Elektrische Leiter und Nichtleiter

Elektrische Leiter und Nichtleiter Übung

• Beschreibe die elektrische Leitfähigkeit.

  Tipps

  Es gibt drei richtige Antworten.

  Das Metall Silber hat die größte elektrische Leitfähigkeit.

  Lösung

  Leitfähigkeit bezieht sich auf die Fähigkeit eines Materials, elektrischen Strom oder Wärme zu leiten. In Bezug auf Elektrizität hängt die Leitfähigkeit von der Anzahl und Beweglichkeit der freien Ladungsträger im Material ab. Metalle sind typischerweise gute elektrische Leiter, da sie freie Elektronen enthalten, die sich leicht bewegen können. Auf der anderen Seite sind Isolatoren wie Gummi oder Kunststoffe schlechte Leiter, da sie wenige bis gar keine freien Ladungsträger haben.

  
  

  Folgende Aussagen über die elektrische Leitfähigkeit waren zu beurteilen:

  
  

  • Es handelt sich um eine Stoffeigenschaft.

  $\Rightarrow$ Diese Antwort ist richtig: Neben Farbe, Form, Dichte sowie Siede- und Schmelztemperatur ist auch die elektrische Leitfähigkeit eine Stoffeigenschaft.

  
  

  • Sie beschreibt die Eigenschaft eines Materials, elektrischen Strom zu leiten.

  $\Rightarrow$ Diese Antwort ist richtig: Es gibt eine ganze Reihe elektrisch leitfähiger Stoffe und die allermeisten davon sind Metalle.

  
  

  • Sie gibt an, ob ein Material Wärme leiten kann.

  $\Rightarrow$ Diese Antwort ist falsch.

  
  

  • Die elektrische Leitfähigkeit ist eine Eigenschaft aller Metalle.

  $\Rightarrow$ Diese Antwort ist richtig: Kupfer ist der zweitbeste Leiter nach Silber. Deshalb wird in den meisten Stromkabeln Kupfer verwendet, denn Silber wäre viel zu teuer für so eine Massenware.

• Zeige auf, unter welchen Umständen elektrischer Strom geleitet wird und die Glühbirne somit leuchtet.

  Tipps

  Wenn Kochsalz $\ce{(NaCl)}$ in Wasser gegeben wird, dann entstehen $\ce{Na^+}$-Ionen und $\ce{Cl^-}$-Ionen.

  Ionen sind Ladungsträger und können zur elektrischen Leitfähigkeit beitragen.

  Lösung

  Auch Wasser leitet Strom – allerdings nur unter bestimmten Voraussetzungen. Das lässt sich durch ein Experiment zeigen, mit dem die Leitfähigkeit von Wasser bestimmt werden kann.

  Mach das Experiment bitte nicht ohne Aufsicht nach!

  Eine Batterie, ein paar Kabel, ein Lämpchen und ein Becher Wasser werden zu einem kleinen Stromkreis zusammengesetzt, der über das Wasser geschlossen wird.
  Folgende Ergebnisse sind zu erwarten:

  • Mit reinem Wasser leuchtet das Lämpchen nicht, es wird kein Strom geleitet. Das liegt daran, dass sich keine Ionen im Wasser befinden, die den Strom leiten können.
  • Auch wenn Zucker in das Wasser gegeben wird, verändert sich die Leitfähigkeit nicht. Denn Zucker enthält keine Ionen.
  • Wird anstelle von Zucker jedoch etwas Salz in das Wasser getan, fängt die Lampe an zu leuchten. Das bedeutet, dass der Strom fließt. Das ist auf die enthaltenen Ionen im Salz zurückzuführen. Diese Ionen erhöhen die Anzahl der Ladungsträger im Wasser drastisch. Dadurch entsteht eine erhöhte Leitfähigkeit, da die freien geladenen Teilchen den elektrischen Strom tragen können.

  $\Rightarrow$ Je mehr Salz in das Wasser gestreut wird, umso heller leuchtet die Lampe: je mehr Ionen im Wasser, desto besser die elektrische Leitfähigkeit.

• Vergleiche elektrische Leiter und Isolatoren.

  Tipps

  Jeder Kategorie werden vier Stoffe zugeordnet.

  Alle Metalle sind elektrische Leiter.

  Glas und Kunststoff leiten keinen elektrischen Strom.

  Lösung

  Die elektrische Leitfähigkeit ist eine Stoffeigenschaft. Sie beschreibt die Fähigkeit eines Materials, elektrischen Strom zu leiten. Neben elektrischen Leitern gibt es auch Nichtleiter. Man nennt sie außerdem Isolatoren, da sie elektrischen Strom nicht leiten. Im Gegenteil: Sie schirmen leitfähige Teile von elektrischen Geräten und Kabeln ab.

  
  

  Alle Metalle sind elektrische Leiter, zum Beispiel:

  • Aluminium
  • Silber
  • Kupfer

  Aber auch das Material, aus dem Bleistiftminen bestehen, ist ein elektrischer Leiter:

  • Graphit

  
  

  Typische Vertreter für Isolatoren (Nichtleiter) sind:

  • Glas
  • Holz
  • Plastik
  • Gummi

• Erkläre die elektrische Leitfähigkeit genauer.

  Tipps

  Nichtleiter werden auch Isolatoren genannt.

  Ionen sorgen dafür, dass elektrischer Strom geleitet wird.

  Lösung

  Neben elektrischen Leitern gibt es auch Nichtleiter. Durch solche Stoffe werden die leitfähigen Teile von elektrischen Geräten und Kabeln isoliert. Wären die Stromkabel nicht, beispielsweise von Gummi, ummantelt, würdest du jedes Mal einen Stromschlag bekommen, wenn du dir die Haare föhnen oder das Handy laden möchtest.

  Unser Körper besteht mindestens zu 50 Prozent aus Wasser. Das Wasser in unserem Körper enthält Salz. Dies wiederum besteht aus Ionen. Das sorgt dafür, dass elektrischer Strom geleitet werden kann. Diese Eigenschaft wird bei der Elektrotherapie genutzt, mit der Schmerzen gelindert und/oder die Durchblutung gefördert werden können.

• Stelle das Experiment zur elektrischen Leitfähigkeit von Wasser dar.

  Tipps

  Zuerst setzen wir mit der Batterie, ein paar Kabeln, einem Lämpchen und einem Becher Wasser einen Stromkreis zusammen.

  Erst wenn wir etwas Salz in den Becher streuen, fängt die Lampe an zu leuchten.

  Lösung

  Auch Wasser leitet Strom – allerdings nur unter bestimmten Voraussetzungen. Das lässt sich durch ein Experiment zeigen, mit dem die Leitfähigkeit von Wasser bestimmt werden kann.

  1. Man nehme eine Batterie, ein paar Kabel, ein kleines Lämpchen und einen Becher Wasser.

  2. Die oben genannten Materialien werden zu einem kleinen Stromkreis zusammengesetzt, der über das Wasser geschlossen wird (einfach die freien Kabelenden in den Becher hängen).

  3. Aber zunächst leuchtet das Lämpchen nicht, es fließt also kein Strom. Das liegt daran, dass es sich um reines Wasser handelt. Darin sind keine Ionen enthalten.

  4. Durch Zugabe von Salz fängt die Lampe an zu leuchten. Je mehr Salz in das Wasser gestreut wird, umso heller leuchtet die Lampe: je mehr Ionen im Wasser, desto besser die elektrische Leitfähigkeit.

• Begründe, wieso Vögel auf Hochspannungsleitungen im Gegensatz zu Gleitschirmfliegern vergleichsweise sicher sind.

  Tipps

  Strom kann nur dann fließen, wenn es sich um einen geschlossenen Stromkreis handelt.

  Die Masse der Vögel spielt keine Rolle.

  Lösung

  Die Sicherheit von Lebewesen in der Nähe von Hochspannungsleitungen wirft die Frage auf, warum Vögel vergleichsweise sicher auf diesen Leitungen landen können, während Gleitschirmflieger einem höheren Risiko ausgesetzt sind. Diese Diskrepanz könnte durch verschiedene Faktoren erklärt werden, die mit den Eigenschaften der Vögel und den Bedingungen des Gleitschirmfliegens in der Nähe von Hochspannungsleitungen zusammenhängen.

  
  

  Von den aufgelisteten Begründungen, wieso Vögel auf Hochspannungsleitungen im Gegensatz zu Gleitschirmfliegern vergleichsweise sicher sind, stimmt nur eine:

  
  

  • Vögel haben isolierende Federn, die sie vor Stromschlägen schützen, während Gleitschirmflieger keine vergleichbare Isolation besitzen.

  $\Rightarrow$ Diese Antwort ist falsch.

  
  

  • Vögel sind aufgrund ihrer geringen Masse weniger anfällig für elektrische Spannung als Gleitschirmflieger.

  $\Rightarrow$ Diese Antwort ist falsch.

  
  

  • Vögel haben eine spezielle sensorische Fähigkeit, die es ihnen ermöglicht, elektrische Felder zu spüren und ihnen auszuweichen, während Gleitschirmflieger diese Fähigkeit nicht besitzen.

  $\Rightarrow$ Diese Antwort ist falsch.

  
  

  • Vögel berühren nicht gleichzeitig zwei Leitungen mit unterschiedlichen Spannungen, während Gleitschirmflieger durch ihre Ausrüstung einen Stromkreis schließen könnten.

  $\Rightarrow$ Diese Antwort ist richtig.