1. Versuche zur magnetischen Wirkung des elektrischen ... - JKU
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Physikalisches Schulversuchspraktikum<br />
Wintersemester 2000 / 2001<br />
<strong>Wirkung</strong>en <strong>des</strong> <strong>elektrischen</strong> Stromes<br />
in der Unterstufe<br />
Matrikelnummer: 9655056<br />
Studienkennzahl: 412 / 406<br />
Name: Angela Grafenhofer<br />
Abgabetermin: 16.10.2000<br />
1
<strong>1.</strong> <strong>Versuche</strong> <strong>zur</strong> <strong>magnetischen</strong> <strong>Wirkung</strong> <strong>des</strong> <strong>elektrischen</strong><br />
Stromes:<br />
Lernziele:<br />
Mit den folgenden <strong>Versuche</strong>n sollen die Schüler die <strong>Wirkung</strong>en <strong>des</strong><br />
<strong>elektrischen</strong> Stromes kennenlernen. Der Zusammenhang zwischen<br />
elektrischer und magnetischer Energie soll erkannt werden. Folgen<strong>des</strong> sollten<br />
die Schüler vom Unterricht der 4. Klasse mitnehmen:<br />
• Ein elektrischer Strom erzeugt ein Magnetfeld.<br />
• Die Richtung <strong>des</strong> Magnetfel<strong>des</strong> kann mit Hilfe der Rechten-Hand-<br />
Regel bestimmt werden.<br />
• Die <strong>magnetischen</strong> Feldlinien eines geraden stromdurchflossenen<br />
Leiters haben die Form von konzentrischen Kreisen.<br />
• Bei einer stromdurchflossenen Spule treten die Feldlinien wie bei<br />
einem Stabmagnet am Nordpol aus und am Südpol ein.<br />
• Die magnetische <strong>Wirkung</strong> einer Spule wächst mit der Anzahl ihrer<br />
Windungen.<br />
• Die Polung der Spule wird mit Hilfe der Rechten-Hand-Regel<br />
bestimmt.<br />
• Eine stromdurchflossene Spule mit Weicheisenkern bezeichnet man als<br />
Elektromagnet.<br />
• Auf die <strong>Wirkung</strong> <strong>des</strong> Magnetfel<strong>des</strong> von stromdurchflossenen Spulen<br />
beruhen die Funktion <strong>des</strong> Drehspulgalvanometers und <strong>des</strong><br />
Weicheisenamperemeters.<br />
• Die Bewegung eines Leiters erfolgt normal <strong>zur</strong> Stromrichtung. Die<br />
Bewegungsrichtung ist auch normal zu den <strong>magnetischen</strong> Feldlinien.<br />
• Die Funktionsweise <strong>des</strong> Elektromotors.<br />
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<strong>1.</strong><strong>1.</strong> Magnetfeld um einen stromdurchflossenen Leiter:<br />
Versuchsaufbau:<br />
Wir spannen einen Kupferdraht so ein, dass er waagrecht in der Nord-Süd-<br />
Richtung verläuft. Unter den Kupferdraht stellen wir eine Magnetnadel, die<br />
parallel zum Draht steht.<br />
Versuchsdurchführung:<br />
Nun schließen wir zunächst den Stromkreis bei einer Spannung von 2 V und<br />
erhöhen dann auf 6 V. Dabei wird die Magnetnadel beobachtet. Zur<br />
Ermittlung <strong>des</strong> Zusammenhangs zwischen Stromrichtung und Ablenkung der<br />
Magnetnadel aus der Nord-Süd-Richtung die rechte Hand so über den Draht<br />
halten, dass die Fingerspitzen in (technische) Stromrichtung weisen. Dabei<br />
wird die Stellung <strong>des</strong> gespreizten Daumens mit der Richtung vergleichen, in<br />
die der Nordpol der Magnetnadel abgelenkt wird. Dann die Stromrichtung<br />
umkehren (Steckerstifte an der Spannungsquelle und am Messinstrument<br />
vertauschen) und Versuch in gleicher Weise wiederholen.<br />
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Versuchsergebnisse:<br />
Eine Magnetnadel, die sich in der Nähe eines von Gleichstrom<br />
durchflossenen Drahtes befindet, wird aus der Nord-Süd-Richtung abgelenkt.<br />
Die Richtung, in der die Magnetnadel abgelenkt wird, ändert sich mit der<br />
Stromrichtung. Die Ablenkung nimmt mit der Stromstärke zu. Ein von<br />
Gleichstrom durchflossener Draht ist von einem Magnetfeld umgeben,<br />
<strong>des</strong>sen Stärke von der Stromstärke und <strong>des</strong>sen Richtung von der<br />
Stromrichtung bestimmt wird. Die Ablenkung der Magnetnadel erfolgt nach<br />
der sogenannten „Ampereschen-Rechte-Hand-Regel“.<br />
Legt man die rechte Hand so über einen stromdurchflossenen Draht, dass die<br />
Fingerspitzen in die technische Stromrichtung zeigen und die innere<br />
Handfläche der unter dem Draht liegenden Magnetnadel zugewandt ist, so<br />
wird der Nordpol der Magnetnadel in Richtung <strong>des</strong> gespreizten Daumens<br />
abgelenkt.<br />
Da sich eine Magnetnadel in die Richtung der <strong>magnetischen</strong> Feldlinien zu<br />
stellen trachtet, kann man aus diesem Versuch folgenden Schluss ziehen:<br />
Ein elektrischer Strom erzeugt ein Magnetfeld.<br />
6
<strong>1.</strong>2. Magnetische Feldlinien um einen stromdurchflossenen<br />
Leiter:<br />
Wir wollen nun das Magnetfeld um einen stromdurchflossenen Leiter näher<br />
untersuchen:<br />
Versuchsaufbau:<br />
Wir führen einen Draht senkrecht durch eine Glas- oder Kartonplatte und<br />
bestreuen diese mit Eisenfeilspänen.<br />
Versuchsdurchführung:<br />
Nun wird das Stromversorgungsgerät kurzzeitig eingeschaltet, sodass ein<br />
starker Strom fließt. Man klopft gegen die Glas- oder Kartonplatte, bis sich<br />
das Eisenpulver zu einem Feldlinienbild geordnet hat.<br />
Beim Versuch bitte beachten: Versuch nach maximal einer Minute<br />
abbrechen! (Erwärmung der Leiter durch den hohen Strom, Überlastung <strong>des</strong><br />
Stromversorgungsgerätes)<br />
7
Versuchsergebnisse:<br />
Ein von Gleichstrom durchflossener gerader Leiter ist von einem Magnetfeld<br />
umgeben, das senkrecht zum Leiter verläuft. Die <strong>magnetischen</strong> Feldlinien<br />
bilden Kreise, die konzentrisch um den Leiter als Mittelpunkt angeordnet<br />
sind und die in einer zum Leiter senkrechten Ebene verlaufen.<br />
Wie bei einem Magnet zeigen auch hier die Eisenfeilspäne den Verlauf von<br />
<strong>magnetischen</strong> Feldlinien an.<br />
Die <strong>magnetischen</strong> Feldlinien eines geraden stromdurchflossenen Leiters<br />
haben die Form von konzentrischen Kreisen.<br />
Versuchsbeschreibung:<br />
Nun verwenden wir beim Aufbau <strong>des</strong> vorigen <strong>Versuche</strong>s statt der<br />
Eisenfeilspäne mehrere kleine Magnete, die wir in einen Kreis rund um den<br />
Leiter aufstellen. Beim Einschalten <strong>des</strong> Stromes beachte man nun die<br />
Richtung, die die Magnetnadeln einnehmen.<br />
8
Versuchsergebnisse:<br />
Die Abbildung zeigt das Ergebnis dieses <strong>Versuche</strong>s. Die Nordpole der<br />
Magnetnadeln geben die Richtung der <strong>magnetischen</strong> Feldlinien an.<br />
Dies kann mit Hilfe der Korkenzieherregel überprüft werden: Der Drehsinn<br />
eines Korkenziehers beim Weiterdrehen in der technischen Stromrichtung<br />
stimmt mit der Richtung der <strong>magnetischen</strong> Feldlinien überein.<br />
In der Unterstufe wäre es jedoch sinnvoller dieses mit der Rechten-Hand-<br />
Regel zu erklären: Der Leiter wird mit der Hand so umfasst, dass der<br />
Daumen in die technische Stromrichtung weist. Die um den Leiter<br />
gekrümmten Finger zeigen dann in die Richtung der <strong>magnetischen</strong><br />
Feldlinien.<br />
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<strong>1.</strong>3. Das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule:<br />
Sehr starke Magnetfelder kann man mit stromdurchflossenen Spulen<br />
erzeugen. Solche Spulen bestehen aus vielen nebeneinander liegenden<br />
Windungen eines mit Lack isolierten Kupferdrahtes.<br />
Versuchsaufbau:<br />
Wir führen den <strong>elektrischen</strong> Strom zuerst in einer und dann in mehreren<br />
Leiterschleifen um eine Magnetnadel herum. Nun beobachtet man, wovon<br />
die Ablenkung der Magnetnadel abhängt.<br />
Versuchsergebnisse:<br />
In der Abbildung werden die einzelnen Leiterschleifen vom Strom im<br />
gleichen Umlaufsinn durchflossen. Daher wirkt je<strong>des</strong> Stück <strong>des</strong> Drahtes im<br />
selben Sinne ablenkend auf die Magnetnadel. Bei mehreren Windungen<br />
addieren sich diese <strong>Wirkung</strong>en. Fließt z.b. durch drei nebeneinanderliegende<br />
Windungen jeweils ein Strom von 1 A, so entspricht dies in der <strong>magnetischen</strong><br />
<strong>Wirkung</strong> einer Stromstärke von 3 A in einer Windung. Bei einer<br />
entsprechend großen Anzahl von Windungen erhält man also schon mit einer<br />
geringen Stromstärke ein starkes magnetisches Feld.<br />
Die magnetische <strong>Wirkung</strong> einer Spule wächst mit der Anzahl ihrer<br />
Windungen.<br />
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Versuchsaufbau:<br />
Wir stellen eine Spule nach folgender Abbildung her, indem wir in einen<br />
Karton mehrere Löcher bohren und Drahtwindungen durchführen. Diese<br />
Spule schalten wir in einen Stromkreis und streuen auf den Karton<br />
Eisenfeilspäne.<br />
Versuchsergebnis:<br />
Die Eisenfeilspäne ordnen sich nach den <strong>magnetischen</strong> Feldlinien. Im<br />
Inneren einer stromdurchflossenen Spule verlaufen die Feldlinien parallel <strong>zur</strong><br />
Spulenachse vom Südpol zum Nordpol. Dort, wo sie aus der Spule austreten,<br />
ist der Nordpol der Spule. Von da an verlaufen sie in einem Bogen zum<br />
Südpol am anderen Ende der Spule und treten dort wieder ein. Die Feldlinien<br />
bilden in sich geschlossene Linien.<br />
11
Das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule hat also große Ähnlichkeit<br />
mit dem eines Stabmagnets.<br />
Die Polung der Spule kann mit Hilfe der Rechten-Hand-Regel gefunden<br />
werden:<br />
Umfasst man die Spule so mit der rechten Hand, dass die Fingerspitzen in die<br />
technische Stromrichtung weisen, dann zeigt der ausgestreckte Daumen in<br />
die Richtung <strong>des</strong> Nordpols.<br />
12
<strong>1.</strong>4. Elektromagnete:<br />
Eine stromdurchflossene Spule mit Weicheisenkern bezeichnet man als<br />
Elektromagnet. Die Bedeutung <strong>des</strong> Eisenkerns soll folgender Versuch zeigen:<br />
Versuchsdurchführung:<br />
Eine Magnetnadel wird im Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule,<br />
deren Achse in West-Ost-Richtung verläuft, aus der Nord-Süd-Richtung<br />
leicht abgelenkt.<br />
Führt man nun den Versuch noch einmal durch und füllt dabei den<br />
Innenraum der Spule mit einem Eisenkern, so wird die Magnetnadel stark<br />
ausgelenkt.<br />
13
Versuchsergebnisse:<br />
Durch die Verwendung <strong>des</strong> Eisenkerns wird das Magnetfeld der Spule<br />
verstärkt.<br />
Die Feldstärke wird durch einen Eisenkern wesentlich erhöht.<br />
Zur Erklärung dieses <strong>Versuche</strong>s nimmt man an, dass das Magnetfeld der<br />
Spule die Elementarmagnete <strong>des</strong> Weicheisenkerns ausrichtet. Dadurch wird<br />
der Weicheisenkern selbst zu einem Magnet. Die magnetische <strong>Wirkung</strong> der<br />
Spule wird somit wesentlich verstärkt.<br />
Der Vorteil eines Elektromagneten gegenüber einem Dauermagneten besteht<br />
darin, dass der Elektromagnet nur magnetisch ist, wenn Strom fließt und<br />
somit seine Stärke regelbar ist. Bei Störungen (Stromausfall,...) ist er jedoch<br />
nicht mehr verwendbar. Je nach dem Verwendungszweck werden<br />
Elektromagnete als Stab-, Hufeisen- oder Topfmagnet ausgeführt. An die<br />
Pole eines Hufeisen- oder Topfmagnets wird ein Anker aus Weicheisen<br />
gelegt, der die dort austretenden <strong>magnetischen</strong> Feldlinien aufnimmt. Die<br />
Tragfähigkeit eines Magnets ist nämlich umso größer, je mehr Feldlinien im<br />
Eisen verlaufen. Zum Tragen von Lasten ist der Topfmagnet am besten<br />
geeignet.<br />
14
<strong>1.</strong>5. Elektrische Messgeräte mit Spulen:<br />
Elektrische Größen wie Spannung und Stromstärke können auf direktem<br />
Weg nicht gemessen werden (z.b.: Spannung ist das Ausgleichsbestreben<br />
zwischen Elektronenüberschuss und Elektronenmangel). Da der direkte Weg<br />
nicht möglich ist, misst man die <strong>Wirkung</strong>, die durch Spannung und<br />
Stromstärke hervorgerufen wird.<br />
Eine Möglichkeit, die sich anbietet, ist das Messen der<br />
<strong>magnetischen</strong> <strong>Wirkung</strong> <strong>des</strong> <strong>elektrischen</strong> Stromes.<br />
Eines der wichtigsten <strong>elektrischen</strong> Messgeräte ist das Drehspulinstrument.<br />
Versuchsaufbau:<br />
Wir hängen eine Spule drehbar zwischen die Pole eines Hufeisenmagnets.<br />
Dann schalten wir die Spule in einen regelbaren Stromkreis.<br />
Versuchsdurchführung:<br />
Nun soll die Spule beobachtet werden, während die Spannung langsam<br />
erhöht wird.<br />
15
Versuchsergebnisse:<br />
Beim Erhöhen der Spannung dreht sich die Spule immer weiter aus der<br />
Ruhelage. Ursache für diese Erscheinung ist, dass zwei Magnetfelder<br />
zusammenkommen, das Magnetfeld <strong>des</strong> Hufeisenmagneten und das<br />
Magnetfeld der Spule. Aufgrund <strong>des</strong> Wechselwirkungsgesetzes<br />
(gleichnamige Pole stoßen einander ab, ungleichnamige Pole ziehen einander<br />
an) kommt es <strong>zur</strong> Drehung der Spule. Wird an dieser Spule ein Zeiger<br />
befestigt, kann die Ablenkung deutlich sichtbar gemacht werden.<br />
Die Ablenkung wird bei zunehmender Stromstärke größer (höhere<br />
Stromstärke – stärkeres Magnetfeld). Die Stromstärke kann also über die<br />
magnetische <strong>Wirkung</strong> gemessen werden. Da die Stromstärke laut Ohmschem<br />
Gesetz von der Spannung und vom Widerstand abhängig ist, können auch<br />
Spannung und Widerstand durch geeignete Schaltungen gemessen werden.<br />
Der Versuch und vorige Abbildung zeigen das Prinzip eines<br />
Drehspulgalvanometers. Die stromdurchflossene Spule dreht sich gegen die<br />
rücktreibende Kraft (Federkraft) der Aufhängevorrichtung umso weiter aus<br />
ihrer Ruhelage, je größer die Stromstärke ist. Drehspulinstrumente können<br />
sowohl <strong>zur</strong> Messung von Stromstärken als auch von Spannungen geeicht<br />
werden. Sie sind oft als Vielfachmessgeräte ausgeführt.<br />
16
Ohne einen Permanentmagnet kommt das Weicheisen- oder<br />
Drehamperemeter aus. Dazu machen wir folgenden Versuch:<br />
Versuchsaufbau:<br />
Lege in die Mitte einer Spule zwei Nägel (Weicheisenstäbchen)<br />
nebeneinander. Schalte den Strom ein und erhöhe langsam die Spannung.<br />
Versuchsergebnisse:<br />
Wenn du die Spannung erhöhst, wird das Magnetfeld der Spule stärker. Das<br />
Magnetfeld der Spule magnetisiert beide Nägel. Es liegen jetzt gleichnamige<br />
Pole nebeneinander. Je stärker das Magnetfeld, <strong>des</strong>to stärker die abstoßende<br />
<strong>Wirkung</strong>.<br />
Die abstoßende <strong>Wirkung</strong> treibt die Nägel auseinander.<br />
Diese Art wird durch folgenden Aufbau zum Messen verwendet:<br />
Bei der Funktionsweise eines Weicheiseninstrumentes wird die Tatsache<br />
ausgenutzt, dass ein Eisenkern durch das magnetische Feld einer<br />
stromdurchflossenen Spule magnetisiert und mehr oder weniger in die Spule<br />
hineingezogen wird, unabhängig von der Stromrichtung.<br />
Die Richtung <strong>des</strong> <strong>magnetischen</strong> Fel<strong>des</strong> ist von der <strong>des</strong> Spulenstromes<br />
abhängig. Die auf den Eisenkern wirkende Kraft resultiert daraus, dass das<br />
Eisen in dem <strong>magnetischen</strong> Feld zu einem <strong>magnetischen</strong> Dipol wird. Die<br />
Kraft auf den Eisenkern ist daher von der Polarität <strong>des</strong> Stromes unabhängig,<br />
also dem Quadrat der Stromstärke in der Spule angenähert proportional.<br />
17
<strong>1.</strong>6. Kraft zwischen stromdurchflossenen Leitern im<br />
Magnetfeld:<br />
Versuchsaufbau:<br />
Zwei leichtbewegliche Leiter (beispielsweise dünne Aluminiumbänder)<br />
werden in kurzen Abstand parallel gespannt. Die linke Abbildung zeigt dabei<br />
den parallelen Fall und die rechte den antiparallelen Fall.<br />
Versuchsdurchführung:<br />
Der Kleinstelltrafo wird auf 6 V eingestellt. Dann wird die Spannungsquelle<br />
eingeschaltet, und die stromdurchflossenen Leiter werden beobachtet.<br />
Versuchsergebnisse:<br />
Leiter, die von Strömen entgegengesetzter Richtung durchflossen werden,<br />
stoßen einander ab.<br />
Leiter, die von Strömen gleicher Richtung durchflossen werden, ziehen<br />
einander an.<br />
20
Die Wechselwirkung zwischen zwei stromdurchflossenen Leitern kann so<br />
verstanden werden, dass jeder der Leiter ein Magnetfeld aufbaut, in dem der<br />
andere Leiter eine magnetische Kraft erfährt. Aufgrund <strong>des</strong> Stromflusses<br />
bewegen sich in den beiden Leitern Ladungen Q. Auf die bewegten<br />
Ladungen <strong>des</strong> einen Leiters wirkt nun das Magnetfeld <strong>des</strong> zweiten Leiters.<br />
Das Magnetfeld um stromdurchflossene Leiter kann durch Eisenspäne auf<br />
einer normal auf die Leiter liegenden Ebene untersucht werden.<br />
a) Magnetfeld um parallele Ströme<br />
b) Magnetfeld um antiparallele Ströme<br />
Diese <strong>Wirkung</strong> entsteht also wiederum durch magnetische Kräfte. Somit ist<br />
wiederum der Zusammenhang zwischen Elektrizität und Magnetismus<br />
gezeigt.<br />
21
<strong>1.</strong>7. Ablenkung eines Leiters im Magnetfeld:<br />
Aus <strong>Versuche</strong>n wissen wir nun schon, dass eine bewegte Magnetnadel durch<br />
das magnetische Feld eines stromdurchflossenen Leiters aus ihrer Ruhelage<br />
abgelenkt wird. Wir wollen nun untersuchen, was passiert, wenn der Magnet<br />
fixiert ist und der Leiter beweglich ist.<br />
Versuchsaufbau:<br />
Wir bauen eine Leiterschleife auf, wie sie in der Abbildung gezeigt ist: Die<br />
Leiterschleife hängt frei zwischen den Polen <strong>des</strong> Hufeisenmagnetes.<br />
Zunächst fließt kein Strom durch die Leiterschleife.<br />
Versuchsdurchführung:<br />
Wir schließen den Stromkreis (am Netztrafo) kurzzeitig und beobachten die<br />
Leiterschaukel. Daraufhin ändern wir die Polung der Spannungsquelle (und<br />
damit die Orientierung <strong>des</strong> Stromes) und schließen den Stromkreis wieder<br />
kurzzeitig. Nun ändern wir die Orientierung <strong>des</strong> Magnetfel<strong>des</strong>, indem wir<br />
Nord- und Südpol <strong>des</strong> Hufeisenmagneten vertauschen und schließen den<br />
Stromkreis wieder kurzzeitig.<br />
22
Versuchsergebnisse:<br />
Befindet sich ein stromdurchflossener Leiter in einem Magnetfeld,<br />
so wirkt auf ihn eine Kraft. Diese Kraft bewirkt eine Ablenkung <strong>des</strong><br />
Leiters normal <strong>zur</strong> Richtung <strong>des</strong> Magnetfel<strong>des</strong> und normal <strong>zur</strong><br />
Richtung <strong>des</strong> Leiters.<br />
Je nach der Polung der Spannungsquelle (Orientierung <strong>des</strong> Stromes) und je<br />
nach der Orientierung <strong>des</strong> Magnetfel<strong>des</strong> erfolgt die Ablenkung mit anderer<br />
Orientierung.<br />
Die Orientierung ergibt sich wieder aus der Rechten-Hand-Regel bzw. aus<br />
der Korkenzieherregel.<br />
Durch Verwendung eines Kraftmessers kann die Kraft, die auf einen im<br />
Magnetfeld eines Permanentmagneten aufgehängten stromdurchflossenen<br />
Leiter wirkt, in Abhängigkeit von der Stromstärke exakt bestimmt werden.<br />
23
Versuchsaufaufbau:<br />
Beim Versuchsaufbau handelt es sich um ein gleichen wie beim vorigen<br />
Versuch. Jedoch wird nun auch ein Kraftmesser benötigt.<br />
Versuchsdurchführung:<br />
Der Kraftmesser wird wie in der Abbildung befestigt. Die Stromrichtung und<br />
Magnetfeldrichtung wird so gewählt, dass die Leiterschaukel bei<br />
eingeschaltetem Strom in den Magneten hineingezogen wird.<br />
Versuchsergebnisse:<br />
Auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld wirkt eine Kraft, die<br />
eine Bewegung <strong>des</strong> Leiters verursacht.<br />
Die Kraft nimmt mit der Stromstärke zu.<br />
24
<strong>1.</strong>8. Drehung der stromdurchflossenen Spule im Magnetfeld:<br />
Versuchsaufbau:<br />
Wir hängen zwischen die Pole eines Hufeisenmagnets eine rechteckige<br />
Leiterschleife, die Teil eines Stromkreises ist. Es kann auch eine Spule mit<br />
wenigen Windungen verwendet werden.<br />
Versuchsdurchführung:<br />
Nun schalten wir den Strom ein und beobachten die Leiterschleife.<br />
Versuchsergebnisse:<br />
Die Schleife dreht sich soweit, bis die Rechteckfläche senkrecht zu<br />
den <strong>magnetischen</strong> Feldlinien steht.<br />
Die Drehung der Leiterschleife kann aus der Wechselwirkung zwischen dem<br />
Magnetfeld <strong>des</strong> Hufeisenmagnets und dem Magnetfeld der Leiterschleife<br />
erklärt werden. Die Leiterschleife kann als Spule (mit einer Windung)<br />
angesehen werden. Sie verhält sich daher wie ein Stabmagnet, der sich in die<br />
Richtung der Feldlinien dreht.<br />
25
Die Drehbewegung der stromdurchflossenen Leiterschleife kann<br />
aufrechterhalten werden, wenn im richtigen Augenblick die Stromrichtung in<br />
der Leiterschleife geändert wird. Damit kehrt man nämlich das Magnetfeld<br />
der Schleife um, und die Spule dreht sich weiter.<br />
Beim Elektromotor wird an Stelle einer Stromschleife immer eine<br />
Spule verwendet.<br />
T Doppel-T-Anker mit<br />
den Wicklungen der<br />
Spule<br />
St Stator (Feldmagnet)<br />
B Bürsten (Kohle)<br />
P Polwender<br />
(Kommutator) mit<br />
Metallsegmenten<br />
Um eine dauernde Drehung zu erhalten, wird die Stromrichtung in der Spule<br />
nach jeder halben Drehung geändert. Dies erreicht man mit Hilfe eines<br />
Polwenders oder Kommutators. Dieser besteht aus einem Zylinder mit zwei<br />
voneinander isolierten Metallsegmenten, an die die Enden der Spule leitend<br />
26
angeschlossen sind. Auf den Metallsegmenten schleifen die sogenannten<br />
Bürsten, die meist aus Kohle bestehen und mit den Stromzuleitungen<br />
verbunden sind. In der Abbildung sieht man, dass ein Segment <strong>des</strong><br />
Kommutators jeweils nur mit einem Pol der Stromzuleitung in Verbindung<br />
steht. Dreht sich die Spule und der damit fest verbundene Kommutator, so<br />
kommen beide Bürsten gleichzeitig auf die nichtleitenden Teile zwischen den<br />
Segmenten. Da sich die Spule durch ihren Schwung (Trägheit) weiterbewegt,<br />
kommt nun jede Stromzuführung mit dem anderen Segment in Berührung.<br />
Dadurch wird die Stromrichtung umgepolt und die einmal begonnene<br />
Drehung fortgesetzt.<br />
Bei allen Elektromotoren verstärkt man das Magnetfeld der Spule und damit<br />
ihr Drehmoment mit einem Weicheisenkern. In der einfachsten Form ist<br />
dieser ein Doppel-T-Anker, in <strong>des</strong>sen Ausschnitten die Wicklungen der Spule<br />
untergebracht sind. Der Anker mit der Spule wird Läufer oder Rotor genannt,<br />
der feststehende Teil heißt Stator.<br />
Liegt die Achse der Ankerwicklung parallel zu den Feldlinien <strong>des</strong><br />
Statorfel<strong>des</strong>, so ist kein Drehmoment vorhanden (Totpunkt). Die Bewegung<br />
<strong>des</strong> Doppel-T-Ankers hat also zwei Totpunkte. Man verwendet daher<br />
Trommelanker.<br />
Diese haben mehrere, gegeneinander um bestimmte Winkel versetzte<br />
Wicklungen, die im Anker eingebettet sind. Daher ist auch der Kommutator<br />
in ebenso viele gegeneinander isolierte Segmente geteilt.<br />
27
2. Gefahren und Sicherheitsmaßnahmen:<br />
Lernziele:<br />
Bereits in der 3. Klasse sollten die Schüler ein grundlegen<strong>des</strong><br />
Sicherheitsbewusstsein im Umgang mit <strong>elektrischen</strong> Einrichtungen<br />
entwickeln. Darauf sollte in der 4. Klasse aufgebaut werden. Die Schüler<br />
sollten die Gefahren <strong>des</strong> <strong>elektrischen</strong> Stromflusses erkennen und es sollte ein<br />
sicherheitsbewusstes Handeln erreicht werden. Folgende wesentliche Punkte<br />
sollten bekannt sein.<br />
• Die <strong>Wirkung</strong> <strong>des</strong> <strong>elektrischen</strong> Stromes auf den menschlichen Körper<br />
hängt vor allem von der Größe der Stromstärke ab.<br />
• Die Schüler sollten wissen, wie es zu Stromunfällen kommt, und wie<br />
diese vermieden werden können..<br />
• Die Schüler sollten über die Auswirkungen verschieden hoher<br />
Stromstärken auf den menschlichen Körper informiert sein.<br />
• Die Schüler sollten wissen, wie sie Erste Hilfe bei einem Stromunfall<br />
leisten können, ohne sich selbst zu gefährden.<br />
• Die Schüler sollten wissen, was man unter Schutzerdung und<br />
Schutzisolation versteht.<br />
• Die Schüler sollten die Funktionsweise von Schmelzsicherungen<br />
verstehen.<br />
• Die Schüler sollten die Funktionsweise eines Leitungsschutzschalters,<br />
eines FI - Schalters und eines Trenntransformators erklären können.<br />
• Sicherungen sollen den Strom bei Überlastung der Leitungen oder bei<br />
Kurzschluss unterbrechen.<br />
• Die wichtigsten Sicherheitseinrichtungen <strong>zur</strong> Verhinderung von<br />
Elektrounfällen sind die Schutzerdung, die Schutzisolation, die<br />
Schutztrennung und der FI-Schalter.<br />
28
2.<strong>1.</strong> Die <strong>Wirkung</strong> <strong>des</strong> <strong>elektrischen</strong> Stromflusses durch den<br />
menschlichen Körper:<br />
Wir wissen bereits, dass die <strong>Wirkung</strong> <strong>des</strong> <strong>elektrischen</strong> Stromes auf den<br />
menschlichen Körper vor allem von der Größe der Stromstärke abhängt.<br />
Außerdem ist wesentlich, welchen Weg der elektrische Strom durch den<br />
Körper nimmt und wie lange er einwirkt.<br />
Der Körper setzt dem <strong>elektrischen</strong> Strom einen Widerstand entgegen. Seine<br />
Größe ist wesentlich vom Zustand der Haut abhängig. Ist diese trocken oder<br />
z.b. an den Händen sehr dick, so ist der Widerstand größer. Bei nasser Haut<br />
wird er dagegen sehr klein. Auch ein Schweißausbruch bei unvermuteter<br />
Berührung eines spannungsführenden Teiles vermindert den <strong>elektrischen</strong><br />
Widerstand <strong>des</strong> Menschen (feuchte Hände!). Insgesamt hat also die Haut nur<br />
eine beschränkte Isolationswirkung.<br />
Unter 1 mA sind elektrische Ströme kaum spürbar. Bis zu 15 mA können<br />
Ströme längere Zeit ertragen werden, und es treten keine schädlichen Folgen<br />
auf. Allerdings verkrampfen bei etwa 15 mA die vom Strom durchflossenen<br />
Muskeln, und man kann daher z.b. einen Leiter, den man mit der Hand<br />
umfasst hat, nicht mehr loslassen. Zwischen 15 mA und 50 mA können<br />
elektrische Ströme nur kurze Zeit ertragen werden. Ist jemand längere Zeit<br />
dieser Stromstärke ausgesetzt, wird er meistens bewusstlos. An den Ein- und<br />
Austrittsstellen <strong>des</strong> Stromes können Brandwunden auftreten.<br />
29
Zwischen 50 mA und 100 mA kann die Einwirkung <strong>des</strong> <strong>elektrischen</strong> Stromes<br />
bereits tödlich sein. Fließt der Strom über das Herz, so beginnt dieses<br />
unregelmäßig zu arbeiten. Kommt es schließlich zum Herzkammerflimmern,<br />
so bricht der Blutkreislauf zusammen. Dadurch erhalten die Gehirnzellen<br />
keinen Sauerstoff mehr, und der Mensch stirbt nach wenigen Minuten. Bei<br />
größeren Stromstärken können die Zersetzung der Körperzellen (Elektrolyse)<br />
und die Verbrennungen durch die Stromwärme den Tod <strong>des</strong> Betroffenen <strong>zur</strong><br />
Folge haben.<br />
Schon die Stromstärken, wie sie bei allen im Haushalt verwendeten<br />
Glühlampen auftreten, können zu tödlichen Elektrounfällen führen.<br />
Laut Unfallstatistik sterben in Österreich im Jahr rund 50 Menschen durch<br />
die Einwirkungen <strong>des</strong> <strong>elektrischen</strong> Stromes.<br />
2.2. Gefahren <strong>des</strong> <strong>elektrischen</strong> Stromes:<br />
Wie kommt es zu Unfällen mit dem <strong>elektrischen</strong> Strom? Hiezu ein Auszug<br />
aus den Berichten <strong>des</strong> Kuratoriums <strong>zur</strong> Hebung der <strong>elektrischen</strong> Sicherheit:<br />
• Ein Zwölfjähriger stolpert über die aus Draht gefertigte Umzäunung<br />
eines Schrebergartenbeetes. Der Draht ist an einer Dachrinne befestigt,<br />
die infolge falsch durchgeführter lnstallationen unter Spannung steht.<br />
Jede Rettung kommt zu spät. Stromtod.<br />
• Ein junges Mädchen möchte im elterlichen Badezimmer ein Bad<br />
nehmen. Die lnstallationen in diesem Haus stammen von Hobby-<br />
Handwerkern, sprich: Pfuschern. Das Mädchen greift auf den unter<br />
Spannung stehenden Wasserhahn. Sie wird in der mit Wasser gefüllten<br />
Badewanne tot aufgefunden. Stromtod.<br />
Im Jahr 1985 ereigneten sich in Österreich 282 Unfälle durch <strong>elektrischen</strong><br />
Strom, die 27 To<strong>des</strong>opfer forderten. Die Mehrzahl dieser tödlich<br />
ausgegangenen Unfälle wurde durch Leichtsinn, Gedankenlosigkeit und<br />
Fahrlässigkeit verursacht. Eine große Zahl von Unfällen ereignet sich aber<br />
auch auf Grund schadhafter, nicht betriebssicherer Elektrogeräte, andere<br />
infolge unsachgemäßer Installationen.<br />
30
Erste Hilfe bei Stromunfällen:<br />
• Strom abschalten bzw. den Verunglückten aus dem Stromkreis<br />
befreien, ohne dabei selbst in den Stromkreis zu geraten!<br />
Bevor der Retter den Verunglückten aus dem Stromkreis bringt, muss<br />
er sich selbst isolieren. Der Selbstschutz <strong>des</strong> Retters ist sehr<br />
wesentlich.<br />
• Verständigung eines Arztes oder der Rettung! Künstliche<br />
Beatmung, Versorgung von Wunden!<br />
Ein Stromkreis kann meistens durch einen Schalter, eine Sicherung oder eine<br />
Steckverbindung unterbrochen werden. Ansonsten muss darauf geachtet<br />
werden, dass der Verunglückte aus dem Stromkreis geborgen wird, ohne dass<br />
man selbst in den Stromkreis kommt. Die ersten Sekunden und Minuten<br />
nach einem Stromunfall sind entscheidend für Leben oder Tod <strong>des</strong><br />
Betroffenen!<br />
Beginne daher sofort nach der Verständigung eines Arztes oder der Rettung<br />
mit künstlicher Beatmung und Herzmassage, wenn dies notwendig ist und du<br />
dazu imstande bist! Die künstliche Beatmung muss solange durchgeführt<br />
werden, bis die Atmung wieder einsetzt oder der Arzt den Tod <strong>des</strong><br />
Verunglückten feststellt. Es kann vorkommen, dass Wiederbelebungsversuche<br />
erst nach Stunden Erfolg haben.<br />
31
2.3. Sicherheit durch Schutzerdung und Schutzisolation:<br />
Eine wichtige Sicherheitsvorkehrung <strong>zur</strong> Vermeidung von Stromunfällen ist<br />
die Schutzerdung. Sie erfolgt meistens über die Schutzkontaktsteckdose und<br />
den Schutzkontaktstecker. Diese werden kürzer als Schukosteckdose und<br />
Schukostecker bezeichnet.<br />
Zur Schukosteckdose werden drei Leiter hingeführt. Es sind dies der<br />
Außenleiter, der Neutralleiter und als Schutzleiter der Erdleiter. Dieser ist bei<br />
ordnungsgemäß durchgeführten Installationen immer mit einer gelb-grünen<br />
Isolierung gekennzeichnet und steht mit der Erde in gut leitender<br />
Verbindung. Er wird an die beiden federnden Metallbügel in der<br />
Schukosteckdose angeschlossen.<br />
Vom Schukostecker gehen ebenfalls drei Leiter weg. Der gelbgrün<br />
gekennzeichnete Schutzleiter stellt eine leitende Verbindung zwischen den<br />
beiden Metallbügeln <strong>des</strong> Schukosteckers und dem Metallgehäuse <strong>des</strong><br />
Elektrogerätes her. Wird nun das Elektrogerät über eine Schukoverbindung<br />
an das Stromnetz angeschlossen, so ist sein Metallgehäuse leitend mit der<br />
Erde verbunden.<br />
Kommt durch einen Fehler ein spannungsführender Leiter mit dem<br />
Metallgehäuse <strong>des</strong> Elektrogerätes in Berührung, so fließt ein Strom über den<br />
Erdleiter <strong>zur</strong> Erde ab. Meistens ist dabei die Stromstärke so groß, dass eine<br />
Sicherung den Stromkreis unterbricht.<br />
Große und schwere Elektrogeräte werden meistens ohne Steckverbindungen<br />
direkt an das Stromnetz angeschlossen. Auch sie werden über einen<br />
Schutzleiter mit der Erde verbunden.<br />
32
Folgende Abbildung zeigt einen Stecker für drei Außenleiter, den<br />
Neutralleiter und den Schutzleiter (Eurostecker). Er wird z.b. für den<br />
Anschluss eines Drehstrommotors verwendet.<br />
Geräte, bei denen das Gehäuse <strong>zur</strong> Gänze aus Kunststoff besteht, benötigen<br />
keine Schutzerdung. Beispiele dafür sind der Handmixer, die Kaffeemühle<br />
oder der Haarfön. Sie werden als schutzisolierte Geräte bezeichnet und haben<br />
entweder einen Flachstecker oder einen Konturenstecker, der unlösbar mit<br />
dem zweiadrigen Anschlusskabel verbunden ist.<br />
Folgende Abbildung zeigt das Kennzeichen für schutzisolierte Geräte.<br />
33
2.4. Schmelzsicherungen:<br />
Versuchsdurchführung:<br />
Wir bauen nach folgender Abbildung einen Stromkreis mit einer<br />
Spannungsquelle von 6 V, einem Glühlämpchen und vier Isolierklemmen<br />
auf. Zwischen die Klemmen K1, und K2 geben wir eine dünne Kupferlitze.<br />
Wir schalten den Strom ein und sehen, dass die Lampe leuchtet. Was<br />
passiert, wenn wir die Klemmen K1 und K2 mit einem Metallstab<br />
überbrücken?<br />
Versuchsergebnis:<br />
Infolge <strong>des</strong> geringen Widerstan<strong>des</strong> <strong>des</strong> Metallstabes steigt die Stromstärke<br />
rasch an. Die damit verbundene Wärmeentwicklung bringt die dünne<br />
Kupferlitze zum Schmelzen, wodurch der Stromkreis unterbrochen wird. Die<br />
Lampe erlischt. Werden die Zuleitungen vor einem Verbraucher aus<br />
irgendeinem Grund mit einem <strong>elektrischen</strong> Leiter (von sehr kleinem<br />
Widerstand) verbunden, so spricht man von einem Kurzschluss.<br />
Die Abbildung zeigt die Funktionsweise einer Schmelzsicherung: Kommen<br />
z.b. bei einem beschädigten Kabel die blanken Drähte miteinander in<br />
Berührung, so entsteht ein Kurzschluss. Praktisch der gesamte Strom nimmt<br />
den Weg über die schadhafte Stelle mit dem kleineren Widerstand. Durch<br />
den Kurzschluss wächst die Stromstärke derart an, dass die Leitung an<br />
schwachen Stellen durchschmelzen kann (Feuergefahr!). Um die Leitungen<br />
davor zu schützen, baut man an geeigneten Stellen <strong>des</strong> Stromkreises<br />
Sicherungen ein. Diese schmelzen durch, wenn die Stromstärke zu groß wird.<br />
34
Folgende Abbildung zeigt nun eine Schmelzsicherung mit Sockel und<br />
Schraubkappe:<br />
Sicherungen schätzen den Stromkreis auch vor einer Überlastung. Diese kann<br />
durch den Anschluss zu vieler oder zu großer Stromverbraucher eintreten.<br />
Das Flicken durchgebrannter Sicherungen (Oberbrücken mit einem<br />
Draht) ist verboten, weil dadurch der Schutz der Leitungen vor<br />
einem Kurzschlussstrom und vor Überlastung aufgehoben wird.<br />
Die Stromkreise in einer Wohnung sind mit Sicherungen für 6 A, 10 A oder<br />
16A abgesichert. Sie unterscheiden sich äußerlich durch die Farbe <strong>des</strong><br />
Kennplättchens im Kopfkontakt (6A - grün, 10A - rot, 16A - grau) sowie<br />
durch den Innendurchmesser <strong>des</strong> Passringes. Dieser verhindert, dass eine<br />
Sicherung für eine höhere Stromstärke an Stelle einer Sicherung für eine<br />
niedrigere Stromstärke eingeschraubt werden kann. Es ist aber möglich, eine<br />
Sicherung für 16A durch eine für 10 A oder 6 A zu ersetzen.<br />
35
2.5. Leitungsschutzschalter:<br />
2.5.<strong>1.</strong> Bimetallsicherungen:<br />
Die Funktion einer Bimetallsicherung<br />
beruht auf der<br />
Wärmewirkung <strong>des</strong> <strong>elektrischen</strong><br />
Stromes. Sie verhindert längere,<br />
kleine Überlastungen <strong>des</strong><br />
Stromkreises und wird in vielen<br />
Elektrogeräten und Messgeräten<br />
verwendet. Nach dem Abkühlen<br />
<strong>des</strong> Bimetallstreifens schließt sich<br />
der Stromkreis entweder<br />
selbständig, oder er muss über<br />
einen Druckknopf wieder<br />
geschlossen werden.<br />
2.5.2. Sicherungsautomaten:<br />
Der Aufbau eines Sicherungsautomaten ist in folgender Abbildung zu<br />
erkennen.<br />
Er ist mit den Anschlussklemmen<br />
(1) in den Stromkreis geschaltet.<br />
Bei einem plötzlichen Stromstoß,<br />
wie er bei einem Kurzschluss<br />
auftritt, unterbricht ein kräftiger<br />
Elektromagnet (3) durch Anziehen<br />
eines beweglichen Kontaktbügels<br />
den Strom bei den Kontakten 4 und<br />
5. Nach Beheben der Kurzschlussursache<br />
kann der Sicherungsautomat<br />
durch den Kipphebel (6)<br />
wieder betriebsbereit gemacht<br />
werden. Im Sicherungsautomaten<br />
ist außerdem ein Bimetallschalter<br />
(2) eingebaut, der durch die<br />
Wärmewirkung den Strom bei<br />
längerer Überlastung abschaltet.<br />
36<br />
Auch bei einem Sicherungsautomaten<br />
ist immer eine<br />
Min<strong>des</strong>tstromstärke vorgesehen,<br />
bei der er den Strom unterbricht.
2.6. Der FI - Schalter, der Trenntrafo:<br />
2.6.<strong>1.</strong> Der FI – Schalter:<br />
Die in den vorigen Kapiteln behandelten Sicherungen sprechen erst bei den<br />
Stromstärken an, für die sie bestimmt sind. So unterbricht eine Sicherung für<br />
10 A den Stromkreis erst dann, wenn diese Stromstärke überschritten wird.<br />
Ein Mensch könnte daher bei Berührung eines schadhaften Elektrogerätes<br />
von einem für ihn tödlichen Strom durchflossen werden, ohne dass die<br />
Sicherung anspricht. Zur Verhinderung solcher Stromunfälle dient der<br />
Fehlerstrom-Schutzschalter, kurz FI – Schalter.<br />
Normalerweise ist die Stromstärke im Außenleiter und im Neutralleiter<br />
gleich groß. Fließt aber in einem schadhaften Elektrogerät ein Teil <strong>des</strong><br />
Stromes über den Schutzleiter ab, so ergibt sich zwischen Neutralleiter und<br />
Außenleiter eine Stromdifferenz, ein Fehlerstrom. Eine Stromdifferenz tritt<br />
auch auf, wenn jemand eine unter Spannung stehende Leitung berührt und<br />
Strom über diese Person <strong>zur</strong> Erde abfließt. Der FI - Schalter hat dann die<br />
Aufgabe, bei solchen Fehlerströmen den Stromkreis möglichst rasch<br />
abzuschalten. Die Größe <strong>des</strong> Fehlerstromes, bei dem der FI - Schalter<br />
anspricht, liegt im allgemeinen zwischen 10 und 100 mA, die Abschaltdauer<br />
beträgt zwischen 0,01 und 0,001 Sekunden. Die Funktionsfähigkeit <strong>des</strong> FI -<br />
Schalters muss regelmäßig mit einer Prüftaste kontrolliert werden. Allerdings<br />
bietet auch der FI - Schalter keinen vollkommenen Schutz vor<br />
Elektrounfällen.<br />
FI - Schalter und Schutzerdung sind wichtige<br />
Sicherheitsvorkehrungen für den Menschen <strong>zur</strong> Vermeidung von<br />
Stromunfällen.<br />
37
2.6.2. Der Trenntransformator (Schutztrennung):<br />
Ein Trenntransformator ist ein Transformator mit gleicher Primär- und<br />
Sekundärspule. Da der Sekundärstromkreis nicht geerdet sein darf, kann bei<br />
einem Isolationsfehler kein Fehlerstrom <strong>zur</strong> Erde fließen. Ein<br />
lebensgefährlicher Körperschluss wird somit vermieden.<br />
Besondere Sicherheitsvorkehrungen werden in Badezimmern getroffen. So<br />
wird z.b. einer Rasiersteckdose der Strom nicht direkt zugeleitet, sondern ein<br />
sogenannter Trenntransformator dazwischengeschaltet. Sein<br />
Sekundärstromkreis ist vom übrigen Netz getrennt. Da außerdem auf der<br />
Sekundärseite keine Leitung geerdet wird, haben die zwei Pole dieser<br />
Steckdose nur gegeneinander eine Spannung von 220 V, nicht aber gegen<br />
Erde. Eine Gefahr für den Menschen besteht nur dann, wenn man beide<br />
Buchsen der dem Trenntrafo nachgeschalteten Steckdose berührt.<br />
Die Abbildung zeigt, wie in einem Wohnhaus der Strom verteilt wird und<br />
wie die <strong>elektrischen</strong> Sicherheitseinrichtungen installiert sind.<br />
38
Neben der Elektroinstallation müssen auch die Elektrogeräte allen<br />
Sicherheitsvorschriften genügen. Ein Nachweis dafür ist z.b. das ÖVE-<br />
Prüfzeichen auf dem Gerät.<br />
Es besagt jedoch nicht, dass das gerade benutzte Gerät in Ordnung ist. In der<br />
Bedienungsanleitung muss ferner alles angeführt sein, was für die Sicherheit<br />
beim Betrieb <strong>des</strong> Gerätes von Bedeutung ist (Produktdeklaration).<br />
Ein defektes Elektrogerät darf nur von einem Fachmann repariert werden.<br />
Elektrotechniker und Elektrofacharbeiter haben eine mehrjährige<br />
Ausbildung, in der sie mit allen Sicherheitsvorkehrungen gegen die Gefahren<br />
<strong>des</strong> <strong>elektrischen</strong> Stromes vertraut gemacht werden.<br />
Zusammenfassung:<br />
Die <strong>Wirkung</strong> <strong>des</strong> <strong>elektrischen</strong> Stromes auf den Menschen hängt in<br />
erster Linie von der Stromstärke ab.<br />
Sicherungen sollen den Strom bei Überlastung der Leitungen oder<br />
bei Kurzschluss unterbrechen.<br />
Die wichtigsten Sicherheitseinrichtungen <strong>zur</strong> Verhinderung von<br />
Elektrounfällen sind die Schutzerdung, die Schutzisolation, die<br />
Schutztrennung und der FI-Schalter.<br />
39
3. Wärmewirkung <strong>des</strong> <strong>elektrischen</strong> Stromes:<br />
Lernziele:<br />
Das Kapitel der Wärmewirkung <strong>des</strong> <strong>elektrischen</strong> Stromes wird in der 3.<br />
Klasse behandelt. Dabei sollten die Schüler verstehen, warum beim Fließen<br />
<strong>des</strong> <strong>elektrischen</strong> Stromes Wärme entsteht. Folgen<strong>des</strong> sollten die Schüler vom<br />
Unterricht mitnehmen:<br />
• Beim Fließen <strong>des</strong> <strong>elektrischen</strong> Stromes entsteht Wärme.<br />
• Die Wärmewirkung <strong>des</strong> <strong>elektrischen</strong> Stromes ist umso größer,<br />
je größer die Stromstärke ist.<br />
• Strommessgeräte, die auf der Wärmewirkung <strong>des</strong> <strong>elektrischen</strong><br />
Stromes beruhen, heißen Hitzedrahtamperemeter.<br />
• Der elektrische Widerstand vieler Stoffe hängt von der<br />
Temperatur ab.<br />
• Beim Erhitzen <strong>des</strong> Eisendrahtes nimmt der elektrische<br />
Widerstand zu.<br />
• Beim Erhitzen <strong>des</strong> Eisendrahtes wird die Stromstärke kleiner.<br />
• Es kommen bei der Erwärmung eines Metalls die<br />
Atomrümpfe in stärkere Schwingungen. Dadurch wird der<br />
Durchgang der Elektronen behindert.<br />
• Bei genügend großer Stromstärke erhitzt sich der Leiter so<br />
stark, dass er zu glühen beginnt.<br />
• Auch hier sollte der Schüler verschiedene Anwendungen<br />
kennenlernen und deren Funktion verstehen.<br />
40
3.<strong>1.</strong> Erwärmung eines stromdurchflossenen Leiters:<br />
Beim Fließen <strong>des</strong> <strong>elektrischen</strong> Stromes entsteht Wärme. Wir wollen nun<br />
diese Wärmeentwicklung näher untersuchen.<br />
Versuchsaufbau:<br />
Wir geben in einen Stromkreis ein Amperemeter und einen dünnen<br />
Eisendraht, der an zwei Klemmen befestigt und durch ein kleines<br />
Massenstück gespannt ist.<br />
Versuchsdurchführung:<br />
Beobachte den Draht und das Massenstück, wenn der Strom eingeschaltet<br />
wird!<br />
Versuchsergebnis:<br />
Der Draht wird durch den <strong>elektrischen</strong> Strom erwärmt und dehnt sich aus.<br />
Das Massenstück sinkt tiefer.<br />
Erhöhen wir die Stromstärke, so beginnt der Draht zu glühen.<br />
41
Versuchserklärung:<br />
Der elektrische Strom besteht im Fließen von Elektronen. Diese stoßen mit<br />
den Atomrümpfen <strong>des</strong> Drahtes zusammen. Dazu nun zwei Abbildungen. Die<br />
erste Abbildung zeigt ein Kristallgitter eines Metalls mit frei beweglichen<br />
Elektronen:<br />
Nun ist nach Einschalten <strong>des</strong> Stromes eine gerichtete Elektronenbewegung<br />
durch die angelegte Spannung zu beobachten.<br />
Mit der Zunahme der Stromstärke wird die Zahl der Zusammenstöße größer,<br />
und die Teilchen <strong>des</strong> Leiters geraten in stärkere Schwingungen. Die<br />
Temperatur <strong>des</strong> Drahtes steigt, und er dehnt sich aus.<br />
42
Nun wird ein weiterer Versuch durchgeführt, der die Erwärmung eines<br />
stromdurchflossenen Leiters zeigt.<br />
Versuchsaufbau:<br />
Lege mit einer Pinzette eine Faser Stahlwolle über die Pole einer<br />
Taschenlampenbatterie.<br />
Versuchsergebnis:<br />
Du kannst feststellen, dass die Stahlwollfaser schlagartig aufglüht.<br />
Versuchserklärung:<br />
Die Reibung der fließenden Elektronen (Zusammenstöße mit den positiven<br />
Metallionen) erwärmt den Leiter.<br />
Bei genügend großer Stromstärke erhitzt sich der Leiter so stark,<br />
dass er zu glühen beginnt.<br />
Man spricht von der Wärme- und Lichtwirkung <strong>des</strong> <strong>elektrischen</strong> Stromes.<br />
Diese Eigenschaft findet in der Praxis sehr viele Anwendungen, die im<br />
Kapitel über die Lichtwirkung <strong>des</strong> <strong>elektrischen</strong> Stromes genannt werden.<br />
43
3.2. Hitzedrahtamperemeter:<br />
Versuchsaufbau:<br />
Wir wiederholen den Versuch mit einem Nickel- oder Konstantandraht. Am<br />
Massenstück bringen wir einen Zeiger an. Auf einer Skala lesen wir zu<br />
verschiedenen Stromstärken die Zeigerstellung ab.<br />
Versuchsdurchführung:<br />
Vergleiche die Zeigerstellungen bei Wiederholung <strong>des</strong> <strong>Versuche</strong>s mit<br />
gleicher Stromstärke!<br />
Versuchsergebnis:<br />
Die Versuchsanordnung stellt ein einfaches Messgerät für die Stromstärke<br />
dar. Strommessgeräte, die auf der Wärmewirkung <strong>des</strong> <strong>elektrischen</strong> Stromes<br />
beruhen, heißen Hitzdrahtamperemeter.<br />
Die Wärmewirkung <strong>des</strong> <strong>elektrischen</strong> Stromes ist umso größer, je größer die<br />
Stromstärke ist.<br />
Das Modell eines Hitzdrahtinstrumentes dient <strong>zur</strong> Demonstration der<br />
<strong>Wirkung</strong>sweise eines Messinstrumentes, das die Wärmewirkung <strong>des</strong><br />
<strong>elektrischen</strong> Stromes für Messzwecke ausnutzt.<br />
44
Diese Wärmewirkung ist bei Gleichstrom proportional dem Quadrat der<br />
Stromstärke. Für andere Stromarten dient sie <strong>zur</strong> Definition der effektiven<br />
Stromstärke. Darin liegt die unterrichtliche Bedeutung <strong>des</strong> Modells.<br />
Ein Widerstandsdraht wird bei diesem Verfahren bei Stromdurchgang<br />
erwärmt und dehnt sich unabhängig von der Stromrichtung und von der<br />
Stromart aus. Die sich ergebende Ausdehnung wird auf einen drehbaren<br />
Zeiger übertragen. Dieser Ausschlag ist dann ebenfalls proportional dem<br />
Quadrat der Stromstärke.<br />
Das Messgerätemodell ist in einem Plexiglasgehäuse montiert. Es eignet sich<br />
auf Grund seines klaren, übersichtlichen und von weitem gut erkennbaren<br />
Aufbau in Verbindung mit dem Schreibprojektor besonders gut für<br />
Demonstrationszwecke. Es kann aber auch ohne Schreibprojektor in direkter<br />
Beobachtung verwendet werden.<br />
Der Innenaufbau besteht im wesentlichen aus einem 0,35 mm dicken Konstantandraht,<br />
<strong>des</strong>sen Längenänderung bei Wärmebelastung durch <strong>elektrischen</strong> Strom über eine in der<br />
Mitte <strong>des</strong> Drahtes angebrachten Schnur, die über eine Rolle gelegt ist, auf einen drehbaren<br />
Zeiger übertragen wird. Diese Schnur ist mit einer am Gehäuse befestigten Feder<br />
verbunden. Die Stromzufuhr erfolgt über zwei mit Buchsen versehenen Kontaktplatten an<br />
der Seite <strong>des</strong> Gehäuses. Auf diesen Kontaktplatten befinden sich außerdem die<br />
Spannschrauben für den Konstantandraht, der unter Umständen ausgewechselt werden<br />
muss bzw. mit der rechten Spannschraube in Entlastungsstellung genau in die horizontale<br />
Lage gespannt werden kann, so dass auch der Zeiger an der Rolle am Skalenanfang steht.<br />
45
3.3. Zusammenhang Erwärmung und Widerstand:<br />
Versuchsaufbau:<br />
Wir geben in einen Stromkreis ein Amperemeter und einen dünnen<br />
Eisendraht, der an zwei Klemmen befestigt ist.<br />
Versuchsdurchführung:<br />
Nachdem der Stromkreis geschlossen worden ist, wird der Eisendraht<br />
langsam erhitzt.<br />
Versuchsergebnis:<br />
Der elektrische Widerstand vieler Stoffe hängt von der Temperatur ab. Beim<br />
Erhitzen <strong>des</strong> Eisendrahtes nimmt der elektrische Widerstand zu. Die<br />
Stromstärke wird kleiner. Es kommen bei der Erwärmung eines Metalls die<br />
Atomrümpfe in stärkere Schwingungen. Dadurch wird der Durchgang der<br />
Elektronen behindert.<br />
46
4. Lichtwirkung <strong>des</strong> <strong>elektrischen</strong> Stromes:<br />
Lampen dienen <strong>zur</strong> Beleuchtung mit unterschiedlichsten Anforderungen.<br />
Lampen werden als Signal- und Kontrollanzeigen verwendet. Auch Werbung<br />
und Anzeigen werden mit Lampen durchgeführt. In der Medizin werden<br />
Lampen <strong>zur</strong> Therapie und Beobachtung verwendet, wobei auch nicht<br />
sichtbare Strahlung genutzt wird.<br />
4.<strong>1.</strong> Glühlampen:<br />
Glühende Körper senden Licht aus. Dies wird bei der Glühlampe ausgenutzt.<br />
Der Glühdraht wird aus Wolfram hergestellt. Er ist in seiner Länge und<br />
Stärke so auf die Spannungsquelle abgestimmt, dass er beim Durchfluss <strong>des</strong><br />
Stromes eine Temperatur von 2500 – 3000 Cº erreicht. Dabei wird er<br />
weißglühend und sendet ein helles weißes Licht aus. Damit der Glühdraht<br />
nicht verbrennt und zu rasch verdampft, wird der Glaskolben mit Stickstoff<br />
oder mit einem Edelgas (Argon) unter niedrigem Druck gefüllt.<br />
Der Glühdraht ist als Wendel oder als Doppelwendel ausgeführt. Dadurch<br />
kann er leichter im Glaskolben untergebracht werden. Es ergibt sich aber<br />
noch ein weiterer Vorteil durch das Wendel. Dazu führen wir folgenden<br />
Versuch aus:<br />
47
Versuchsaufbau:<br />
Wir wickeln aus einem Konstantandraht nach folgender Abbildung ein<br />
einfaches Wendel und ein Doppelwendel. Einen Teil <strong>des</strong> Drahtes lassen wir<br />
gerade.<br />
Versuchsdurchführung:<br />
Den so vorbereiteten Draht schließen wir an eine Spannungsquelle. Wir<br />
regulieren die Stromstärke so, dass das einfache Wendel glüht. Vergleiche, in<br />
welcher Stärke die beiden anderen Drahtstücke leuchten!<br />
Versuchsergebnis:<br />
Die Drahtwindungen erwärmen sich auch gegenseitig. Daher erreicht das<br />
Doppelwendel bei gleicher Stromstärke eine höhere Temperatur und damit<br />
auch eine höhere Lichtstärke als ein einfaches Wendel oder gar ein gera<strong>des</strong><br />
Drahtstück. Die Lichtausbeute kann daher bei gleichbleibenden Stromkosten<br />
gesteigert werden. Sie liegt bei Glühlampen bei etwa 5%.<br />
Die Glühlampe wurde 1854 vom Uhrmacher Heinrich Goebel erfunden und<br />
von Thomas Alva Edison verbessert. Edison brachte in einer luftleer<br />
gepumpten Glasbirne einen Kohlefaden durch den <strong>elektrischen</strong> Strom zum<br />
Glühen. Heute werden fast ausschließlich Metallfadenlampen verwendet.<br />
Ihre Herstellung gelang nach vielen <strong>Versuche</strong>n dem österreichischen<br />
Chemiker Auer von Weisbach. In den ersten Metallfadenlampen wurde als<br />
Glühdraht Osmium verwendet, später Tantal, heute fast ausschließlich<br />
Wolfram (Schmelzpunkt bei 3400 Cº).<br />
48
In einer Glühlampe wird durch die Wärmewirkung <strong>des</strong> <strong>elektrischen</strong> Stromes<br />
ein dünner, gewandelter Draht in Weißglut versetzt, sodass er Licht<br />
aussendet.<br />
Vertiefung in der Oberstufe:<br />
Die Lichtaussendung erfolgt im gesamten sichtbaren Spektrum. Durch<br />
„Zusammenstoß“ (genauer: elektrische Wechselwirkung mit den<br />
schwingenden Gitterionen) gelangen Elektronen auf höhere Energieniveaus<br />
und geben beim Zurückkehren in tiefere Niveaus die freiwerdende Energie in<br />
Form von Strahlung verschiedenster Wellenlängen ab.<br />
Die Oberflächentemperatur der Sonne beträgt etwa 5800 - 6200 K. Um Licht<br />
gleicher spektraler Zusammensetzung abzugeben, müsste der Glühfaden<br />
einer Glühlampe ebenfalls diese Temperatur erreichen. Dies ist aber<br />
technisch nicht möglich, da die Schmelzpunkte aller chemischen Elemente<br />
weit darunter liegen. Den höchsten Schmelzpunkt der Metalle hat Wolfram<br />
mit 3680 K. Wie hängt die Lichtausbeute mit der Temperatur zusammen?<br />
Bei geringerer Temperatur verschiebt sich das spektrale Maximum <strong>des</strong><br />
ausgesandten Lichts zu größeren Wellenlängen hin. Das Licht wird<br />
gelblicher, ein größerer Prozentsatz der Strahlung wird als unsichtbare<br />
Infrarotstrahlung abgegeben. Die aufgenommene elektrische Energie wird<br />
also nur zu einem geringen Prozentsatz in sichtbares Licht umgewandelt.<br />
Glühlampen erreichen <strong>Wirkung</strong>sgrade von etwa 5%. (Unter dem<br />
<strong>Wirkung</strong>sgrad versteht man hier das Verhältnis von der als sichtbares Licht<br />
abgestrahlten Energie <strong>zur</strong> aufgenommenen <strong>elektrischen</strong> Energie.)<br />
49
Um möglichst sonnenähnliches Licht zu erhalten und die Ausbeute<br />
an sichtbarem Licht zu steigern, ist daher eine möglichst hohe<br />
Glühfadentemperatur wünschenswert.<br />
Beschreibung der Bauteilfunktion:<br />
Glühwendel:<br />
Material <strong>zur</strong> Lichtaussendung: Der Metalldraht (Länge ca. 1 m, Radius ca.<br />
0,3 mm) besteht meist aus einer Wolframlegierung. Er wird als<br />
schraubenförmige Wendel, meist sogar als Doppelwendel, ausgebildet. So<br />
bringt man eine große Drahtlänge auf kleinstem Raum unter. Dadurch wird<br />
auch die Wärmeabgabe an das Füllgas vermindert, da sich die Windungen<br />
gegenseitig erwärmen. Bei gleicher elektrischer Leistung wird so eine höhere<br />
Temperatur <strong>des</strong> Glühfadens und damit eine höhere Lichtausbeute erreicht.<br />
Die mittlere Lebensdauer einer Glühlampe beträgt etwa 1000<br />
Betriebsstunden. Wegen der hohen Temperatur (2500 ºC – 3000 ºC)<br />
verdampft der Glühdraht mit der Zeit, wird schließlich zu dünn und brennt<br />
durch. Das verdampfte Metall schlägt sich am kühleren Glaskolben nieder,<br />
was eine Schwärzung <strong>des</strong> Glaskolbens und damit eine Verminderung der<br />
Lichtausbeute <strong>zur</strong> Folge hat.<br />
Glaskolben:<br />
Schutz der Glühwendel: Da der Glühdraht an Luft sofort verbrennen würde,<br />
umgibt man ihn mit einem Glaskolben. Bei Lampen bis zu 25 W wird der<br />
Glaskolben fast luftleer gepumpt, bei Lampen mit höherer Leistung füllt man<br />
ein chemisch inertes Gas (Stickstoff, Argon oder Krypton) ein, das mit den<br />
Metallteilchen keine chemische Verbindung eingehen darf. Durch den Druck<br />
der Gasfüllung wird auch die Verdampfung <strong>des</strong> Metalls der Glühwendel<br />
vermindert.<br />
Lampensockel:<br />
Verbindung <strong>zur</strong> Stromquelle: Im Lampensockel ist der Glaskolben, die<br />
Stromzufuhr und die Glühwendel eingebaut. Die Größe der Lampensockel ist<br />
genormt. Bei Stromzufuhr aus dem Netz mit 220 V soll der Neutralleiter an<br />
der Sockelfassung (Aluminium- oder Messinggewinde) liegen, der<br />
Außenleiter am Sockelfuß.<br />
50
4.2. Halogenlampe:<br />
Die Halogenlampe ist eine Spezialausführung der Glühlampe.<br />
Als Füllgas wird ein Halogen (Fluor, Chlor, Brom, Jod) verwendet, meist<br />
Jod. Das Jod verbindet sich bei niedrigerer Temperatur mit dem verdampften<br />
Wolfram zu Wolframjodid. Durch die Konvektion in der Lampe gelangen<br />
diese Moleküle <strong>zur</strong>ück <strong>zur</strong> Glühwendel, wo sie wegen der dort herrschenden<br />
hohen Temperatur dissoziieren, d.h. das Wolframjodid wird in seine<br />
Bestandteile zerlegt. Das Wolfram bleibt auf der Glühwendel <strong>zur</strong>ück, das Jod<br />
wird frei und kann erneut mit verdampftem Wolfram reagieren.<br />
Durch den Rücktransport <strong>des</strong> verdampften Wolframs wird die Lebensdauer<br />
der Lampe stark erhöht. Es ist dadurch möglich, die Temperatur der<br />
Glühwendel auf etwa 3500 K zu steigern, wodurch „weißeres“ Licht und eine<br />
höhere Lichtausbeute erreicht werden. Selbst nach längerer Betriebsdauer<br />
tritt keine Schwärzung <strong>des</strong> Glaskolbens ein.<br />
Da am Lampenkolben ständig eine Temperatur von 250 ºC besteht, muss die<br />
Halogenlampe aus Quarzglas gefertigt werden. Dies ermöglicht auch eine<br />
51
kleinere Bauform und einen erhöhten Gasdruck, wodurch die Lichtausbeute<br />
erheblich gesteigert wird. Da die Temperatur nicht an allen Stellen gleich<br />
gehalten werden kann, verdampft Wolfram an einigen Stellen stärker, was<br />
mit der Zeit zum Durchschmelzen <strong>des</strong> Drahtes führt und damit die<br />
Lebensdauer ebenfalls begrenzt. Diese ist aber doppelt so hoch wie bei<br />
normalen Glühlampen.<br />
Halogenlampen wurden bis vor einigen Jahren wegen der höheren Kosten<br />
fast ausschließlich für spezielle Zwecke verwendet, vor allem dort, wo eine<br />
große Lichtausbeute benötigt wird (Dia-, Film- und Overheadprojektoren,<br />
Autolampen, Flutlichtanlagen etc.). Ihre Verwendung für allgemeine<br />
Beleuchtungszwecke nimmt erst langsam zu. Projektionslampen haben eine<br />
besonders hohe Lichtausbeute, aber dafür auch eine wesentlich geringere<br />
Lebensdauer.<br />
Halogenlampen werden oft mit Niederspannung betrieben (in Projektoren<br />
z.b. mit 12 oder 24 V). Sie benötigen daher bei Anschluss an das Stromnetz<br />
einen vorgeschalteten Transformator <strong>zur</strong> Spannungstransformation von 220<br />
V auf die entsprechende geringere Spannung.<br />
Folgende Abbildung zwei Halogen-Metalldampflampen: a) 2000 W, Flutlicht<br />
und b) 350 W Glühlampe<br />
52
4.3. Leuchten von verdünnten Gasen:<br />
Die Luft ist bei normalem Druck ein sehr schlechter Leiter. Anders ist<br />
dagegen die Leitfähigkeit verdünnter Gase.<br />
Versuchsaufbau:<br />
Wir verwenden eine Glasröhre nach folgender Abbildung an deren Enden je<br />
eine Elektrode eingeschmolzen ist.<br />
Versuchsdurchführung:<br />
Gasentladung bei einem Druck von ca. 1 mbar<br />
An diese legen wir eine hohe Gleichspannung (3000 – 10 000V). Bei<br />
gewöhnlichem Luftdruck fließt kein Strom. Nun verdünnen wir die Luft in<br />
der Röhre mit einer Luftpumpe. Beschreibe die Leuchterscheinungen in der<br />
Röhre bei Verminderung <strong>des</strong> Drucks!<br />
Versuchsergebnis:<br />
Die Leitfähigkeit der Luft und auch anderer Gase hängt außer von der<br />
angelegten Spannung auch vom Druck ab. Bei einem Druck von 10-50<br />
Millibar bildet sich zwischen den Elektroden ein Lichtfaden. Bei weiterer<br />
Druckerniedrigung entsteht ein immer breiter werden<strong>des</strong> violett-rotes<br />
Lichtband, das bei einem Druck von 6-10 Millibar die ganze Röhre bis auf<br />
einen dunklen Raum vor der negativen Elektrode erfüllt. Bei weiterer<br />
Herabsetzung <strong>des</strong> Druckes zieht sich das Lichtband etwas gegen die positive<br />
Elektrode <strong>zur</strong>ück und schichtet sich. Bei der negativen Elektrode wird<br />
deutlich ein Glimmlicht sichtbar.<br />
53
In einem Gas ist immer eine kleine Anzahl von geladenen Teilchen (Ionen)<br />
vorhanden. Bei niedrigem Druck sind sie von wesentlich weniger<br />
Nachbarteilchen umgeben. Daher erreichen sie durch die angelegte Spannung<br />
eine so hohe Geschwindigkeit, dass beim Zusammenstoß mit den neutralen<br />
Gasteilchen weitere Ionen entstehen. Dadurch wird das Gas leitend. Bei<br />
genügend kleinem Druck leiten Gase den <strong>elektrischen</strong> Strom, es kommt zu<br />
einer <strong>elektrischen</strong> Gasentladung.<br />
Anwendungen:<br />
Praktische Anwendung findet die Gasentladung für die farbige Lichtreklame.<br />
Dabei gibt man den Leuchtröhren verschiedene Formen, wie z.b. Buchstaben<br />
oder Ziffern. Die Farbe <strong>des</strong> Lichtes hängt vom verwendeten Gas ab. Auch in<br />
Glimmlampen findet eine Gasentladung statt. Bei ihnen ist der Abstand der<br />
Elektroden so klein, dass sich nur um die negative Elektrode ein Glimmlicht<br />
ausbildet. Deshalb können Glimmlampen als Spannungs- und Polprüfer<br />
verwendet werden. Wir haben sie zum Nachweis der verschiedenen<br />
Ladungsarten sowie bei der Feststellung, ob wir es mit Gleich- oder<br />
Wechselstrom zu tun haben, benutzt. Die folgende Abbildung zeigt einen<br />
Spannungsprüfer in Form eines Schraubenziehers.<br />
54<br />
Die Glimmlampe befindet sich in<br />
einem durchsichtigen Griff aus<br />
lsoliermaterial. Zusätzlich enthält<br />
der Spannungsprüfer einen hohen<br />
Schutzwiderstand. Berührt man mit<br />
dem Schraubenzieher einen unter<br />
Spannung stehenden Leiter, so<br />
leuchtet die Glimmlampe auf. Die<br />
Leuchterscheinung wird deutlicher,<br />
wenn man den Finger auf die<br />
Metallkappe legt. Der<br />
Spannungsprüfer darf aber niemals<br />
am Metallteil vor der Glimmlampe<br />
berührt werden! Lebensgefahr!<br />
Glimmlampen werden auch für Nachtlichter, für die Beleuchtung von<br />
Schalterknöpfen, als Anzeigegeräte für eingeschaltete Stromkreise usw.<br />
verwendet.
4.4. Die Leuchtstoffröhre und die Quecksilberdampflampe:<br />
Eine wichtige Anwendung der Gasentladung ist die Leuchtstoffröhre. Sie<br />
kann mit 220 V betrieben werden, die Gasentladung muss aber mit einem<br />
„Starter“ gezündet werden. In ihr befindet sich als verdünntes Gas<br />
Quecksilberdampf, der bei der Entladung neben sichtbarem Licht vor allem<br />
unsichtbare ultraviolette Strahlen aussendet. Daher wird das Glasrohr innen<br />
mit Leuchtstoffen überzogen, die die unsichtbare Strahlung <strong>des</strong><br />
Quecksilberdampfes in sichtbares Licht umwandeln.<br />
Je nach der Beschaffenheit <strong>des</strong> Leuchtstoffes erhält man weißes oder farbiges<br />
Licht.<br />
Bei einer Leuchtstoffröhre werden ungefähr 20 % der aufgenommenen<br />
<strong>elektrischen</strong> Energie als Licht ausgesendet, bei einer Glühlampe nur etwa<br />
5%. Der Rest wird jeweils in Wärme umgesetzt. Außerdem hat eine<br />
Leuchtstoffröhre etwa die dreifache Lebensdauer einer Glühlampe.<br />
Eine teilweise mit Leuchtstoff belegte Röhre.<br />
Ohne Leuchtstoff wird nur sehr wenig sichtbares Licht ausgesendet.<br />
Seit einiger Zeit gibt es auch Kompaktleuchtstofflampen (siehe Abbildung<br />
auf der folgenden Seite), die in den Sockel einer gewöhnlichen Glühlampe<br />
geschraubt werden können. Ihr Aufbau und ihre Funktionsweise entsprechen<br />
einer Leuchtstoffröhre. Alle nötigen Zusatzeinrichtungen (Starter usw.) sind<br />
aber viel kleiner und in der Lampe untergebracht. Diese „Sparlampen“<br />
verbrauchen bei gleicher Lichtausbeute nur etwa ein Viertel <strong>des</strong> Stromes<br />
einer Glühlampe und haben eine etwa fünfmal so große Lebensdauer.<br />
55
In Leuchtstoffröhren werden durch die unsichtbare ultraviolette<br />
Strahlung <strong>des</strong> Quecksilberdampfes Leuchtstoffe <strong>zur</strong><br />
Lichtaussendung angeregt.<br />
Auch in einer Quecksilberdampflampe wie in folgender Abbildung findet<br />
eine Gasentladung statt. Dabei wird eine starke ultraviolette Strahlung<br />
ausgesendet. Sie hat eine Bräunung der Haut <strong>zur</strong> Folge. Diese Strahlung ist<br />
auch im Sonnenlicht vorhanden. Sie wird aber in der Stratosphäre vom Ozon<br />
zum größten Teil absorbiert. Weil die UV-Strahlung besonders in großen<br />
Höhen wirksam ist, werden die Quecksilberdampflampen auch künstliche<br />
Höhensonnen genannt.<br />
56
Vertiefung in der Oberstufe:<br />
Die Leuchtstoffröhren, die für allgemeine Beleuchtungszwecke eingesetzt<br />
werden, sind mit Quecksilberdampf und geringen Mengen eines Edelgases<br />
gefüllt. Durch Stöße mit Elektronen werden die Elektronen der Hg-Atome<br />
auf höhere Energieniveaus gehoben oder von den Hg-Atomen ganz<br />
losgerissen. Beim Zurückfallen auf ihre ursprünglichen Energieniveaus bzw.<br />
bei der Rekombination (Wiedervereinigung) der ionisierten Hg-Atome mit<br />
Elektronen werden die für Quecksilber charakteristischen Spektrallinien<br />
ausgesendet.<br />
Das Licht, das Hg-Lampen aussenden, ist bläulich und besteht zu einem<br />
großen Teil aus unsichtbarer UV-Strahlung.<br />
Die Innenseite <strong>des</strong> Glasrohrs ist mit einer Leuchtschicht überzogen, die bei<br />
Bestrahlung mit UV-Licht rötlich fluoresziert. Dadurch erhält das Licht der<br />
Leuchtstoffröhre eine gelblich-weiße Farbe.<br />
Da in Leuchtstoffröhren die Hg-Atome durch Stöße mit Elektronen und nicht<br />
thermisch angeregt werden, bleibt die Temperatur in diesen Lampen niedrig.<br />
Leuchtstoffröhren erreichen <strong>Wirkung</strong>sgrade von 20 - 40%.<br />
Zur Beleuchtung von Straßen werden oft Natriumdampflampen<br />
verwendet, die ausschließlich gelbes Licht aussenden. Sie haben<br />
eine höhere Lichtausbeute und eine größere Lebensdauer.<br />
Außerdem durchdringt ihr gelbes Licht Nebel besser als weißes<br />
Licht.<br />
57
Technische Ausführung:<br />
Bauteile:<br />
Beschreibung der Bauteilfunktion:<br />
Glasrohr:<br />
Behälter für das Gas: Das Rohr ist mit Quecksilberdampf unter niedrigem<br />
Druck (0,1 bis 100 mbar) und geringen Mengen eines Edelgases gefüllt. Die<br />
Innenseite ist mit einer Leuchtschicht überzogen, die das in der Lampe<br />
erzeugte UV-Licht in sichtbares Licht umwandelt. Durch geeignete Wahl <strong>des</strong><br />
Leuchtstoffes kann dem Licht der Leuchtstoffröhre nahezu jede gewünschte<br />
Farbe gegeben werden.<br />
58
Glühelektroden:<br />
Elektronenquelle: Durch die hohe Temperatur der Elektroden erhalten einige<br />
Elektronen genügend Energie, um aus dem Metall austreten zu können<br />
(glühelektrischer Effekt). Durch die angelegte Spannung werden die<br />
Elektronen so stark <strong>zur</strong> Anode hin beschleunigt, dass sie die Atome der<br />
Gasfüllung anregen bzw. ionisieren können.<br />
Zündung:<br />
Herstellung der Ladungsträger: Beim Einschalten der Lampe kann zunächst<br />
kein Strom durch das Gas fließen, da keine freien Ladungsträger vorhanden<br />
sind. Das Freisetzen von Elektronen (bei hoher Spannung) und das damit<br />
verbundene Aufleuchten der Lampe nennt man Zündung. Die Netzspannung<br />
von 220 V reicht wegen <strong>des</strong> großen Abstan<strong>des</strong> der Elektroden in der Röhre<br />
nicht aus, um die Leuchtstoffröhre zu zünden. Zum Betrieb einer<br />
Leuchtstoffröhre sind <strong>des</strong>halb ein Starter, der aus einer Glimmlampe mit<br />
eingebautem Bimetallschalter besteht, und eine Drosselspule, welche die<br />
nötige Zündspannung liefert und die Stromstärke begrenzt, notwendig.<br />
Starter einer Leuchtstofflampe (ohne Gehäuse)<br />
Auf der folgenden Seite wird die Zündung der Lampe genau beschrieben.<br />
59
Der Vorgang der Zündung läuft folgendermaßen ab:<br />
• Beim Einschalten zündet zunächst (bei offenem Bimetallschalter) die<br />
Glimmlampe.<br />
• Die Glimmentladung erwärmt den Bimetallstreifen, worauf dieser die<br />
Glimmlampe kurzschließt. Die Glimmentladung erlischt. Es fließt ein<br />
stärkerer Strom, da der Widerstand im Stromkreis jetzt geringer ist.<br />
Dadurch beginnen die Glühelektroden zu glühen und setzen Elektronen<br />
frei.<br />
• Der Bimetallstreifen kühlt sich wieder ab und unterbricht den<br />
Stromkreis. Diese Unterbrechung verursacht eine hohe<br />
Induktionsspannung in der Drosselspule (Selbstinduktion, Lenzsche<br />
Regel). Dieser starke Spannungsstoß zündet die Lampe. (In der Regel<br />
zündet die Lampe erst nach mehreren Zündversuchen. Das ist der<br />
Grund für das Flackern von Leuchtstoffröhren beim Einschalten.)<br />
• Wegen <strong>des</strong> Nebenschlusses durch die Leuchtstoffröhre zündet die<br />
Glimmlampe nicht mehr, und der Bimetallschalter bleibt offen. Durch<br />
den Aufprall von Quecksilberionen bleiben die Glühelektroden heiß.<br />
Durch die Ionisierung der Hg-Atome entstehen in der Lampe<br />
zusätzliche freie Ladungsträger (Elektronen und Ionen), wodurch die<br />
Gasfüllung leitfähig wird. Zur Aufrechterhaltung der Gasentladung<br />
reicht daher die Netzspannung. Die Lampe leuchtet weiter, die<br />
Drosselspule begrenzt die Stromstärke.<br />
Bei jedem Nulldurchgang der Wechselspannung erlischt die Gasentladung in<br />
der Leuchtstoffröhre und zündet während <strong>des</strong> anschließenden<br />
Spannungsanstieges wieder. Bei einer Netzfrequenz von 50 Hz geschieht dies<br />
also hundertmal pro Sekunde.<br />
Diesen raschen Helligkeitswechsel kann der Mensch zwar nicht bewusst<br />
wahrnehmen, wie neuere Untersuchungen zeigen, können dadurch aber<br />
raschere Ermüdung, Kopfweh und andere gesundheitliche Probleme<br />
verursacht werden.<br />
Die Lebensdauer von Leuchtstoffröhren beträgt durchschnittlich<br />
5000 Betriebsstunden.<br />
60
4.5. Die Energiesparlampe:<br />
Die Energiesparlampe ist eine Spezialausführung der Leuchtstoffröhre.<br />
Ihre Vorteile gegenüber der Leuchtstoffröhre sind:<br />
• Glühlampenähnlicheres Licht<br />
• Geringe Größe<br />
• Schraubsockel, dadurch in normale Glühlampenfassungen einsetzbar.<br />
Starter und Drosselspule sind in den Lampensockel eingebaut.<br />
• Höhere Lebensdauer (6000 - 8000 Betriebsstunden), geringer<br />
Stromverbrauch (eine 7 W-Sparlampe gibt so viel Licht wie eine 40 W<br />
Glühlampe), dadurch trotz <strong>des</strong> höheren Preises wirtschaftlicher<br />
• Sofortige Zündung ohne Flackern durch elektronisches Vorschaltgerät<br />
• Höhere Wechselstromfrequenz (30000 Hz) durch elektronisches<br />
Vorschaltgerät, dadurch praktisch flimmerfrei.<br />
61
Spektrale Strahlungsverteilung:<br />
Nachteil gegenüber der Glühlampe: Ebenso wie Leuchtstoffröhren enthalten<br />
Energiesparlampen geringe Mengen von Quecksilber und Schwermetalle.<br />
Kaputte Lampen gehören daher nicht in den Mistkübel, sondern sind<br />
Sondermüll.<br />
Nun noch die Bilder der verschiedenen spektralen Strahlungsverteilungen:<br />
Tageslicht (6000 K)<br />
Glühlampe (2700 K)<br />
Energiesparlampe<br />
(Leuchtstoffröhre)<br />
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Literaturhinweise:<br />
Für dieses Protokoll wurden Versuchsanleitungen und die verschiedensten<br />
Bücher der Ober- und Unterstufe verwendet:<br />
• Gollenz-Konrad-Breyer: Physik 3. Klasse. Verlag Hölder-<br />
Pichler-Tempsky. Wien: 1987<br />
• Gollenz-Konrad-Stuzka-Eder: Physik 4. Klasse. Verlag<br />
Hölder-Pichler-Tempsky. Wien: 1991<br />
• Ludick-Dopler-Hinterbuchinger-Reitinger: Bewegung mit<br />
Physik. Veritas. Linz: 1989<br />
• Ludick-Dopler-Hinterbuchinger-Reitinger: Bewegung mit<br />
Physik. Veritas. Linz: 1991<br />
• Jaros-Nussbaumer-Kunze: Basiswissen 3. Verlag Hölder-<br />
Pichler-Tempsky. Wien: 1991<br />
• Kunze: Technik im Alltag. Verlag Hölder-Pichler-Tempsky.<br />
Wien: 1991<br />
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