Elektrischer Strom – Wirkungen
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Beim elektrischen Strom können wir zwischen fünf verschiedenen Wirkungen unterscheiden.
- Wärmewirkung
- magnetische Wirkung
- Leuchtwirkung
- physiologische Wirkung (Wirkungen auf und in unserem Körper)
- chemische Wirkung
Diese fünf Wirkungen können einzeln, aber auch gemeinsam auftreten.
zu 1. Wärmewirkung
Wenn Strom durch einen Leiter fließt, dann erwärmt sich dieser. Je größer der Strom, desto wärmer wird der Leiter. Mit einem Aufbau, wie in ►Bild 01 können wir das schnell erkennen.
Je größer der Strom, desto heißer wird der Draht.
Bei Elektroinstallationen muss darauf geachtet werden, dass der Strom, der durch einen Draht fließt, durch eine Sicherung so begrenzt wird, dass es nicht zu Bränden kommen kann.
Wenn der Strom zu groß wird, dann beginnt der Draht zu glühen. Das Papierfähnchen auf dem Draht beginnt zu brennen.
Warum erwärmt sich der Leiter?
Wenn ein elektrischer Strom fließt, dann bewegen sich die Elektronen vom Minuspol zum Pluspol der elektrischen Quelle. (physikalische Stromrichtung)
Dabei stoßen die Elektronen mit den Atomen des Leiters zusammen. Durch diese Reibung entsteht Wärme.
- Je schneller die Elektronen fließen, desto mehr Wärme entsteht. (bei gleicher Anzahl der Elektronen)
- Je mehr Elektronen fließen, desto mehr Wärme entsteht. (bei gleicher Geschwindigkeit der Elektronen)
Wir können die Erwärmung des Leiters makroskopisch und mikroskopisch erklären.
Makroskopische Erklärung
Wenn die Elektronen mit den Atomen des Leiters zusammenstoßen, dann reiben sie sich an ihnen. Bei Reibung entsteht Wärme. Du kannst das z.B. beobachten, wenn du deine Handflächen aneinander reibst.
Bei der Reibung wird Bewegungsenergie in Wärmeenergie umgewandelt.
Mikroskopische Erklärung
Wenn die Elektronen mit den Atomen des Leiters zusammenstoßen, dann geben sie einen Teil ihrer Bewegungsenergie an die Atome ab. Die Atome bewegen sich schneller.
Die Temperatur ist ein Maß für die Bewegungsenergie der Teilchen eines Körpers. Je schneller sich die Teilchen bewegen, desto höher ist die Temperatur.
Nutzen und Gefahren der Wärmewirkung
Wir nutzen die Wärmewirkung des elektrischen Stroms z.B. beim Wasserkocher, dem Tauchsieder, der elektrischen Heizung, dem Bügeleisen, dem Lötkolben, …
Die Wärmewirkung birgt aber auch Gefahren. Wenn ein Gerät defekt ist, dann kann es durch eine zu starke Erwärmung zum Brand kommen. Das gilt aber auch für falsch verlegte elektrische Leitungen. Wenn der Draht aus ►Bild 01 unter einem Rieddach oder einer Holzkonstruktion ist, dann kann er diese entzünden. Daher müssen die elektrischen Leitungen zu den angeschlossenen Geräten passen. Die Stromkreise im Haus müssen richtig abgesichert werden. Die Sicherungen dürfen nicht manipuliert werden.
zu 2. Magnetische Wirkung
Bewegte elektrische Ladungen sind von einem Magnetfeld umgeben.
Der dänische Physiker Hans Christian Oersted fand 1820 heraus, dass elektrische Ströme von einem Magnetfeld umgeben sind. Eher zufällig beobachtet er in seiner Vorlesung, wie eine Magnetnadel immer dann die Ausrichtung änderte, wenn ein Strom durch den Leiter floss.
Eine Spule mit Eisenkern wird an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen. Solange kein Strom durch die Spule fließt, ist der Eisenkern nicht magnetisch. Wenn ein Strom durch die Spule fließt, dann wird der Eisenkern magnetisiert. Er wird, wie im Video zu sehen, zu einem sehr starken Magneten.
zu 3. Leuchtwirkung bzw. Licht
Die Lichtwirkung des elektrischen Stroms können wir an der Glühlampe, der Leuchtstoffröhre oder Blitzen erkennen. Dabei können wir zwischen zwei Lichtwirkungen unterscheiden:
- thermischen Leuchten bei Glühlampen und Blitzen
- Lichtwirkung durch Umwandlungen im Atom
thermischen Leuchten
Die Bilder ♦05 bis 07 zeigen ein thermisches Leuchten. Der Glühdraht der Lampe erreicht Temperaturen von bis zu 2500°C. Blitze können Temperaturen von 30.000°C erreichen und die Lava erreicht Temperaturen bis 1200°C.
Lichtwirkung durch Umwandlung in Atomen
Die Lichtwirkung durch Umwandlung in Atomen werden wir im dritten Semester der Oberstufe genauer untersuchen.
Durch Zusammenstöße der Elektronen mit den Atomen eines Gases, können die Atome angeregt werden. Dabei geben die Elektronen einen Teil Ihrer Bewegungsenergie an das Atom ab. Wenn die Atome in den Grundzustand zurückkehren, dann geben sie die Energie in Form von Licht ab. Dieses Phänomen können wir z.B. in Leuchtstoffröhren und Energiesparlampen beobachten.
zu 4. physiologische Wirkung – Wirkung des Stroms auf unseren Körper
Die Signalübertragung in unserem Körper erfolgt über elektrische Impulse. Dabei nutzt unser Körper schwache elektrische Signale um Muskeln und Organe zu steuern. Die Spannungen dabei liegen im Bereich weniger Millivolt (mV).
Wenn unser Körper größeren Spannungen ausgesetzt ist, dann können diese Spannungen das Signalsystem unseres Körpers durcheinanderbringen oder auch nachhaltig beschädigen.
Hohe Spannungen führen dazu, dass unsere Muskeln krampfen. Wenn wir eine Stromleitung mit der flachen Hand anfassen, dann verkrampfen die Muskeln und unsere Hand schließt sich. Die Hand hält jetzt das Kabel fest. Unser Körper ist nicht in der Lage die Hand gegen die äußere Spannung zu öffnen.
Messungen elektrischer Ströme im Körper
Auch wenn die elektrischen Ströme im Körper sehr klein sind, so können sie doch gemessen werden. Bei der Diagnostik von Krankheiten werden z.B. das EKG (Elektrokardiogramm) und das EEG (Elektroenzephalogramm) genutzt.
Äußere Stromreize können aber auch zur Stimulation der Muskeln bei der Physiotherapie oder in Herzschrittmachern genutzt werden.
Elektrischer Strom kann Leben retten
In Notfällen, wie einem Herzversagen können elektrische Ströme aber auch zur Wiederbelebung oder Korrektur abnormer Herzfrequenzen genutzt werden. Dazu dienen auch schon für die erste Hilfe die Defibrillatoren ►xx, die fast überall in öffentlichen Räumen zu finden sind.
Bei der Nutzung des Defibrillators kleben der Ersthelfer und natürlich auch der Profi die Elektroden auf den Körper des Patienten. Über diese Elektroden misst der Defibrillator die Herzfunktion und berechnet die nötigen Impulse. Dann wird dem Patienten über die Elektroden ein gezielter Stromschlag zugeführt, um das Herz zu aktivieren bzw. dessen Rhythmus zu korrigieren.
Das nebenstehende Video von der Johanniter Unfallhilfe e.V. gibt euch eine kurze, 2-minütige Einführung in die Benutzung eines Defibrillators. Ihr werdet sehen, dass man keine Angst vor der Benutzung des Gerätes haben muss. Der Defibrillator spricht sogar mit euch.
Da im Notfall jede Minute zählt, solltet ihr euch die Zeit für das Video nehmen.
zu 5. Chemische Wirkung
siehe Chemie-Unterricht
Mehrere Wirkungen des Stroms gleichzeitig
Bei der Glühlampe können wir einige Wirkungen des Stroms gleichzeitig beobachten.
- Wir erkennen sofort die Lichtwirkung.
- Wenn wir die Lampe anfassen, dann spüren wir die Wärmewirkung. Am Thermometer (rechts im Video) können wir die Temperatur ablesen.
- Wenn wir einen Magneten an die Lampe halten, dann sehen wir, dass der Glühdraht zu „flattern“ beginnt. =>nächstes Video
Eine Kohlefadenlampe wird erst an die Netzspannung (230 V Wechselspannung) angeschlossen. Im zweiten Teil des Videos wird eine Gleichspannung angelegt.
Der Versuch funktioniert theoretisch auch mit einer „herkömmlichen“ Glühlampe. Dort sind die Effekte aber deutlich schwächer zu erkennen.
Wie sind die Beobachtung am Glühdraht zu erklären?
Der elektrische Strom ist von einem Magnetfeld umgeben (vgl. Oersted). Dieses Magnetfeld, das den Glühdraht umgibt, tritt mit dem Magnetfeld des äußeren Magneten in Wechselwirkung.
Wenn an der Lampe eine Gleichspannung anliegt, dann sehen wir, wie der Glühdraht durch die LORENTZ-Kraft abgelenkt wird.
Wenn an der Glühlampe eine Wechselspannung anliegt, dann wechselt die Richtung des Magnetfelds 100-mal pro Sekunde. Das gilt auch für die LORENTZ-Kraft. Der Draht beginnt zu „flattern“.
Der „flatternde“ Glühdraht kommt mit benachbarten Windungen in Kontakt. Dabei verkürzt sich wirksame Länge des Glühdrahts. Der Widerstand sinkt und der Strom steigt.
Hier besteht aber auch die Gefahr, dass der Glühdraht schmilzt.
Neben der beschrieben Verkürzung der wirksamen Länge des Glühdrahts, findet auch zwischen den Bereichen des Kontakts eine Vergrößerung des Querschnitts des Glühdrahts statt.