Elektrizität und elektrische Energie
Beschreibung Elektrizität und elektrische Energie
Elektrische Energie
Hast du dich schon einmal gefragt, warum eine Glühlampe leuchtet? Der Grund dafür ist die elektrische Energie. Stell dir einen Stromkreis vor, in dem eine Batterie, eine Glühlampe und ein Schalter mit Kabeln miteinander verbunden sind. Man nennt so etwas einen elektrischen Schaltkreis. Wenn man einen solchen Schaltkreis zeichnet, benutzt man zur Vereinfachung bestimmte Zeichen für die Objekte, die sogenannten Schaltzeichen. Das Bild nennt man dann einen Schaltplan.
Wenn du dir das Symbol für den Schalter genauer ansiehst, kannst du schon etwas über die elektrische Energie lernen. Der Schalter steht auf eingeschaltet, wenn er geschlossen ist. Dann leuchtet auch die Glühbirne. Wenn der Schalter offen ist, leuchtet sie nicht. Wir können also schon aufschreiben:
Eine Lampe leuchtet nur in einem geschlossenen Stromkreis!
Das legt nahe, dass in einem geschlossenen Stromkreis etwas fließt. Das sind die elektrischen Ladungen. Den Fluss der Ladungen nennen wir den elektrischen Strom. Er hat das Formelzeichen $I$. Man spricht auch von Elektrizität.
Stell dir vor, wir würden zwar den Schalter schließen, aber die Batterie aus dem Stromkreis entfernen. Auch dann würde die Lampe nicht leuchten. Die Batterie muss also etwas mit dem Strom zu tun haben. Sie ist der Antrieb des Stroms. Sie ist ein Energiespeicher und gibt elektrische Energie ab, um den Strom anzutreiben. Das funktioniert so lange, bis die Batterie leer ist, also ihre Energiespeicher aufgebraucht sind.
Was ist elektrische Energie?
Die elektrische Energie hat das Formelzeichen $E$, wie die meisten Energieformen, und hat auch die Einheit Joule. Als elektrische Energie bezeichnet man per Definition Energie, die durch Elektrizität übertragen oder in elektrischen Feldern gespeichert wird.
Wenn der Schalter geschlossen und die Batterie voll ist, fließt also elektrischer Strom von einem zum anderen Pol der Batterie und sorgt dabei dafür, dass die Lampe leuchtet. Die Glühlampe leuchtet, weil sie elektrische Energie in Lichtenergie und Wärme umwandelt. Es ist wichtig, dass du das Wort umwandeln und nicht verbrauchen benutzt. Elektrische Energie kann man nämliche in andere Energieformen umwandeln, aber nicht verbrauchen, genauso wie jede andere Energieform.
Die Polung der Batterie bestimmt auch, in welche Richtung der Strom fließt. Der physikalische Strom fließt immer vom Minus- zum Pluspol. (Es gibt auch noch die technische Stromrichtung, die vom Plus- zum Minuspol zeigt.) Bei manchen Bauteilen hat diese Richtung auch einen Einfluss darauf, ob und wie sie funktionieren. Sobald der Schalter geöffnet wird, fließt kein Strom mehr. Der Strom fließt also entweder überall oder nirgends im Stromkreis. Aber ist er auch überall gleich groß?
Schauen wir uns an, was passiert, wenn wir zwei exakt gleiche Glühlampen hintereinander in den Stromkreis schalten.
Bei geschlossenem Schalter leuchten beide Lampen gleich hell, aber etwas dunkler, als wenn nur eine Lampe im Stromkreis ist. Durch beide Lampen fließt also der gleiche Strom. (Wieso sie trotzdem etwas dunkler leuchten, lernst du in der Videoreihe zum Thema elektrische Spannung.)
Dieses Video
In diesem Video erfährst du, was elektrische Energie ist und wie sie mit dem elektrischen Strom zusammenhängt. In den folgenden Videos wirst du lernen, wie man elektrische Energie berechnen kann und wie elektrische Energie und Leistung zusammenhängen.
Transkript Elektrizität und elektrische Energie
Du kannst dir sicher denken, was passiert, wenn man einen Schalter betätigt. Irgendein elektrisches Gerät oder eine Lampe wird damit eingeschaltet. Hast du dir schon einmal Gedanken darüber gemacht, warum all diese Geräte funktionieren? Verantwortlich dafür sind Elektrizität und elektrische Energie und genau das ist heute unser Thema.
Die Vielfalt der elektrischen Energie
Dieses Thema teilen wir in mehrere Bereiche auf. Zunächst lernst du etwas über einfache Schaltkreise und ihre Elemente. Dann schauen wir uns die Batterie als Antrieb in diesem Stromkreis an. Wird die Batterie angeschlossen so startet die Übertragung der elektrischen Energie. Dabei wirst du lernen, dass Energie nicht verbraucht sondern umgewandelt wird. Und du erfährst, welchen Einfluss die Polungeiner Batterie hat.
Der Stromkreis einer Batterie
Beginnen wir zunächst mit einem ganz einfachen Schaltkreis und den Elementen. Das siehst du die Schaltsymbole einer Batterie, einer Lampe und eines Schalters. Wenn du nun die einzelnen Schaltelemente mit Kabeln verbindest, dann schließt sich der Stromkreis und die Lampe leuchtet.
Hier hast du den Vergleich, wie es mit den richtigen Bauteilen aussieht. Wie du siehst funktioniert unsere Schaltung - die Lampe leuchtet! Ist der Stromkreis jedoch geöffnet, dann leuchtet die Lampe nicht. Die Lampe leuchtet nur in einem geschlossenen Stromkreis. Das legt die Vermutung nahe, dass hier etwas fließen muss und nur dann fließen kann, wenn der Kreis komplett geschlossen ist.
Das, was hier fließt nennen wir Elektrizität. Und den Fluss von Elektrizität nennen wir elektrischen Strom.
Die Batterie als Energiespeicher
Doch was setzt diesen Fluss in Gang? Hier kommt die Batterie ins Spiel. Ein Stromkreis funktioniert nicht ohne eine Energiequelle. Wir können davon ausgehen, dass die Batterie hier als Antrieb wirkt. Im physikalischen Verständnis ist die Batterie ein Energiespeicher. Sie gibt diese Energie ab und ermöglicht so einen elektrischen Strom. Dann fließt die Elektrizität und die elektrische Energie wird übertragen.
Schauen wir uns nun an, wie das genau geschieht. Wir beschäftigen uns also mit der Übertragung von elektrischer Energie. Die Energie wird im geschlossenen Stromkreis transportiert. Wie du hier sehen kannst, wird die Energie von der einen Seite der Batterie durch die Kabel, den Schalter und die Lampe zur anderen Seite der Batterie transportiert. Es fließt ein elektrischer Strom.
Wird der Stromkreis unterbrochen, so stoppt der Energiefluss sofort und die Lampe erlischt. Du siehst also, dass die Energie entweder überall fließt oder gar nicht.
Messgrößen des elektrischen Stroms
Nun stellt sich noch die Frage, ob dieser elektrische Strom überall gleichgroß ist. Das überprüfen wir einmal mit mehreren Lampen. In diesem Schaltkreis sind zwei gleiche Lampen in einer Reihe hintereinander geschaltet. Schließen wir jetzt den Schalter, dann sehen wir, dass beide Lampen gleich hell leuchten. Der elektrische Strom ist also durch beide Lampen gleich groß.
Wie du siehst, wird also in einer Lampe nicht wirklich etwas verbraucht. Wäre es so, dann müsste die zweite Lampe ja weniger hell leuchten. Das tut sie aber nicht. In unsere Sprache haben sich nämlich leider ein paar falsche Begriffe eingeschlichen. Die elektrische Energie wird nicht verbraucht, sondern umgewandelt. Bei einer Lampe wird elektrische Energie in Licht- und Wärmeenergie umgewandelt.
Licht- und Wärmeenergie in Glühlampen
Und da wir gerade dabei sind: Hast du schon einmal gesehen, dass irgendwo mit Birnen Licht erzeugt wird? Natürlich nicht! Denn dazu nutzt man Lampen. Deshalb heißt das Bauteil auch Glühlampe und nicht Glühbirne. Glühbirne ist ein umgangsprachlicher Begriff. Und eine Glühlampe brennt auch nicht, sondern eine Glühlampe leuchtet. Wenn eine Glühlampe wirklich brennt, dann nur, wenn sie durchbrennt. Und dann ist sie kaputt.
Die Polung einer Batterie
Zum Abschluss werfen wir noch einmal einen Blick auf die Polung einer Batterie. Wie du ja weißt, hat eine Batterie einen Plus- und einen Minuspol. Für den Betrieb einer Lampe ist es egal, wie herum die Batterie eingesetzt wird.
Doch was ist, wenn wir so einen Elektomotor betreiben wollen? In dieser Stellung dreht sich der Motor linksherum. Tauschen wir jedoch die Polung der Batterie, so ändert sich auch die Drehrichtung des Motors. Die Polung der Batterie entscheidet also darüber, in welche Richtung die Elektrizität fließt.
Elektrizität und elektrische Energie Übung
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Ordne den Bauteilen einer elektrischen Schaltung ihr Schaltzeichen zu.
TippsBeginne mit den Schaltzeichen, an die du dich noch erinnerst.
Die Bedeutung einiger Schaltzeichen kann man erkennen, da es sich um die schematische Darstellung des Bauteils handelt.
LösungDie Schaltzeichen symbolisieren jeweils ein bestimmtes elektrisches Bauteil. Sieh dir das Schaltzeichen genau an, dann erkennst du sicherlich, warum es für das Bauteil gewählt wurde.
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Definiere den Begriff Strom.
TippsWähle nur die Aussagen aus, die den Strom betreffen.
LösungJeder Begriff in der Physik ist auf eine bestimmte Art und Weise definiert. In dieser Aufgabe geht es um den Strom. Er beschreibt den Fluss von Elektrizität oder genauer gesagt den Fluss von elektrischen Ladungen in einem geschlossenen Stromkreis.
Ladungen können nur fließen, wenn es auch eine Energiequelle gibt. Diese wird auch Spannungsquelle genannt. Den Spannungswert kannst du an einer Batterie ablesen. Viele Batterien haben beispielsweise einen Spannungswert von 1,5 V. Ohne Spannung gäbe es auch keinen Strom in unserem Stromkreis. Andersherum gibt es an der Batterie zwischen Plus- und Minuspol aber auch dann eine Spannung, wenn sie nicht in einem geschlossenen Stromkreis eingebaut ist.
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Gib an, ob ein elektrischer Strom fließt.
TippsBeginne an einem Pol des Energiespeichers und versuche den Weg des Elektrizitätsflusses nachzuvollziehen.
Es ist nicht verlangt, dass die Lampe leuchtet.
LösungDamit ein Strom fließen kann, müssen die beiden Pole der Spannungsquelle (Batterie) miteinander verbunden werden. Dies ist hier bei zwei Schaltkreisen der Fall. Um herauszufinden in welchem, beginnst du am besten an einem Pol der Spannungsquelle und versuchst, den Weg des Elektrizitätsflusses nachzuvollziehen.
Vorsicht! Im ersten Schaltkreis siehst du einen sehr gefährlichen Zustand. Hier sind beide Pole der Batterie direkt mit einem Draht verbunden, ohne, dass dazwischen ein Verbraucher, wie Lampe oder Motor, geschaltet ist. Dies ist sehr gefährlich, weil dadurch ein sehr großer Strom fließt und die Batterie schnell überhitzen oder sogar explodieren kann.
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Beschreibe die Funktionsweise eines Wasserkochers.
TippsEs gibt viele Begriffe, die wir so selbstverständlich benutzen, dass uns gar nicht auffällt, dass sie physikalisch falsch sind.
LösungEines der Grundgesetze der Physik ist die Energieerhaltung, die besagt, dass Energie unter keinen Umständen verloren geht oder verbraucht wird, sondern immer nur von einer Form in eine andere umgewandelt wird.
Im Fall des Wasserkochers wird elektrische Energie hauptsächlich in Wärmeenergie umgewandelt.
Bei einer Glühlampe wird elektrische Energie in Licht und Wärmeenergie umgewandelt. Umso effizienter eine Glühlampe ist, umso mehr Licht und weniger Wärme wird erzeugt.
Es ist zwar sehr gebräuchlich, die Glühlampe aufgrund ihrer Form Glühbirne zu nennen, der korrekte Begriff jedoch ist Glühlampe.
Auch wenn der Unterschied sehr klein und unwesentlich sein mag, ist es wichtig, im Alltag aufzupassen. Es gibt sehr häufig Begrifflichkeiten, die umgangssprachlich ganz anders als in der Physik verwendet werden. Sei also wachsam!
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Stelle umgangssprachliche und physikalische Begriffe gegenüber.
TippsEs gibt viele Begriffe, die wir so selbstverständlich benutzen, dass uns gar nicht auffällt, dass sie physikalisch falsch sind.
LösungWenn eine Glühbirne brennt, fängt der Physiker an, sich Sorgen zu machen. Das bedeutet nämlich nicht, dass die Glühlampe leuchtet, sondern, dass sie Feuer gefangen hat und gerade zerstört wird.
Eines der wichtigsten Grundgesetze der Physik ist die Energieerhaltung, die besagt, dass Energie unter keinen Umständen verloren geht oder verbraucht wird, sondern immer nur von einer Form in eine andere umgewandelt wird.
Diesem Grundgesetz wirst du auch in deiner Schullaufbahn noch oft begegnen.
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Gib an, ob und in welche Richtung sich der Motor dreht. Beziehe dich dabei auf den Schaltkreis in der Mitte.
TippsAchte auf die Polung der Batterie.
Hast du schon mal Batterien in ein Gerät eingesetzt, das mehrere Batterien benötigt?
LösungDie Drehrichtung eines Motors wird von der Polung der Energiequelle beeinflusst. Drehen wir die Batterie um, ändert sich auch die Drehrichtung.
Dabei ist es jedoch egal, an welcher Stelle im Stromkreis sich die Batterie befindet, du musst nur darauf achten, dass der Pluspol mit dem oberen Teil des Motors oder mit dem unteren Teil des Motors verbunden ist.
Interessant ist, was passiert, wenn man mehrere Batterien verbindet. Möglicherweise hast du beim Einsetzen von Batterien in ein Gerät schon mal bemerkt, dass das Gerät nicht einzuschalten ist, wenn zwei Batterien sich mit ihren Pluspolen oder mit den Minuspolen berühren.
Stattdessen werden Batterien oft so verbunden, dass der Pluspol der einen Batterie den Minuspol der anderen Batterie berührt. Diese Verbindung nennt man Reihenschaltung. Der Vorteil ist bei dieser Schaltung, dass sich die Spannungen der einzelnen Batterien addieren und sich somit auch der Energiefluss erhöht. In unserem einfachen Schaltkreis würde sich die Turbine dadurch schneller drehen.
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20 Kommentare
Mir hilft es sehr gut, wie immer!
joa ist ok
:)
Joa...
:(:):(:(:):(:)