Physik Klasse 5
In diesem Beitrag erkläre ich, wie durch Elektrizität Wärme entsteht und wovon die Wärmewirkung abhängt. Dazu stelle ich mehrere Versuche vor, die Schüler leicht durchführen können. Am Ende gebe ich einen kurzen Überblick über die Entwicklung der Glühbirne.
Wärme durch Strom
Schülerversuch:
Als erstes schalten wir einen Eisen- und einen Kupferdraht in Reihe. Darüber hängen wir ein Papierfähnchen.
Dann beobachten wir: Was geschieht mit den beiden Drähten?
Merke:
Drähte, die von Elektrizität durchflossen werden, verwandeln elektrische Energie in Wärme.
Wir nennen das die Wärmewirkung des elektrischen Stroms.
Wie viel Wärme in einem Draht erzeugt wird, hängt ab von:
– der Stärke des Stromes
– dem Material des Drahtes
– die Länge und Dicke des Drahtes.
Schülerversuch:
Wir heizen einen Draht aus Konstantan mit Strom auf.
Ebenso ein Drahtwendel aus Konstantan.
Beobachtung:
Der Draht glüht und sendet dabei schwaches Licht aus.
Wenn wir den Draht zu einer Drahtwendel wickeln, dann erwärmt er sich bei gleicher Stromstärke mehr und das Leuchten wird stärker.
Wie entsteht durch Elektrizität Wärme?
Die Spannungsquelle treibt die Elektronen durch den Draht. Dabei zwängen sich die Elektronen zwischen den Atomen hindurch. Sie „reiben und stoßen“ an ihnen vorbei. Dadurch entsteht Wärme im Draht.
Viel Strom heißt:
Viele Elektronen, viel Reibung viel Wärme.
Dünner Draht heißt:
Viel Widerstand durch den Draht, viel Reibung, viel Wärme.
Schülerversuch:
Wir zeigen die Temperaturreglung mit einem Bimetallstreifen.
Der Strom fließt zuerst durch den Bimetallstreifen und dann durch den Heizdraht. Der Heizdraht wird warm und erwärmt dabei das Bimetall. Bei einer bestimmten Temperatur unterbricht das Bimetall den Stromkreis. Heizdraht und Bimetall kühlen sich ab. Der Bimetallstreifen schließt erneut den Stromkreis. Heizdraht und Bimetall werden wieder aufgeheizt und das Spiel beginnt von vorn.
Durch Ein- und Ausschalten der Heizung hält diese Konstruktion eine bestimmte Temperatur konstant. Das ist eine Temperaturreglung. Eine solche Regelung findet man z.B. in einem Bügeleisen.
Schülerversuch:
Wir bauen einen Tauchsiedermodells aus Draht.
Licht durch Strom
Schülerversuch:
Wir regeln eine Glühlampe mit einemTrafo unterschiedlich hell.
Schülerversuch:
Wir brechen eine Glühlampe vorsichtig auf und bauen ein Modell der Drahtwendel.
Aus der Geschichte der Beleuchtung
Licht entsteht, wenn ein Draht sehr heiß wird (über 15000C). In Glühlampen erhitzt der Strom einen dünnen Draht so stark, dass er außer Wärme auch Licht abgibt. Der Glühdraht brennt nicht durch, weil der Glaskolben keine Luft enthält. Statt dessen ist er mit einem Schutzgas gefüllt. (z.B. Krypton). Es hat lange gedauert, bis dies erfunden wurde.
Die Suche nach einer Glühlampe
Bereits viele Techniker und Physiker hatten versucht, ein elektrisches Glühlicht zu entwickeln. So pumpte der Deutsch-Amerikaner Goebel Parfümfläschchen luftleer und brachte in ihnen einen verkohlten Faden mit Hilfe des elektrischen Stromes zur hellen Glut. Aber seine Erfindung brannte nicht lange. Somit war es noch keinem gelungen, Lampen mit ausreichender Leuchtkraft und Brenndauer zu konstruieren. Es fehlte der geeignete Glühfaden, der der hohen Temperatur über eine längere Zeit hinweg standhielt.
Erfinder der Glühlampe Thomas Alva Edison 1879
Thomas Edison experimentierte monatelang mit verschiedenen Fäden. Dafür benutzte er Metall, Pflanzenfaseren, sogar Tier- und Menschenhaare. Erst nach über einem Jahr leutete im seinem Labor eine „Kohlefadenlampe“ über 40 Stunden lang. Das war im Jahre 1879.
Von der Glühbirne zur LED
Bereits um die Jahrhundertwende wurden der Kohlefaden durch Metallfäden ersetzt. In der modernen Glühbirne brannte jahrzentelang ein Faden aus Wolfram. Dieses Metall schmilzt erst bei sehr hohen Temperaturen. Damit konnte die Glühlampe eintausend Stunden lang brennen.
Allerdings wird bei der Glühbirne der größte Teil der Energie in Wärme umgewandelt. Deshalb wurden Energiesparlampen entwicket. Sie verbrauchen viel weniger Energie, dafür wird umso mehr bei ihrer Herstellung verbraucht. Außerdem enthalten sie hochgiftiges Quecksilber.
Seit Ende der 1990erJahre wurde die LED (light-emitting diode) entwickelt. Heutzutage findet man sie nicht nur in Fahrrad- und Autolampen, sondern auch in jeder anderen Anwendung.
Hier finden Sie eine Übersicht über weitere Beiträge zum Thema Elektrizität und Wärme darin auch Links zu Aufgaben.