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Der glühende Stab

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Der glühende Stab
Der glühende Stab

Der glühende Stab

Kurzbeschreibung
Mithilfe einer Autobatterie soll eine Metallstange zum Glühen gebracht werden.
Kategorien
Elektrizitätslehre
Einordnung in den Lehrplan
Geeignet für: Klasse 7, Klasse 8
Basiskonzept: Energie
Sonstiges
Durchführungsform Lehrerdemoexperiment
Anzahl Experimente in dieser Unterkategorie 1
Anspruch des Aufbaus mittel
Informationen
Name: Philipp Reichert
Kontakt: \text{phreich}@\text{physik.hu-berlin.de}
Uni: Humboldt-Universität zu Berlin
Betreuer*in: Nico Westphal
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Das Demonstrationsexperiment „Der glühende Stab“ ist Teil einer Reihe von Experimenten zu Leuchteffekten in der Elektrizitätslehre. Im Speziellen ist dieses Experiment ein Beleg für mögliche Leuchteffekte an leitenden Feststoffen. Mithilfe einer Autobatterie und einem massiven metallischen Stab wird eine Kurzschlussschaltung realisiert. Durch die sehr hohe Stromstärke kommt es in dem Stab, einem elektrischen Widerstand, zu einer starken Wärmeentwicklung. Diese ist sogar ausreichend, um den Stab zum Schmelzen zu bringen.


Didaktischer Teil

Sachanalyse

Der Widerstand
Als elektrischen Widerstand R bezeichnet man die physikalische Eigenschaft von Leitern, den Stromfluss zu behindern. Im Folgenden wird hier von metallischen Leitern ausgegangen. Der elektrische Widerstand ist der Kehrwert der Leitfähigkeit eines Stoffes und wird mit der Einheit Ω (Ohm) bezeichnet. Im Idealfall ist der elektrische Widerstand unabhängig von der angelegten Spannung U, der Stromstärke I und in Wechselstromkreisen von der Frequenz f. Dann spricht man von einem sogenannten Ohmschen Widerstand und es gilt
R=\frac{U}{I}=const.

Ein Leiter hat den Widerstandswert von R = 1 Ω, wenn eine an ihn angelegte Spannung von U = 1 Volt einen Strom von I = 1 Ampere fließen lässt. Jeder Stoff besitzt ebenso einen spezifischen Widerstand. Der Widerstandswert ist dabei proportional dem spezifischen Widerstand ρ (rho) des Leiters, seiner Länge l und umgekehrt proportional seinem Querschnitt A (vgl. Metzler [1], 2004, S. 213) :
R = \rho \cdot \frac{l}{A}.


Der im Widerstand fließende Strom erzeugt durch Zusammenstöße mit den im Widerstand befindlichen Atomen bzw. Atomrümpfen Wärme, die der Widerstand über seine Oberfläche an die Umgebung abgibt (vgl. Demtröder [2], 2006, S. 54). Aufgrund dieser Wärmebewegung der Atome im elektrischen Widerstand wird ein nahezu kontinuierliches Spektrum elektromagnetischer Wellen ausgesendet. Diesen Vorgang bezeichnet man als sogenannte thermische Emission. Die spektrale Verteilung hängt dabei von der absoluten Temperatur sowie den Absorptionseigenschaften des Leiters ab. Die Intensitätsverteilung wird dabei durch das Plancksche Gesetz beschrieben. Die Wärmeerzeugung im Widerstand ist gerade seine Leistung P und ist proportional seinem Widerstandswert und dem Quadrat des fließenden Stromes, also
P = I^{2}\cdot R.

Erkenntnisgewinnung

Als Beobachter des Demonstrationsexperiments können die Schüler bereits vor dem Leuchten des Stabes eine starke Wärmabstrahlung spüren. Dem schließt sich das gleißend helle Licht des Glühens an. Die Schüler erfahren, dass Strom Wärme und Licht erzeugen kann. Das entspricht ebenso ihrer Erfahrungswelt, deshalb können sie auch Geräte benennen, die das Eine, das Andere oder auch beides leisten können und sollen.

Versuchsanleitung

Aufbau

Der Aufbau zu diesem Experiment besteht aus einer handelsüblichen Autobatterie (12V), einem massiven Metallstab (Verwendung findet hier ein Schweißdraht mit einer Schmelztemperatur von ca. 3200 Grad Celsius[3]), einem Schalter sowie drei Kabeln. Die Kabel sollten einen Durchschnitt von ca. 7 mm nicht unterschreiten, um geringe Widerstände in den Verbindungen zu gewährleisten. Der Schalter besteht aus zwei großen (10 cm x 10 cm) Metallplatten, wodurch eine große Kontaktfläche gewährleistet wird. Diese sind mit einem isolierten Griff ausgestattet. Die Halterung für den Metallstab lässt sich mit Stativmaterial realisieren. Um eine gute Leitfähigkeit zu ermöglichen, sollte hier auf genügend große Kontaktflächen zwischen Stab und Kabelverbindung geachtet werden. Um Verbrennungen auf Tischen oder dem Fußboden zu vermeiden, empfiehlt sich die Verwendung einer Metallschale, die mit Sand gefüllt ist. Des Weiteren sollte aus Gründen der Sicherheit eine Schutzscheibe vor dem Aufbau vor spritzendem Metall aufgestellt werden und ein Sicherheitsabstand von mindestens 3,5m eingehalten werden.

Durchführung

Zeitraffer zum "tropfenden Stab"

Vor Beginn des Experiments ist auf eine vollständig geladene Autobatterie zu achten sowie die Metallstange sorgfältig zu fixieren. Nach Überprüfung der Sicherheitsvorkehrungen wird der Schalter geschlossen, die Kontaktflächen aufeinander gesetzt. In den ersten Sekunden wird eine starke Wärmeentwicklung des Stabes spürbar, der sich ein allmähliches Aufleuchten bis hin zu gleißend heller Lichterscheinung anschließt. Schließlich beginnt sich der Stab zu biegen und durchzuhängen. Die Schmelztemperatur von ca. 3200 Grad Celsius ist erreicht und der Stab beginnt langsam abzutropfen bis er schließlich abreißt, der Kontakt unterbrochen ist und das Experiment beendet ist.

Ergebnisse

Der glühende Metallstab stellt, wie bereits angedeutet, einen idealisierten schwarzen Körper dar. Demnach ist er eine Strahlungsquelle elektromagnetischer Strahlung, die in einem charakteristischen Spektrum abgestrahlt wird. Hierbei handelt es sich um ein kontinuierliches Spektrum - also ohne ausgezeichnete diskrete Linien. Dies kann mithilfe einer Kreuzgitterbrille während des Experiments überprüft werden. Misst man während der Durchführung die Stromstärke mithilfe einer Stromzange, so erhält man Werte von bis zu 400 A. Dies ergibt mit der Betriebsspannung von 12 V eine Spitzenleistung von ca. 4800 Watt. Solche Leistungen können mit dem üblichen Netz aus der Steckdose nicht erreicht werden. Hier liegen die maximal zulässigen Stromstärken meist bei 16 A. Das entspricht Leistungen von bis zu 3500 W. Höhere Ströme sind durch Sicherungen ausgeschlossen.

Sicherheitshinweise

siehe Aufbau

Literatur

  1. Grehn, Joachim und Krause, Joachim; Metzler Physik; 2004, Schroedel Verlag, 3. Auflage
  2. Demtröder, W.; Experimentalphysik 2: Elektrizität und Optik; 2006, Springer-Verlag Berlin-Heidelberg
  3. http://www.seilnacht.com/Lexikon/gasschm.html