Physik-DetektivInnen

Die Physik-DetektivInnen sind ein weiterer Baustein der MINT-Abenteuer, zu denen auch die Mathe-EntdeckerInnen die Chemie-DetektivInnen und die Biologie-EntdeckerInnen gehören. Und wer Lust hat, mehr über die vielen neuen Worte und Begriffe, die ihr hier kennenlernen könnt zu erfahren, kann auch bei den Sprach-DetektivInnen reinzuschauen.
Diese Physik-Seite beschäftigt sich mit einem der spannendsten und wichtigsten Themen: der Elektrizität.
Es gibt viele Links zu Videos und anderen Webseiten, so dass ihr auch selbständig lernen könnt. 🙂

Elektrizität

Elektrizität ist eine Energie, die ihr alle kennt: mit dem Strom aus der Steckdose werden Eure Computer und CD-Spieler und Nachtischlampen betrieben. Dieser Strom ist stark und man sollte nie in eine Steckdose fassen. Schwächerer Strom kommt z.B. aus den Batterien für Spielzeuge oder für Handys. Ganz schwacher Strom fliesst durch die Nerven in Eurem Körpern. Ganz starker Strom fliesst durch Überlandleitungen, die deshalb auf sogenannten Hochspannungsmasten stehen. Wie stark Elektrizität sein kann, könnt ihr am Besten könnt bei einem Gewitter beobachten: eine plötzliche elektrische Entladung meistens zwischen mehreren Wolken seht ihr erst als Blitz und hört sie hinterher als Donner.

Was Elektrizität alles kann ? Strom als Wundermittel

Strom kann ganz viele Dinge. Einige Beispiele habt ihr oben schon gesehen. Jetzt versuchen wir, sie mal in Gruppen einzuteilen:

Hitze erzeugen

Hier wird der Strom durch einen sogenannten Widerstand gebremst, der dadurch heiss wird. Im Prinzip passiert dassselbe, wenn ihr heute Hände ganz schnell mit Druck aneinander reibt. Dann werden sie heiss. Strom erhitzt deshalb Gegenstände wie

  • Bügeleisen
  • elektrischen Herdplatten
  • Lötkolben
  • Elektroboiler

Dinge bewegen

Strom kann Dinge über Motoren bewegen. Das tolle ist, dass Elektromotoren sehr leise sind – ganz im Gegensatz zu sogenannten Verbrennermotoren, die meistens auch noch stinken. Durch Strom werden folgende Sachen bewegt

  • Rolltreppen
  • E-Bikes
  • Elektroroller
  • Küchenmixer
  • Elektroautos  (die grossen und auch die auf der Carrera Bahn)
  • Eisenbahn (ICEs genauso wie Eure Märklin- oder Legobahn zu Hause)

Licht machen

Durch Strom können Dinge zum Leuchten gebracht werden. Dabei gibt es ein paar verschieden Techniken, die wir uns dann im Fortgeschrittenenkurs anschauen:

  • Glühbirnen
  • Halogenleuchten
  • LED-Lämpchen

Seid ihr auch elektrisch?

Auch für Lebewesen ist Strom ganz wichtig. Unsere Nerven und unser Gehirn funktionieren mit Strom.

Elektrizität kann bei starken Strömen – oder wie man es besser sagt bei grosser Spannung – auch gefährlich sein. Mit dem Finger in der Steckdose bekommt ihr einen Stromschlag, an dem ihr sterben könnt. Denn Strom kann Euer Herz aus seinem Rhythmus bringen. Und davon kann man sterben.
Strom kann aber auch gesund machen. En Herzschrittmacher gibt dem Herz von Menschen den Takt vor, damit es regelmässig schlägt.

Einen ungefährlichen Mini-Stromschlag könnt ihr bekommen, wenn ihr Eure feuchte Zunge an eine Ende einer Spielzeugbatterie haltet. (Mehr bei den Experimenten).

Wasser und Metall leiten den Strom besonders gut. Daher muss im Badezimmer und an Orten mit viel Metall besonders vorsichtig mit Strom umgegangen werden.

Es gibt auch viele Tiere, die mit Strom Dinge machen können, die wir Menschen nicht schaffen_

  • Anglerfische
  • Zitteraale und Rochen

Hier noch etwas zu Zitteraalen: https://youtu.be/5foi62zQCjE7

Glühwürmchen hingegen machen Licht nur mit chemischen Tricks.

Seit wann kennen wir Strom ?

Die Elektrizität aus der Natur kannten schon die alten Griechen. Das Wort „elektron“ stammt aus ihrer Sprache: Es bedeutet eigentlich Bernstein. Wenn man einen Bernstein mit einem Tuch aus Wolle reibt, zieht er manche Gegenstände an. Dasselbe passiert mit einem aufgeblasenen Luftballon den ihr an einen Wollpullover reibt. Achtung: richtige Schafswolle ist am besten, auch manche Kunstfasern gehen, Baumwolle gar nicht.

Das mit den Blitzen wisst ihr schon. Benjamin Franklin war ein Mensch  mit vielen Begabungen, der im 18. Jahrhundert in Amerika gelebt hat. In dieser Zeit haben sich sehr viele Menschen in Europa und Amerika mit Naturwissenschaften beschäftigt. Es war die Zeit der Aufklärung, und hier wurden ganz viele Entdeckungen gemacht, die unsere Welt heute noch beeinflussen.


Benjamin Franklin war Gelehrter und auch Politiker. Als Forscher beschäftigte er sich mit Blitzen und hat den Blitzableiter erfunden. Denn früher sind viele Gebäude aus Holz bei starken Gewittern verbrannt.
Ab 1850, also der MItte des 19. Jahrhunderts, wusste man genug über Elektrizität, dass man es für Licht und Maschinen verwenden konnte. Mehr dazu unten.

Was genau ist elektrischer Strom?

Weil man die Elektrizität nicht sieht, ist sie schwierig zu erklären. Heute weiß man, dass es sich um winzig kleine Teile handelt, kleiner noch als Atome. Sie haben eine bestimmte elektrische Ladung. Diese Ladung gibt es in zwei Arten: positiv oder negativ. Sie sorgt dafür, dass die Teilchen sich gegenseitig abstoßen, wenn sie beide positiv oder beide negativ geladen sind. Sie können sich auch anziehen, wenn eins positiv und eins negativ geladen ist.

Außerdem werden durch die geladenen Teilchen elektrische Felder erzeugt. Das ist so ähnlich wie bei einem Magnetfeld. Durch die elektrischen Felder wirken Kräfte auf geladene Teilchen. In Elektrokabeln aus Kupfer können sich solche Teilchen, die Elektronen, frei bewegen. Wenn die Elektronen sich dann in eine Richtung durch das Kabel bewegen, dann fließt ein Strom. Sie strömen durch das Kabel so wie Wasser durch ein Flussbett strömt.

Strom speichern? Batterien !

Lange Zeit war es sehr schwierig, die Kraft des Stroms aufzuheben und zu speichern. Das gelang erst mit der ERfindung der Batterie. Es gibt verschiedene Arten von Batterien. Aber alle sind zu schwach, um einem einen Stromstoß zu versetzen.

Es gibt sogar noch eine Batterie, die sehr alt ist, und in den 30er Jahren bei Ausgrabungen im Irak gefunden wurde. Die Bagdad-Batterie:

Strom und Informationen

Die Menschen fanden auch schnell heraus, dass man mit Strom Informationen übertragen kann. Zuerst gab es das Morsegerät, dann das Telefon, dann Radio und Fersnehen, heute per Computer oder Handy und natürlich besonders toll, über das Internet.

Wie stellen wir elektrischen Strom her?

Die beste Form, elektrischen Strom herzustellen ist über Solarzellen. Entweder bei Euch auf dem Dach oder in grossen Solarkraftwerken. In ihren Panels entsteht Strom direkt aus der Sonnenenergie. Diese Form der Energiegewinnung belastet die Umwelt am wenigsten. Sehr sauber sind auch Wasserkraftwerke.

Kraftwerke und Generatoren

Ausserdem entsteht Strom seit gut 150 Jahren, indem eine andere Energie verwandelt wird. Die Maschine die das macht, heisst Generator. Er erzeugt also Strom. Das lateinische Wort dafür heisst generieren. Er ist also ein Erzeuger.
Es gibt verschiedene Methoden, einen Generator anzutreiben: In einem Atomkraftwerk oder in einem Kohlekraftwerk entsteht Wasserdampf, der eine Turbine antreibt. Auch mit Gas kann man eine Turbine antreiben, das funktioniert wie ein Triebwerk bei einem Flugzeug. Es gibt auch Wasserturbinen in Flüssen oder mit Stauseen. Am modernsten sind die Windturbinen. Alle sind mit einem Generator verbunden, der Strom herstellt.

Ihr kennt sie von Euren Fahrrädern, um Licht zu machen. Dort nennt man sie Dynamo. Im Innern befindet sich ein Magnet. Dieser wird in eine Drehung versetzt und versetzt dadurch die Elektronen in einer Kupferspule in Bewegung. Die mechanische Energie wird in elektrische Energie umgewandelt.

Elektromotoren

Beim Elektromotor wird das ganz umgedreht. Aus Strom wird Bewegung. Der Strom fliesst und bringt etwas zum Drehen.

Transformatoren –  Verwandler

Alle Kraftwerke produzieren eine sehr hohe Spannung. Damit man den Strom verwenden kann, muss man die hohe Spannung umwandeln, also verringern. Dazu braucht es einen Transformator, einen „Umwandler“. Riesige Transformatorenstationen verringern die Spannung zuerst auf 230 Volt und danach erst wird der elektrische Strom in die Häuser geleitet. Viele Geräte haben zusätzlich einen Transformator eingebaut oder am Stecker, wie beispielsweise Telefone, Staubsauger oder Toaster.

Rechnen mit Strom ? – Watt, Ampère und Volt

Jetzt wird es etwas komplizierter, aber eigentlich auch ganz spannend. Denn wir schauen uns den Strom mal so an, dass wir damit auch rechnen können.
Die Leistung eines Geräts hängt von der Stromstärke und von der Spannung ab. Man misst sie in der Maßeinheit Watt. Die heisst so nach James Watt, dem Erfinder der Dampfmaschine. Dies ist heute auf allen Geräten angeschrieben: Je mehr Watt, desto kräftiger ist der Haartrockner, oder desto lauter ist der Lautsprecher oder ein anderes Gerät.

Wenn man elektrischen Strom messen will, gibt es viele Möglichkeiten. Die Menge der Elektronen, die in einer bestimmten Zeit durch ein Kabel fließt misst man in der Maßeinheit Ampère (sprich: Ampähr). Das hatte schon der französische Naturwissenschaftler André-Marie Ampère, ein Forscher aus Frankreich hat sich auch viel mit Elektrizität beschäftigt.
Diese Stromstärke entspricht im Vergleich der Menge des fließenden Wassers. Die Stärke des „Antriebs“ des Stromes nennt man Spannung. Sie entspricht beim Fluss dem Gefälle, also wie steil der Abschnitt ist. Man misst sie in der Maßeinheit Volt. Die heisst nach dem italienischen Wissenschaftler Alessandro Volta.

Eine normale Batterie hat höchstens 9 Volt, eine Autobatterie 12 oder 24 Volt. Unsere Steckdosen haben 230 Volt. Das ist so viel, dass das Anfassen lebensgefährlich ist.

Lustige Experimente mit Elektrizität

Hier erfahrt ihr, wie ihr aus einer Zitrone eine Batterie bauen könnt.

Ihr könnt auch elektrostatisch aufladen. Wenn ihr Euch an bestimmten Materialien reibt, stellen sich manchmal Eure Haare auf. MIt einem Luftballon kann man das toll zeigen. Und in diesem Video bekommt ihr noch viele andere Sachen erklärt. Vielleicht könnt ihr das auch Euren Eltern zeigen.


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