experimente: Elektrizität

Du brauchst: Stromquelle * 3 Lämpchen mit Fassung * 7 Kabel * Schalter

Was geschieht?

erl

Anleitung: ƒ Baue die Parallelschaltung entsprechend der nebenstehenden Schaltskizze auf! Lass dabei den Schalter noch geöffnet! ƒ Dann schließe den Stromkreis!

Die Parallelschaltung

ƒ Drehe nun eines der Lämpchen aus der Fassung! Was kannst du beobachten?

mp eV

Erkläre deine Beobachtung!

Der Kurzschluss

Du brauchst: Netzgerät (Einstellung: Gleichspannung, 4,5 V) * 2 Isolierklemmen * 4 Kabel * Lämpchen mit Fassung * Stricknadel aus Metall (Metallstab, Draht)

Anleitung: ƒ Verbinde zunächst die beiden Isolierklemmen mit den beiden Polen des Netzgerätes! ƒ Dann verbinde die beiden Isolierklemmen mit den Anschlüssen der Fassung des Lämpchens! ƒ Anschließend schalte das Netzgerät ein! Was siehst du am Lämpchen?

ƒ Nimm nun die Stricknadel und berühre damit gleichzeitig kurz die beiden Isolierklemmen!

Oly

Was geschieht dabei?

Erkläre, was geschehen ist!

Spannende Experimente: Elektrizität 161

Du brauchst: Drähte aus unterschiedlichen Materialien (Eisen, Kupfer, Aluminium, Konstantan), jeweils gleich lang und mit gleichem Querschnitt * Netzgerät * Amperemeter * 2 Isolierklemmen * Lämpchen mit Fassung * 3 Kabel

Material und Widerstand

Was kannst du feststellen?

mp eV

Was schließt du daraus?

erl

Anleitung: ƒ Bau einen Stromkreis so auf, wie er in der Skizze dargestellt ist! ƒ Verbinde die beiden Isolierklemmen der Reihe nach mit den unterschiedlichen Drähten und miss jeweils die Stromstärke! Achtung: Die Einstellungen am Netzgerät und am Amperemeter müssen dabei gleich bleiben.

Querschnitt und Widerstand

Du brauchst: 2 Drähte aus Konstantan mit gleicher Länge aber unterschiedlichem Querschnitt (z. B. 0,1 und 0,2 mm) * Netzgerät * Amperemeter * 2 Isolierklemmen * Lämpchen mit Fassung * 3 Kabel Anleitung: ƒ Bau einen Stromkreis so auf, wie er oben dargestellt ist! ƒ Verbinde die Isolierklemmen nacheinander mit den beiden Drähten und miss jeweils die Stromstärke! Achtung: Die Einstellungen am Netzgerät und am Amperemeter müssen dabei gleich bleiben. Was kannst du feststellen? Was ist die Ursache dafür!

Drahtlänge und Widerstand

Oly

Du brauchst: mehrere Drähte aus Konstantan mit gleichem Querschnitt aber mit unterschiedlicher Länge * Netzgerät * Amperemeter * 2 Isolierklemmen * Lämpchen mit Fassung * 3 Kabel Anleitung: ƒ Bau einen Stromkreis so auf, wie er oben dargestellt ist! ƒ Verbinde die Isolierklemmen der Reihe nach mit den Drähten und miss jeweils die Stromstärke! Achtung: Die Einstellungen am Netzgerät und am Amperemeter müssen dabei gleich bleiben. Was kannst du feststellen?

Erkläre deine Beobachtung!

162 Spannende Experimente: Elektrizität

Widerstand und Temperatur Du brauchst: Eisendraht * Bleistift * Netzgerät * Amperemeter * 2 Isolierklemmen * 3 Kabel * Bunsenbrenner

mp eV

Was zeigt das Amperemeter an?

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Anleitung: ƒ Wickle den Draht mehrmals um den Bleistift und ziehe dann den Bleistift heraus! ƒ Baue dann den Stromkreis so auf, wie er in der Skizze dargestellt ist und befestige den gewickelten Draht zwischen den Isolierklemmen! ƒ Zum Schluss schalte das Netzgerät ein und erwärme den Draht mit dem Bunsenbrenner! Beobachte dabei die Anzeige am Amperemeter!

Erkläre, was bei diesem Experiment geschieht!

Gedämpftes Licht

Du brauchst: Netzgerät * Schiebewiderstand * Lämpchen mit Fassung * 3 Kabel Anleitung: ƒ Baue einen Stromkreis so auf, wie er in der Skizze dargestellt ist! ƒ Dann bewege den Schieber am Schiebewiderstand hin und her und betrachte dabei das Lämpchen!

Oly

Wie verhält sich das Lämpchen?

Was ist die Ursache für dieses Verhalten?

Spannende Experimente: Elektrizität 163

Du brauchst: regelbares Netzgerät * Amperemeter * Voltmeter * Konstantandraht * 2 Isolierklemmen * 5 Kabel

Stromstärke und Spannung

erl

Anleitung: ƒ Bau einen Stromkreis so auf, wie er in der Skizze dargestellt ist! ƒ Stelle dann das Netzgerät auf die geringste Spannung ein! Erhöhe dann schrittweise die Spannung und notiere die Anzeigen auf dem Volt- und dem Amperemeter in der Tabelle! Welchen Zusammenhang zwischen Stromstärke und Spannung kannst du feststellen?

mp eV

Spannung (V)

Wie heißt das entsprechende physikalische Gesetz?

Der Blitzableiter

Du brauchst: Wollpullover * Stück Styropor * Glas * Kuchenschaufel aus Kunststoff

Oly

Anleitung: ƒ Leg die Kuchenschaufel auf das Glas! ƒ Zieh den Pullover an und reib das Stück Styropor daran! ƒ Leg nun das Styropor auf die Kuchenschaufel, ohne dabei die Kuchenschaufel mit der Hand zu berühren! ƒ Zum Schluss verdunkle den Raum und nähere deinen Finger langsam dem Griff der Kuchenschaufel! Was kannst du beobachten?

Erkläre deine Beobachtung!

Stromstärke (A)

164 Spannende Experimente: Wärme ist Energie

Du brauchst: Rundkolben mit engem Hals aus feuerfestem Glas * Bunsenbrenner * Stativ mit Vorrichtung zum Einspannen des Rundkolbens * Wasser * Lebensmittelfarbe * Markierstift

Ausdehnung von Flüssigkeiten beim Erwärmen

Was kannst du erkennen?

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Erkläre, was du gesehen hast!

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Anleitung: ƒ Fülle den Rundkolben so weit mit Wasser, dass dieses bis in den Hals reicht, und gibt Lebensmittelfarbe dazu! ƒ Dann markiere den Wasserstand am Hals des Rundkolbens! ƒ Fixiere nun den Rundkolben am Stativ und bewege den brennenden Bunsenbrenner unter dem Rundkolben hin und her! Achtung: Das Wasser darf keinesfalls kochen, da sonst das heiße Wasser aus dem engen Hals spritzen könnte. ƒ Betrachte die Markierung, während das Wasser erwärmt wird!

Was geschieht, wenn das Wasser wieder abkühlt?

Zuckerlöslichkeit

Du brauchst: 2 Bechergläser * heißes Wasser * kaltes Wasser * 2 Stück Würfelzucker Anleitung: ƒ Füll ein Becherglas mit heißem Wasser, das andere mit kaltem Wasser! ƒ Leg anschließend in jedes Becherglas gleichzeitig jeweils ein Stück Würfelzucker! ƒ Nun beobachte die Zuckerstücke! Was kannst du feststellen?

Oly

Wie lässt sich deine Beobachtung erklären? Tipp: Denk dabei an das, was du in der 2. Klasse über Teilchenbewegung gelernt hast!

Wie nennt man diese Art der Teilchenbewegung?

Spannende Experimente: Wärme ist Energie 165

Heißtee und Eistee Du brauchst: 2 Teetassen * 2 Teebeutel * heißes und kaltes Wasser * 2 Löffel

Welcher Unterschied fällt dir auf?

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Worauf ist dieser Unterschied zurückzuführen?

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Anleitung: ƒ Gib jeweils einen Teebeutel in jede Tasse und beschwere die Teebeutel mit jeweils einem Löffel! ƒ Nun gieße in eine Tasse heißes und in die andere kaltes Wasser! ƒ Beobachte die beiden Tassen eine Zeit lang!

Ausdehnen von Gasen beim Erwärmen

Du brauchst: Rundkolben mit engem Hals * Becherglas * Wasser

Anleitung: ƒ Fülle das Becherglas halb voll mit Wasser und stelle den Rundkolben mit der Öffnung nach unten hinein! ƒ Leg beide Hände seitlich an den Rundkolben

Was kannst du beobachten?

Oly

Wie kannst du deine Beobachtung erklären?

ƒ Nimm nun die Hände weg!

Was geschieht jetzt?

Was ist geschehen?

166 Spannende Experimente: Wärme ist Energie

Das Thermometer Du brauchst: durchsichtiger Strohhalm * Klebeband * warmes Wasser * Lebensmittelfarbe * 2 Bechergläser

Was geschieht mit dem Tropfen?

mp eV

ƒ Ziehe den Strohhalm wieder aus dem Wasser!

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Anleitung: ƒ Färbe etwas Wasser in einem Becherglas! ƒ Tauche dann den Strohhalm ins gefärbte Wasser, verschließe das Ende mit dem Daumen und ziehe den Strohhalm wieder heraus! ƒ Halte den Strohhalm schräg und lasse einen Teil des Wassers herausrinnen, bis sich nur noch ein Tropfen in der Mitte des Strohhalms befindet! ƒ Jetzt knicke den Strohhalm am unteren Ende um und fixiere ihn mit dem Klebeband! ƒ Zum Schluss halte den Strohhalm mit dem geschlossenen Ende in das andere Becherglas mit warmem Wasser!

Was kannst du jetzt feststellen? Erkläre deine Beobachtung!

Der wachsende Luftballon

Du brauchst: Luftballon * Glasflasche * heißes Wasser * kaltes Wasser * Topf * Bunsenbrenner * Dreibein mit Drahtgitter Anleitung: ƒ Kühle die Flasche, indem du sie unter fließendes kaltes Wasser hältst! ƒ Stülpe dann den Luftballon über die Öffnung der Flasche! ƒ Stelle die Flasche in den mit Wasser gefüllten Topf und erwärme ihn!

Oly

Wie verhält sich der Luftballon?

Erkläre, was bei diesem Experiment geschieht!

Spannende Experimente: Wärme ist Energie 167

Der versteckte Luftballon Du brauchst: Luftballon * Glasflasche * heißes Wasser * fließendes kaltes Wasser

Was kannst du beobachten?

mp eV

Erkläre, was geschehen ist!

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Anleitung: ƒ Füll die Flasche mit heißem Wasser und schüttle sie kräftig! ƒ Gieße nun das Wasser aus und stülpe einen Luftballon über die Öffnung der Flasche! ƒ Halte die Flasche unter fließendes kaltes Wasser!

Kältemischung

Du brauchst: Eiswürfel * Kochsalz * Becherglas * Waage * Thermometer, das auch den negativen Temperaturbereich abdeckt Anleitung: ƒ Mische Eis mit Kochsalz! Die Masse des Eises soll dreimal so groß sein wie die des Kochsalzes! Was geschieht?

ƒ Miss die Temperatur des Gemisches!

Oly

Was kannst du feststellen?

Erkläre, was geschieht!

168 Spannende Experimente: Wärme ist Energie

Du brauchst: Glas * 2 Thermometer * kaltes Wasser * Eiswürfel

Anomalie des Wassers

Was kannst du feststellen?

mp eV

Erkläre, was du gemessen hast!

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Anleitung: ƒ Füll das Glas bis zur Hälfte mit Eiswürfeln! ƒ Gieße kaltes Wasser hinzu, bis das Glas vollständig gefüllt ist! ƒ Steck dann ein Thermometer so in das Glas, dass es bis zum Boden reicht! Miss mit dem anderen Thermometer die Temperatur an der Oberfläche des Wasser-Eis-Gemisches

Das Laufrad über der Kerze

Du brauchst: Papier * Schere * Zwirn * Kerze

Anleitung: ƒ Schneide mit der Schere eine Spirale (siehe Vorlage) aus! ƒ Bohre an der markierten Stelle in der Mitte ein kleines Loch und befestige daran den Zwirn! ƒ Halte nun die Spirale am Zwirn etwa 30 cm über die Flamme der Kerze!

Oly

Was geschieht?

Wie kannst du deine Beobachtung erklären?

Spannende Experimente: Wärme ist Energie 169

Du brauchst: 2 kleine Bechergläser * 1 großes Becherglas, dessen Durchmesser etwa 2 cm größer ist als der des kleinen * Butter * heißes Wasser

Das Doppelglasfenster

Was geschieht mit der Butter?

mp eV

Erkläre, was geschehen ist!

erl

Anleitung: ƒ Stell eines der kleinen Gläser in das große! ƒ Klebe sowohl auf die Außenfläche des Einzelglases als auch auf die des großen Becherglases ein Stück Butter! ƒ Nun fülle in beide kleine Bechergläser heißes Wasser!

Hell und dunkel

Du brauchst: 2 weiße Styroportassen (Lebensmittelverpackung) * 2 Thermometer * schwarzes Papier * Frischhaltefolie * starke Lichtquelle Anleitung: ƒ Bohre seitlich in beide Styroportassen ein Loch und stecke jeweils ein Thermometer hindurch! ƒ Leg in eine der Tassen schwarzes Papier! ƒ Nun decke beide Tassen mit Frischhaltefolie ab und beleuchte sie! ƒ Dann ließ in Abständen von einigen Minuten die Temperaturen an beiden Thermometern ab!

Oly

Was kannst du an den Thermometern erkennen?

Was folgerst du daraus?

170 Spannende Experimente: Lösungen

Der rotierende Löffel (S. 157) Wie verhält sich der Löffel? Er beginnt sich zu drehen. Worauf ist dieses Verhalten zurückzuführen? Durch das Reiben wird der Kunststofflöffel elektrisch aufgeladen. Die Ladung zieht den Holzlöffel an, sodass dieser sich dreht. Elektrisch gekoppelte Pendel (S. 157) Was kannst du am anderen Kochlöffel beobachten? Er bewegt sich nicht. Was geschieht nun mit dem anderen Kochlöffel? Er beginnt ebenfalls zu schwingen. Welche Schlüsse ziehst du daraus? Durch die Reibung wird der Löffel aufgeladen. Er übt eine anziehende Kraft auf den anderen Löffel aus, der dadurch ebenfalls schwingt.

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Papierschnitzeltanz (S. 158) Was kannst du beobachten? Die Papierschnitzel bewegen sich auf und ab. Was kannst du aus deiner Beobachtung schließen? Durch die Reibung wird die Glasplatte elektrisch geladen und zieht die Papierschnitzel an. Sobald sie die Platte berühren, werden sie ebenfalls geladen. Papier und Platte sind dann gleich geladen und stoßen einander ab.

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Die Elektronenfalle (S. 158) Was geschieht? Beide Elektroskope werden entladen. Erkläre deine Beobachtung! Beim Reiben laden sich Glas und Hartgummi unterschiedlich auf, sodass ein Elektroskop positiv und das andere negativ geladen ist. Der Metallstab bewirkt einen Ladungsausgleich. Einfacher elektrischer Stromkreis (S. 159) Was geschieht? Das Lämpchen leuchtet. Erkläre, was geschehen ist! Durch das Schließen des Schalters wird aus dem oﬀenen ein geschlossener Stromkreis und der Strom kann fließen. Die Serienschaltung (S. 159) Was kannst du beobachten? Alle Lämpchen leuchten. Was geschieht jetzt? Kein Lämpchen leuchtet. Was kannst du nun feststellen? Die beiden verbleibenden Lämpchen leuchten heller als zuvor. Finde eine Erklärung für deine Beobachtungen! Beim Herausdrehen wird der Stromkreis unterbrochen. Je weniger Lämpchen im Stromkreis sind, desto heller leuchtet jedes einzelne. Die Parallelschaltung (S. 160) Was geschieht? Alle Lämpchen leuchten. Was kannst du beobachten? Die anderen Lämpchen leuchten weiter. Erkläre deine Beobachtung! In einer Parallelschaltung leuchten alle Lämpchen unabhängig von einander.

Oly

Der Kurzschluss (S. 160) Was siehst du am Lämpchen? Es leuchtet. Was geschieht dabei? Solange die Nadel die Klemmen berührt, leuchtet das Lämpchen nicht. Erkläre, was geschehen ist! Der Strom bevorzugt den Weg des geringeren Widerstandes durch die dicke Nadel, anstatt durch das dünne Kabel zu fließen. Material und Widerstand (S. 161) Was kannst du feststellen? Die Stromstärke ist unterschiedlich. Was schließt du daraus? Es gibt gute und schlechte Stromleiter, deren Widerstand unterschiedlich hoch ist. querschnitt und Widerstand (S. 161) Was kannst du feststellen? Die Stromstärke beim dickeren Draht ist größer. Was ist die Ursache dafür? Der Widerstand hängt vom Drahtquerschnitt ab.

Spannende Experimente: Lösungen 171

Drahtlänge und Widerstand (S. 161) Was kannst du feststellen? Je länger der Draht ist, desto geringer ist die Stromstärke. Erkläre deine Beobachtung! Der Widerstand hängt von der Drahtlänge ab. Widerstand und Temperatur (S. 162) Was zeigt das Amperemeter an? Je heißer der Draht wird, desto geringer wird die Stromstärke. Erkläre, was bei diesem Experiment geschieht! Der Widerstand hängt von der Temperatur des Drahtes ab.

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Gedämpftes Licht (S. 162) Wie verhält sich das Lämpchen? Die Helligkeit des Lämpchens ändert sich. Was ist die Ursache für dieses Verhalten? Je nachdem, wo sich der Schieber befindet, ist der Widerstandsdraht im Schiebewiderstand unterschiedlich lang. Daher ändert sich der Widerstand.

Stromstärke und Spannung (S. 163) Welchen Zusammenhang zwischen Stromstärke und Spannung kannst du feststellen? Je größer die Spannung ist, desto größer ist auch die Stromstärke. Wie heißt das entsprechend physikalische Gesetz? Das Ohmsche Gesetz

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Der Blitzableiter (S. 163) Was kannst du beobachten? Zwischen Finger und Kuchenschaufel entsteht ein winziger Blitz. Erkläre deine Beobachtung! Beim Reiben werden die beiden Gegenstände unterschiedlich aufgeladen. Der Blitz bewirkt einen Ladungsausgleich. Ausdehnung von Flüssigkeiten beim Erwärmen (S. 164) Was kannst du erkennen? Das Wasser steigt im Hals des Rundkolbens nach oben. Erkläre, was du gesehen hast! Beim Erwärmen dehnt sich das Wasser aus. Was geschieht, wenn das Wasser wieder abkühlt? Der Wasserspiegel sinkt wieder. Zuckerlöslichkeit (S. 164) Was kannst du feststellen? Der Würfelzucker im warmen Wasser löst sich rascher als der im kalten. Wie lässt sich deine Beobachtung erklären? Die Geschwindigkeit der Wasserteilchen ist umso größer, je wärmer das Wasser ist. Daher stoßen die Teilchen des warmen Wassers rascher und häufiger an die Teilchen des Zuckers. Dabei wird mehr Energie übertragen. Dadurch werden die Zuckerteilchen im warmen Wasser rascher aus dem Zuckerwürfel herausgeschlagen. Wie nennt man diese Art der Teilchenbewegung? Brownsche Bewegung Heißtee und Eistee (S. 165) Welcher Unterschied fällt dir auf? Das warme Wasser verfärbt sich rascher als das kalte. Worauf ist dieser Unterschied zurückzuführen? Im warmen Wasser bewegen sich die Teilchen schneller. Sie kommen daher häufiger mit dem Tee im Teebeutel in Kontakt. Daher verteilen sich die aus den Teeblättern gelösten Stoﬀe rascher im Wasser.

Oly

Ausdehnung von Gasen beim Erwärmen (S. 165) Was kannst du beobachten? Aus der Öﬀnung des Rundkolbens steigen Gasbläschen auf. Wie kannst du deine Beobachtung erklären? Die Luft im Rundkolben wird durch die Wärme der Hände erwärmt und dehnt sich dabei aus. Was geschieht jetzt? Das Wasser steigt im Hals nach oben. Was ist geschehen? Beim Abkühlen zieht sich die Luft wieder zusammen. Das Thermometer (S. 166) Was geschieht mit dem Tropfen? Er bewegt sich nach oben. Was kannst du jetzt feststellen? Er wandert wieder nach unten. Erkläre deine Beobachtung! Die Luft unterhalb des Tropfens dehnt sich beim Erwärmen aus und schiebt den Tropfen nach oben.

172 Spannende Experimente: Lösungen

Der wachsende Luftballon (S. 166) Wie verhält sich der Luftballon? Er füllt sich. Erkläre, was bei diesem Experiment geschieht! Beim Erwärmen wird auch die Luft in der Flasche erwärmt. Sie dehnt sich aus und bläst den Ballon auf. Der versteckte Luftballon (S. 167) Was kannst du beobachten? Der Luftballon wird in die Flasche gesaugt. Erkläre, was geschehen ist! Durch das Ausspülen mit heißem Wasser wird die Luft in der Flasche erwärmt. Danach kühlt sie ab und zieht sich dabei zusammen. Es entsteht ein Unterdruck, der den Ballon ansaugt.

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Kältemischung (S. 167) Was geschieht? Nach einiger Zeit wird das Eis-Salz-Gemisch breiig bzw. flüssig. Was kannst du feststellen? Die Temperatur sinkt ab. Erkläre, was geschieht! Zum Auflösen des Salzes wird Wärme benötigt. Beim Lösen eines festen Stoﬀes in einer Flüssigkeit wird der Kristallaufbau zerstört, indem sich die Teilchen der Flüssigkeit zwischen die Teilchen des festen Stoﬀes schieben. Dazu ist Energie erforderlich.

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Anomalie des Wassers (S. 168) Was kannst du feststellen? Nach einiger Zeit zeigt das Thermometer am Boden des Glases eine höhere Temperatur als das an der Oberfläche. Erkläre, was du gemessen hast! Wasser hat bei 4 °C die größte Dichte. Kühleres Wasser steigt daher an die Oberfläche. Das Laufrad über der Kerze (S. 168) Was geschieht? Die Spirale beginnt sich in eine Richtung zu drehen. Wie kannst du deine Beobachtung erklären? Die Teilchen der erwärmten Luft steigen nach oben und geben ihre Bewegungsenergie an die Spirale ab. Das Doppelglasfenster (S. 169) Was geschieht mit der Butter? Die Butter am kleinen Becherglas schmilzt rascher. Erkläre, was geschehen ist! Der Luftspalt zwischen dem kleinen und den großen Glas wirkt als Isolierschicht. In dieser wird Wärme nur durch Konvektion übertragen. Luft ist ein schlechterer Wärmeleiter als Glas.

Oly

Hell und dunkel (S. 169) Was kannst du an den Thermometern erkennen? In beiden Tassen steigt die Temperatur an, wobei sie in der mit dem schwarzen Papier rascher ansteigt. Was folgerst du daraus? Dunkle Farben absorbieren Wärmestrahlung besser als helle Farben.

Oly

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erl

Periodensystem der Elemente 173

174 Register Druckkochtopf: 83, 98 Düsenflugzeug: 118 DVD-Player: 19, 68 Dynamo: 52

Gebläse: 62, 67 Generator: 18, 51, 52, 89 AC/DC: 52 Gesamtwirkungsgrad: 71 Achse: 67, 128, 138 Getriebe: 67, 71, 119 Aggregatzustand: 91, 97, 100 Gewinde: 63 Edelgas: 9, 11 Akkumulator: 26, 27, 28, 51, 84 Gewitter: 17, 18, 22, 48, 55, 134 Edison, Thomas Alva: 51 Alchemist: 15 Glaskeramik: 70 Eiszeit: 138 Amalgam: 55 Gleichstrom: 27, 51, 57, 64, 67 Eiweiß: 125 Ampere: 36 gleichwarm: 126 El Niño: 152 Ampère, André-Marie: 36 Glühbirne: 44, 51, 61, 63, 69, 90 elektrische Energie: 18, 22, 43, Amperemeter: 36, 43 Glühstrumpf: 90 44, 48, 52, 61, 64, 67, 70, 72, 83, Anode: 25, 28, 51 Glühwendel: 61, 62, 63, 69 92, 106, 112, 118, 144 Anomalie des Wassers: 100 Golfstrom: 137 elektrische Leistung: 43, 44, 51, Atom: 5, 9, 12, 15, 37, 43, 47, Grafit: 25, 26, 27, 56 69, 71 61, 127 Graphen: 56 elektrische Leitfähigkeit: 9, 11 Atomhülle: 5, 15 elektrisches Feld: 47 Hagel: 48, 134 Atomkern: 5, 6, 9, 15 Elektroden: 25, 64 Halbmetalle: 11, 56 Atomkraftwerk: 19 Elektrolyse: 28, 58 Halogenlampe: 63, 69 Auspuff: 116 Elektrolyt: 25, 27, 28, 32, 51, 55, Hauptgruppe: 10, 11 Bagdad-Batterie: 17 84 hecheln: 126 Bandgenerator: 21, 25, 35, 47, Elektrometer: 21 Heizdraht: 61 56 Elektromotor: 19, 43, 67, 71, 89, Heizkörper: 62, 71, 84, 104, Batterie: 17, 25, 27, 31, 35, 41, 112 107, 113 51, 55, 83, 84, 89, 146 Elektronenhülle: 9 Heizlüfter: 62 Benzin: 56, 72, 90, 115, 143 Elektronenpaarbindung: 12 Heizstab: 61 Bimetallstreifen: 77 Elektroskop: 21 Heizstrahler: 62 Biokraftstoff: 118 Elektrostatik: 20, 21 Heizwert: 94 Biomasse: 72, 144 Elektrotechnik: 57 Helium: 6, 9, 16, 94, 127 Blitz: 17, 18, 22, 35, 47, 48, 55, Element: 9, 10, 15, 127 Herdplatte: 61, 70, 83, 103, 144 56 emittieren: 64 Hochdruckgebiet: 131, 152 Blitzableiter: 48 Energieeffizienzklasse: 83 Hochspannung: 55, 58, 80 Bohr, Niels: 5 Energiesparen: 69, 72, 84, 106 Hochwasser: 140 Bohrsches Atommodell: 5 Energiesparlampe: 64, 69, 84, Hörnerblitzableiter: 48 Bügeleisen: 36, 44, 61 90 Hubbewegung: 68 Bürste: 21 Entladung: 22, 25, 47 Hubraum: 115 Erdbahn: 138 Hybridmotor: 89 Chemische Bindung: 7, 12 Erddrehung: 132 Induktionsherd: 70 chemische Energie: 72, 92, 94, Erdgas: 107 Industrielle Revolution: 114, 125 Erdöl: 93, 107, 115, 117, 127, 139 chemische Reaktion: 9, 15, 26 139 Coulomb: 21, 36 Input: 57 Erdung: 57, 75 Coulombkraft: 47 Ionen: 12, 25, 26, 27, 28, 47, 51 Erdwärme: 107, 108 Coulomb, Charles Augustin de: Ionenbindung: 12 erstarren: 98, 100, 123 21 ionisiert: 47, 48, 64 Essigpatscherl: 124 Isobaren: 131 Dampf: 18, 52, 61, 72, 98, 100, evakuieren: 63 Isolator: 21, 25, 56, 103 103, 114, 118, 125, 132, 137, Isolierklemme: 42 F araday, Michael: 22 151 Isolierschicht: 126 Faradayscher Käfig: 22, 48 Dampfdruck: 114 Fehlerstromschutzschalter: 76 Isolierung: 71, 75, 78, 106 Dampfmaschine: 72, 114 Isotop: 15 Feinsicherung: 77 Dampfturbine: 72, 118 Fernwärme: 72, 107, 146 DDSG: 115 Jahreszeiten: 94, 113, 126, 128, FI-Schalter: 76, 80 Demokrit: 5 133 fluoreszieren: 64 Deuterium: 15 Jetstream: 133 Föhn: 19, 62, 67, 133 Diesel: 72, 117, 124, 145 Joule: 44, 93 Fulgurit: 55 Diesel, Rudolf: 117 Kabel: 21, 31, 57, 75, 78 Fußkontakt: 63 Dieselbär: 123 Kachelofen: 72, 108 Dieselmotor: 117 Galvani, Luigi: 26 Kalorie: 93 Doppelwendel: 61 Galvanisches Element: 26, 27 kalorisches Kraftwerk: 18 Drossel: 111 galvanisieren: 28

Kälte: 92, 106, 111, 123, 126 Kältestarre: 126 Kamin: 72, 108 Katalysator: 116 Kathode: 25, 28, 51 Kennplättchen: 76 Kernkraft: 6 Kilowattstunde: 44 Klima : 127, 137, 139, 143, 146, 151, 152 Klimaschutz: 143, 144, 146, 151 Klimazone: 127, 137, 139 Kältemittel: 111, 140 Kohäsionskraft: 91, 97, 99 Kolben: 113, 114, 115, 124 Kolbenring: 116 Kompressor: 111 Komprimieren: 111, 117 Kondensator: 112 kondensieren: 99 Konstantan: 37, 42, 61 Kontakt: 21, 31, 57, 63, 75, 77, 90 Kontinentalverschiebung: 138 Konvektion: 62, 104 Körpertemperatur: 124, 125, 151 Kraftwerk: 18, 52, 58, 72, 75, 83, 106, 108, 118, 144 Kristallgitter: 16, 91 kritischer Punkt: 100 Kühlschrank: 84, 99, 111, 123 Kurbelwelle: 115 Kurzschluss: 32, 41, 47, 55, 77 Kyoto-Protokoll: 151

Oly

mp eV

erl

Ladungsausgleich: 21, 25, 47 Ladungsträger: 20, 51 Ladungsunterschied: 35 Laser: 68 LED: 64, 69, 83, 84, 90 Leidener Flasche: 17 Leidenfrost-Phänomen: 103 Leiter: 25, 31, 36, 37, 41, 47, 51, 56, 57, 61, 67, 76, 103 Leuchtstoﬄampe: 64 Leuchtdiode: 64, 69 Lichtbogen: 47, 56 Lichtenergie: 18, 74 Luftdruck: 98, 131, 133 Luftströmung: 131, 132, 137 Luftverschmutzung: 145 Magnet: 6, 22, 47, 52, 67, 70 mechanische Energie: 18, 74, 92, 113 Meeresströmung: 94, 133, 137, 151, 152 Metalle: 11, 12, 25, 26, 37, 56, 103

Stromkreis: 31, 35, 41, 42, 43, 47, 51, 75, 77 Stromnetz: 18, 51, 57, 75, 78 Stromquelle: 26, 31, 35, 41, 47, 51, 63 Stromrichtung: 51 Stromstärke: 36, 41, 43, 52, 57, 76 Stromzähler: 36, 77, 83 Sublimation: 99

Oly

mp eV

erl

Wärmeerzeugung: 61, 70, 107 Wärmegleichgewicht: 125 Wärmehaushalt: 126 Wärmeisolierung: 106, 108 Wärmekapazität: 94, 131 Wärmekraftwerk: 18, 72 Sauerstoff: 9, 63, 98, 125, 140, Wärmeleitfähigkeit: 9, 11, 103 145 Nebengruppe: 10 Wärmeleitung: 103 Schadstoffkonzentration: 152 Netzgerät: 57 Wärmepumpe: 113 Schalter: 31, 76, 83 Neutron: 6, 15, 16 Wärmereservoir: 113 Schaltskizze: 31 Neutronenstern: 15 Wärmespeicher: 113, 128 Schmelzdraht: 76 Newcomen, Thomas: 114 Tag und Nacht: 128 Wärmestrahlung: 70, 105, 127, schmelzen: 98, 100, 139, 143 Nichtmetalle: 11, 12 Tauchsieder: 61, 70 151 Niederschlag: 99, 134, 137, 139 Schmelzsicherung: 76 Temperatur: 16, 26, 37, 47, 56, Wärmeübertragung: 61, 70, 92, Schmelzwärme: 98 Nordpazifikstrom: 137 61, 63, 84, 91, 94, 97, 100, 103, 105 Schnee : 99, 106, 124, 128, 134 107, 111, 113, 114, 117, 123, Norm: 57, 89 Wärmeverlust: 106, 126 Schneekanone: 124 Notstromaggregat: 117 125, 127, 132, 139, 143, 151 Wäschetrockner: 144 Schutzgas: 63 Nullleiter: 75 Thermik: 131 Waschmaschine: 19, 44, 58, 61, Schutzkontakt: 57 Nullpunkt: 91 Thermostat: 107, 112 77, 84, 144 Schweißdrüsen: 126 Tiefdruckgebiet: 131, 152 Oberleitung: 35, 47, 56, 79 Wasser: 12, 15, 18, 25, 28, 35, schweißen: 9, 47 Transformator: 58, 80 Obsoleszenz: 90 48, 58, 61, 70, 79, 91, 93, 94, 97, Schwingung: 52, 103, 105 transformieren: 18 Ohm: 37, 41 100, 104, 107, 114, 123, 125, schwitzen: 97, 126 Treibhaus: 124, 139 Ohm, Georg Simon: 41 128, 131, 134, 137, 140, 144 Schwungrad: 113, 114 Treibhauseffekt: 139, 143 Ohmmeter: 37, 43 Wasserkocher: 61 Schwungscheibe: 116 Tripelpunkt: 100 Ohmsches Gesetz: 41 Wasserkraftwerk: 18, 72 See- und Landwind: 131 Tritium: 15 Ölpumpe: 116 Wasserkreislauf: 134 Serienschaltung: 32, 42 Turbine: 18, 72, 118 Ordnungszahl: 10, 16 Wasserstoff: 6, 11, 15, 94, 127 Sicherung: 36, 41, 76 Otto, Nicolaus August: 115 Überkritisches Wasser: 100, Watt: 43, 68, 103 Sicherungsautomat: 77 Ottomotor: 115, 117 123 Watt, James: 114 Sicherungskasten: 77, 80 Output: 57 Überschlag: 22, 35, 47 Wechselstrom: 52, 55, 64 sieden: 98 ÖVE: 57 Ultraviolett: 64, 105 wechselwarm: 126 Siedetemperatur: 97 Ozonloch: 140 Umlauf: 128 Wendel: 61, 63 Silberameisen: 151 Umweltschutz: 84, 108, 143 Westwindzone: 133 Parallelschaltung: 32, 42 Skin-Effekt: 55 Wettererscheinung: 131, 137 Passat: 133 Vakuum: 63, 103 Sockel: 63 Wetterfront: 132 Passivhaus: 108 Valenzelektron: 9 Solarkraftwerk: 19 Wetterkarte: 131 Periodensystem: 10, 15 Ventil: 98, 107, 116 Sonne: 16, 92, 105, 107, 125, Widerstand: 37, 41, 47, 55, 61, Phase: 75 Ventilator: 67, 124, 126 127, 128, 131, 138, 140, 151 70, 76 Photovoltaik: 19, 129 Sonneneinstrahlung: 127, 134, Verbraucher: 36, 41, 58, 72, 77, Widerstandsdraht: 37, 42, 61, Plasma: 47, 64 84 137 70, 92 Pleuel: 68, 114, 115, 118 Verbrennung: 92, 115, 139 Sonnenenergie: 19, 73, 127 Wind: 19, 48, 127, 131, 133, polarer Ostwind: 133 Verbrennungsmotor: 115 Spannung: 27, 35, 38, 41, 43, Pole: 25, 27, 31, 41, 47, 56, 75, 47, 51, 55, 56, 57, 64, 67, 78 verdampfen: 97, 100, 112, 114 144, 145, 151 Winde: 68 127, 133, 137 Verdampfer: 112 Spannungsabfall: 42 Windkraftwerk: 19 Prisma: 105 verdunsten: 97, 99, 124, 126 Spannungsunterschied: 47 Windsystem: 133, 138 Proton: 6, 9, 15, 16 Verdunstungskälte: 97, 99 spezifische Wärme: 93, 131 Wirbelsturm: 132 Verdunstungswärme: 97 Spule: 56, 67, 70 Recycling: 146 Wirkungsgrad: 64, 69, 108, 114, Verformbarkeit: 11 Standby: 83 reflektieren: 62 117 Viertaktmotor: 116 Steckdose: 18, 26, 32, 35, 52, Regen: 48, 94, 125, 127, 132, Wolke: 48, 94, 132, 151 Volt: 27, 35, 55 57, 75, 77, 83, 89 134, 140, 152 Volta, Alessandro: 17, 26, 27, 35 Zentralheizung: 94, 104, 107, Steckdosenadapter: 57 Regenerator: 113 Voltasche Säule: 17, 26, 27 137 Reibung: 17, 21, 35, 71, 92, 116, Stecker: 18, 31, 57, 75, 78, 80, Voltmeter: 35 89 zirkulieren: 62, 107 133, 145 Vulkanismus: 138 Stirlingmotor: 113 Zündkerze: 56, 115, 117 Reihenschaltung: 32 Stoffwechsel: 125 Zustandsänderung: 100 Ressource: 146 Wankel, Felix: 118 Strahltriebwerk: 118 Zustandsdiagramm: 100 Restmüll: 146 Wankelmotor: 118 Strahlung: 15, 62, 64, 92, 105, Restwärme: 83, 144 Wärmeenergie: 18, 44, 61, 70, Zweitaktmotor: 117 125, 140 Resublimation: 99 92, 97, 102, 104, 105, 108, 111, Zylinder: 56, 113 metallische Bindung: 12 metallischer Glanz: 11 Mikrowellenherd: 22, 83 Müllentsorgung: 146 Müllteppich: 151 Multimeter: 38

118, 125, 127

176 Bildquellen BILDqUELLEN:

Austrian Standards Institute: 89/1 Christian Monyk: 5/3, 21/2, 31/3, 31/4, 32/1, 32/2, 36/1, 43/3, 44, 45/1, 53/2, 53/3, 53/4, 54/1, 54/2, 57/2, 97/2, 122/1, 122/2, 122/3, 124/1, 149/2, 149/3, 150/2, DICK JONES / EPA / picturedesk.com: 90/4 fotolia.de: Alterfalter: 106/4, André Reichardt: 107/2, Auris: 27/1, 30/1, demarco: 78/3, designua: 134/1, Fotolyse: 58/2, fuzzbones: 101/8, gosphotodesign: 99/3, Graphies.thèque: 104/3, Guido Vrola: 106/1, Henrie: 80/3, imagebos: 4/1, 104/5, julien tromeur: 123/2, Klaus Eppele: 64/3, l-pics: 108/3, Marco2811: 78/1, OHRAUGE : 75/3, photobank.kiev.ua: 69/1, PS:ART: 79/5, ra3rn: 55/2, ras-slava : 116/3, 116/4, rrrob: 101/1, Russ Watkins: 99/2, Sebastian Gauert: 20/1, sebikuscz: 128/1, thingamajiggs: 67/1, ub-foto: 47/1, Valerijs Kostreckis: 144, yuriy: 3/2, 28/1 Hans Snoek - www.hs-buch.de / pixelio.de: 86/7 INAF-IFSI/INAF-IASF/ASI: 125/4 Istockphoto.com: 3alexd: 120/4, BRULOVE: 61/8, Dorling_Kindersley: 119, jeremkin: 118/2, SchmitzOlaf: 123/4 Jupiterimages: 24/1, 39/1, 49/9, 49/10, 49/11, 49/12, 49/13, 49/14, 49/15, 49/16, 49/17, 50/1, 53/1, 81/5, 81/6, 81/7, 85/3, 87/1, 121/1, 149/1

KLAUS SCHLOSSER / AFP / picturedesk.com: 90/1 MANFRED FESL / APA / picturedesk.com: 140/4 NASA: 15/2

NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (SSC): 125/1 ÖVE: 57/5

Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik: 131/2

mp eV

Karl Thomas / Allover / picturedesk.com: 126/4

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