Naturphänomene im Unterricht am Beispiel des Blitzes Campus Essen Schulorientiertes Experimentieren R. Berger, T. Kersting, E. Lange WS 06 Naturphänomene im Unterricht am Beispiel des Blitzes Didaktische Grundversuche Ourraoui, Ridoin

Begründung des Themas 3-5 Inhalt Begründung des Themas 3-5 Physik des Blitzes 6-16 Experimente 17-32 Probleme 33 Lehrplan / Lernziele 34-35 Literatur 36

Begründung des Themas Elementarisierbar 4 Einheit der Physik 5 Wenig Mathematik 5

Elementarisierbarkeit Von der Physik des Blitzes ist einiges für die Sekundarstufe 1 elementarisierbar. Es muss nicht mit der Atomtheorie sondern mit dem Phänomen der elektrischen Reibung begonnen werden.

Einheit der Physik / wenig Mathematik Blitze sind faszinierend. Dies kann die affektive Komponente des Physikunterrichtes fördern. Bei dem Naturphänomen Blitz sind viele Themengebiete aus der Physik vertreten. Das Thema eignet sich für die Sekundarstufe 1, weil man mit wenig Mathematik auskommt und weil es dazu eine Reihe reizvoller Experimente gibt.

Ladungstrennung in der Wolke 9 Die Physik des Blitzes Einleitung 7-8 Ladungstrennung in der Wolke 9 Leitblitz 10-11 Hauptblitz 12-14 Donner 15-16

Einleitung Blitze sind elektrische Entladungen die zwischen Gebieten unterschiedlicher Raumladung in der Wolke oder zwischen Wolke und der Erdoberfläche stattfinden. Blitze werden in Gewitterwolken beobachtet. Diese bilden sich, wenn feuchte Luft zum Aufsteigen und zur Kondensation gebracht wird. Bei der Kondensation wird Wärme frei, die den weiteren Aufstieg der feuchten Luft unterstützt, so dass sich die Wolke bis zum Oberrand der Troposphäre erstrecken kann. In den mittleren Breiten können Gewitterwolken bis in 13 km Höhe reichen.

In der Atmosphäre existiert permanent ein elektrisches Feld mit einer Feldstärke von etwa 300000V/m zwischen der Erdoberfläche und der Elektrosphäre (ca. 50km). Der Erdboden bildet dabei den negativen Pol. Unter dem Einfluss dieses Feldes fließt ein Strom der Stärke 1000 A vermittelt durch Ionen. Dieser Strom baut das Feld ab, es ist daher ein Ladevorgang notwendig, dieses Aufladen des 'Erdkondensators' wird durch Gewitter besorgt.

Ladungstrennung in der Wolke Durch verschiedene Prozesse innerhalb der Gewitterwolke findet eine Trennung von elektrischen Ladungen statt. Diese Ladungstrennung ist mikroskopischer und makroskopischer Natur. Im Resultat von Kollisionen und anderen Wechselwirkungsprozesse zwischen Eis- und Wasserteilchen sowie durch induktive Prozesse sind kleine Eisteilchen positive geladen während große Niederschlagsteilchen negative Ladungen tragen. Eine großräumige Separation dieser Teilchen erfolgt dann durch die starken vertikalen Luftströmungen in der Wolke. Die leichten Eispartikel finden sich im oberen Teil der Wolke, wo sich somit ein positives Ladungszentrum aufbaut. Im unteren Teil der Wolke entsteht dagegen ein negatives Ladungszentrum. Das elektrische Feld zwischen der Wolke und der Erdoberfläche ist dabei dem Schönwetterfeld entgegengerichtet und lokal wesentlich stärker.

Leitblitz Wenn die Feldstärke einen kritischen Wert überschreitet beginnt sich aus der Wolke negative Ladungsträger in Form des so genannten Leitblitzes (engl. Leader) gerichtet auf die Erdoberfläche zu bewegen. Dieser Leitblitz bewegt sich in Sprüngen von einigen 10 Metern. Seine mittlere Geschwindigkeit beträgt etwa 1/20 der Lichtgeschwindigkeit. Er hinterlässt einen dünnen ionisierten Kanal, der kaum sichtbar ist und später vom Hauptblitz benutzt wird. Bei der Ausbildung des Leitblitzes entstehen auch die typischen Verästelungen.

Hauptblitz Bei der Annäherung des Leitblitzes an die Erde erhöht sich die Konzentration positiver Ladungsträger im Erdboden nahe der Oberfläche. Wenn schließlich die lokale Feldstärke einen kritischen Wert überschreitet, kommt dem stepped leader vom Erdboden aus eine Fangentladung entgegen. Diese geht dabei meist von erhöhten Punkten wie Hausdächern oder Bäumen aus, da dort die maximalen Feldstärken erreicht werden. Wenn der Blitzkanal geschlossen ist, bewegt sich die Ladung entlang des durch den Leitblitz ionisierten Kanals. Durch den Stromfluss heizt sich der Kanal auf, dabei wird Luft ionisiert und somit die Leitfähigkeit erhöht, was wiederum den Strom verstärkt. Auf diese Weise bleibt der Stromfluss auf einen dünnen Kanal begrenzt in dessen Zentrum bis zu 30000 K erreicht werden können. Der Strom kann über 100 kA betragen.

Das erhitzte Plasma im Blitzkanal dehnt sich dann explosionsartig aus, es entsteht eine Schockwelle, an der intensive Schallwellen, der Donner, generiert werden. Durch adiabatische Abkühlung sinkt die Temperatur wieder, die ionisierten Gase rekombinieren sich, die Leitfähigkeit nimmt wieder ab.

Donner Der Donner - das Wort stammt von dem lateinischen tonare = laut erdröhnen, krachen - entsteht innerhalb weniger tausendstel Sekunden als Folge der im Blitzkanal spontan erhitzten Luft. Dabei werden im Zentrum des Blitzkanals in den ersten fünf millionstel Sekunden Temperaturen bis zu 30 000 Grad Celsius erreicht: Die aufgeheizte Luft dehnt sich blitzschnell aus. Diese Ausdehnung pflanzt sich nach allen Richtungen als zylindrische Druckwelle (engl. shockwave) fort. Die dabei auftretenden Schallwellen (engl.soundwave) sind als Donner zu hören.

Da sich der Donner nur mit der Schallgeschwindigkeit von 330 Meter pro Sekunde ausbreitet, ist er erst nach dem hell aufleuchtenden Blitz zu hören. Andererseits dauert er viel länger als die gesamte Blitzentladung. Folgt der Donner sofort auf das Licht des Blitzes, ist das Gewitter in unmittelbarer Nähe.

Die Unterrichtseinheit Experimente Reibungselektrizität 18-20 Influenz 21-22 Blitz-Experiment 23-24 Van de Graf 25-27 Influenzmachine 31-32

Reibungselektrezität Blitz und Donner. Albrert Claudi 2004

Reibungselektrizität Wenn es uns gelingt die Ladungen zu trennen, dann entsteht eine elektrische Spannung zwischen ihnen und sie versuchen sofort wieder zusammenzukommen,. Wie bringt man nun diese Ladungen auseinander? Offensichtlich geht das, denn es gibt ja Batterien, da stecken Ladungen drin. Und dann steht da noch 1,5 Volt oder 9V darauf, dass ist die Spannung dieser Batterie. Wenn man zum Beispiel den Pullover über den Kopf zieht, dann knistert es manchmal ganz gewaltig in den Haaren, besonders im Winter, oder wenn man über den Teppich ‚schlurft’ und dann die Türklinke anfasst, bekommt man manchmal einen kleinen elektrischen Schlag. In beiden Fällen ist es uns gelungen, die Ladungen durch Reibung am Kopf oder am Teppich zu trennen, wir laden uns auf und es entsteht eine Spannung, die so hoch ist, dass kleine Funken entstehen. Und die hört man dann knistern und im Dunkeln kann man sie sogar sehen.

Beschreibung des Experiments Das Ganze kann man auch mit einem Plastikstreifen erreichen, den man kräftig an einem Wollpullover reibt. Danach zieht der Plastikstreifen Papier - Schnipsel an, weil er jetzt ‚aufgeladen’ ist.

Influenz

Experimentbeschreibung Der Zeiger des Elektroskops schlägt aus, wenn ein geladener Körper genähert wird. Der Ausschlag geht aber wieder zurück, wenn der Körper wieder entfernt wird: Die bewegliche Ladung in dem Elektroskop wird von dem geladenen Körper runtergedrückt. Dadurch werden Halter und Zeiger gleichnamig geladen und stoßen einender ab.

Blitz-Experiment www.enztal-gymnasium.de

Experimentbeschreibung Der Aufbau des Versuchs ist wie folgt: Es wird ein Transformator durch zwei Spulen erzeugt, die eine mit 12000 Windungen die andere mit 600 Windungen. Dadurch wird die Spannung um das 200 fache erhöht, aus 220V werden also 44000V. Nun werden zwei Metallstäbe an den Transformator angeschlossen. Legt man die Spannung von 220V an den Transformator an, beginnen sogleich Funken überzuschlagen, die durch die Ionisierte Luft nach oben getragen werden.

Geräte aus der Sammlung Influenzmaschine Van de Graf Bilder aus Wikipedia.de

Van de Graf Ein Stück Teppich oder ein Kunststoffband ‚schlurft’ über zwei Drehachsen an einer großen Kugel vorbei und trennt dabei die Ladungen, das heißt, die Kugel bekommt Ladungsträger ab, und der Boden, auf dem die Maschine steht, bekommt grüne Ladungen. Jetzt ist die Kugel, die gut isoliert vom Boden ist, also aufgeladen.

Und je mehr Ladungen wir auf die Kugel transportieren, umso höher wird die Spannung. Das Band kann man über eine Kurbel drehen, oder - noch bequemer man lässt das einen Motor machen.

Nachweis der Ladungstrennung Durch den Einsatz eines Elektroskops kann man die Ladungstrennung nachweisen

Der Versuch mit dem geerdeten Kabel

Der Versuch mit dem geerdeten Kabel Bringt man einen Kabel in die Nähe der Kugel, so gibt es einen kleinen ‚Miniblitz’ zwischen den beiden. In diesem Fall ist die Spannung dazwischen so groß geworden, dass sich die Ladungen über die Luft ausgleichen.

Die Influenzmaschine

Die Influenzmaschine Man lässt zwei Glas- oder Plexiglasscheiben, früher auch Scheiben aus Hartgummi in gegenläufiger Richtung rotieren. Auf den Scheiben sind Metallstreifen aufgeklebt. Leitende (Metall-) Bürsten verbinden gegenüberliegende Metallstreifen der Plexiglasscheiben. Entsteht durch Reibung auf der einen Seite eine Ladungsansammlung, werden auf der gegenüberliegenden Seite durch elektrische Influenz zwangsläufig entgegengesetzte Ladungen bewirkt. Diese Ladungen werden bei der weiteren Drehung der Scheibe von Kontakten (Metallbürsten) aufgenommen und zu einem Kondensator, der für hohe Spannungen geeignet ist geleitet. Ab einer gewissen Spannung kommt es an den angeschlossenen Funkenstrecken zu wiederholten Blitzentladungen

Probleme beim Experimentieren Die Influenzmaschine aus der Sammlung erzeugt keine Ladungstrennung, wahrscheinlich weil man die Scheibenoberfläche ab und zu abkratzen müsste, um die Ladungsabstreifung durch die Metallbürste, zu vereinfachen. Die beiden Seiten des Bandes der van de Graf-Apparatur klebten zusammen. Wahrscheinlich weil die Seiten sich verschieden aufgeladen haben und sich so anzogen.

Lehrpläne der Realschule Elektrizität in Natur und Technik Elektrostatische Phänomene: Ladungstrennung Ladungsausgleich Entladung

Lernziele    Das Betrachten und Beschreiben von Phänomenen. Die Entwicklung der Beobachtungsfähigkeit. Das Kennen Lernen des empirischen Verfahrens der Physik. Die Freude am Experimentieren

Literatur / Bildquellen www.wikepedia.de Kompendium Didaktik: Ehrenwirth 1983 www.op.dlr.de www.enztal-gymnasium.de Blitz und Donner: Prof. Dr.-Ing. Albert Claudi. Uni Kassel 2004