Welche Materialien leiten Elektrizität?

Schlüsselbegriffe
Elektrizität
Leiter
Isolator

Einführung
Elektrizität treibt viele der Geräte an, die Sie jeden Tag benutzen. Diese Geräte bestehen aus Schaltkreisen, die von sehr einfach (wie eine Lampe mit einer einzelnen Glühbirne) bis sehr komplex (wie in einem Computer) reichen. Versuchen Sie in diesem Projekt, Ihren eigenen einfachen Stromkreis zu bauen und damit zu testen, welche gewöhnlichen Haushaltsmaterialien Elektrizität leiten.

Hintergrund
Sie hören das Wort Elektrizität wahrscheinlich oft, aber was bedeutet es eigentlich? Im Alltagsgebrauch bezieht sich Elektrizität typischerweise auf elektrisch geladene Teilchen (Elektronen genannt), die sich durch Metalldrähte bewegen. Der Fluss der Elektrizität wird Strom genannt. Metalle sind im Allgemeinen sehr gute Leiter, das heißt, sie lassen den Strom leicht fließen. Materialien, die den Strom nicht so leicht fließen lassen, nennt man Isolatoren. Die meisten nichtmetallischen Materialien wie Kunststoff, Holz und Gummi sind Isolatoren. Sie werden dies bemerken, wenn Sie schon einmal etwas in eine Steckdose gesteckt haben. Die Zinken des Steckers und der Draht im Kabel sind aus Metall, aber sie sind von einer Kunststoff- oder Gummi-Isolierung umgeben, so dass Sie keinen Stromschlag bekommen, wenn Sie das Kabel berühren!

Elektrizität benötigt eine komplette „Schleife“, damit Strom fließen kann. Dies nennt man einen geschlossenen Stromkreis. Deshalb haben Steckdosen zwei Stifte und Batterien zwei Enden (positiv und negativ) statt nur einem. Wenn Sie beide an einen Stromkreis anschließen, entsteht eine vollständige Schleife. Wenn die Schleife unterbrochen wird, wird sie zu einem offenen Stromkreis, und es fließt kein Strom.

In diesem Projekt werden Sie Ihre eigene einfache Schaltung bauen, indem Sie eine Taschenlampe zerlegen (natürlich mit Erlaubnis). Sie werden Ihren Stromkreis als Testgerät verwenden, um festzustellen, ob Haushaltsmaterialien leitend oder isolierend sind. Wenn Sie den Stromkreis an einen Leiter anschließen, entsteht ein geschlossener Stromkreis und die Taschenlampenbirne leuchtet. Wenn du den Stromkreis mit einem Isolator verbindest, hast du immer noch einen offenen Stromkreis, so dass die Glühbirne ausgeschaltet bleibt.

Materialien

• Taschenlampe (eine, die du auseinandernehmen kannst)
• Batterien für deine Taschenlampe
• Drei Stücke Draht, die abgeschnitten und abisoliert werden können (Siehe Vorgehensweise für weitere Informationen.)
• Lineal mit metrischen Maßen
• Elektroband (und/oder Gummibänder)
• Schere oder Messer (und die Hilfe eines Erwachsenen)
• Sortiment an metallischen und nichtmetallischen Haushaltsmaterialien, die in Ihrer Schaltung getestet werden können

Vorbereitung

• Um dieses Projekt durchzuführen, müssen Sie drei Drahtstücke aus einem alten elektronischen Gerät bergen. Vielleicht haben Sie eine Ramschschublade voller alter Handy-Ladegeräte – diese werden gut funktionieren. Sie können auch Draht im Baumarkt oder in einigen Bastelgeschäften kaufen.
• Schneiden Sie drei Drahtstücke ab, jedes mindestens 10 cm lang.
• Bitten Sie einen Erwachsenen, eine Schere oder ein scharfes Messer zu benutzen, um etwa einen Zentimeter der Isolierung von den Enden jedes Drahtes abzuschneiden und das Metall im Inneren freizulegen. (Es gibt auch ein spezielles Werkzeug für diesen Zweck, die Abisolierzange. Sie oder ein Erwachsener können diese verwenden, wenn sie verfügbar sind.)
• Zerlegen Sie Ihre Taschenlampe. Entfernen Sie die Batterien. Wenn möglich, schrauben Sie den „Kopf“ (den Teil, der die Glühbirne hält) ab und entfernen Sie den Ein/Aus-Schalter. Die meisten Taschenlampen lassen sich leicht mit der Hand zerlegen, aber möglicherweise benötigen Sie dazu ein anderes Werkzeug (z. B. einen Schraubenzieher) und/oder die Hilfe eines Erwachsenen.
• Vorsicht: Elektrizität aus Steckdosen ist sehr gefährlich und kann tödlich sein. Schneiden Sie niemals in ein Kabel oder öffnen Sie ein elektronisches Gerät, während es an eine Steckdose angeschlossen ist.

Vorgehensweise

• Untersuchen Sie das Innere Ihrer Taschenlampe und versuchen Sie, den Stromkreis zu verfolgen. Denken Sie daran, dass Strom nur in einem geschlossenen Stromkreis fließen kann. Der Stromkreis in einer Taschenlampe geht normalerweise von einem Ende des Batteriefachs über einen Ein/Aus-Schalter, dann durch die Glühbirne und zurück zum anderen Ende des Batteriefachs. Kannst du den Stromkreis finden?
• Ihr erstes Ziel ist es, mit zwei Drähten das Batteriefach direkt mit der Glühbirne zu verbinden. Das erfordert vielleicht etwas Tüftelei Ihrerseits – nicht alle Taschenlampen sind gleich. Ist es schwierig, einen eigenen neuen geschlossenen Stromkreis zu schaffen?
• Das Batteriefach sollte positive (+) und negative (-) Enden haben. Befestigen Sie ein Ende eines Drahtes mit Isolierband an den Metallteilen an beiden Enden des Batteriefachs. Achten Sie darauf, dass Sie die Drähte fest zusammendrücken, damit sie einen guten Kontakt herstellen.(Tipp: Wenn die Batterien einfach in das Gehäuse der Taschenlampe gleiten – und nicht durch Clips oder Federn gehalten werden – verwenden Sie Gummibänder, um sie zusammenzuhalten, wenn Sie sie aus der Taschenlampe entfernen.)
• Suchen Sie nun nach zwei Metallkontakten am Lampengehäuse und verbinden Sie die anderen Enden der Drähte mit Isolierband mit diesen. Tipp! Manchmal ist die gesamte Innenseite des Taschenlampengehäuses aus Metall, und dies dient als einer der Kontakte. Konnten Sie einen Stromkreis aufbauen und die Glühbirne zum Leuchten bringen?
• Wenn Sie die Kontakte richtig hergestellt haben, sollte die Glühbirne jetzt leuchten. Wenn die Glühbirne nicht leuchtet, machen Sie sich keine Sorgen! Es gibt ein paar Dinge, die Sie überprüfen können:
• Sie haben vielleicht eine LED-Taschenlampe. LED steht für Licht-emittierende Diode. Eine LED ist eine spezielle Art von Glühbirne, die wie ein Einwegventil für Strom funktioniert. Sie leuchtet nur, wenn ihre positive (+) und negative (-) Seite richtig angeschlossen sind. Versuchen Sie, den Anschluss der beiden Drähte an die Batterie umzukehren und sehen Sie, ob sie leuchtet.
• Ein weiterer Grund, warum Sie möglicherweise kein Licht erhalten, ist, dass Ihre Drähte möglicherweise keinen guten Kontakt mit dem Metall im Stromkreis der Taschenlampe haben. Versuchen Sie, die Kontaktpunkte mit den Fingern zu kneifen oder verwenden Sie etwas wie Mini-Wäscheklammern oder Binder Clips, um die Verbindungen zu quetschen.
• Sie sollten jetzt eine funktionierende Schaltung haben. Im Wesentlichen haben Sie die Batterie und die Glühbirne aus dem Taschenlampengehäuse entfernt und den Stromkreis mit zwei Drähten neu aufgebaut. Sie können diese Schaltung verwenden, um die Leitfähigkeit von Haushaltsmaterialien zu testen, indem Sie einen dritten Draht hinzufügen.
• Trennen Sie den Draht von einem Ende der Batterie. Dadurch entsteht ein offener Stromkreis, und die Glühbirne sollte sich ausschalten.
• Binden Sie ein Ende des dritten Drahtes an das Ende des Akkupacks. Ihr Stromkreis sollte nun insgesamt drei Drähte haben, von denen zwei freie Enden haben.
• Binden Sie die beiden freien Enden der Drähte zusammen. Dadurch sollte wieder ein geschlossener Stromkreis entstehen und deine Glühbirne sollte leuchten.
• Teste, ob Materialien leitfähig sind, indem du sie mit beiden freien Drahtenden gleichzeitig berührst.
• Was passiert, wenn du Metallgegenstände berührst, wie z.B. Büroklammern oder Aluminiumfolie? Wenn sich die Glühbirne einschaltet, bedeutet das, dass das Material ein Leiter oder ein Isolator ist?
• Was passiert, wenn Sie nichtmetallische Gegenstände wie Holz, Plastik oder Gummi berühren? Schaltet sich die Glühbirne ein oder bleibt sie aus?
• Extra: Kannst du nichtmetallische, leitende Materialien in deinem Haus finden?

Beobachtungen und Ergebnisse
Es kann ein wenig Arbeit erfordern, eine Taschenlampe rückgängig zu machen, nachdem Sie sie auseinandergenommen haben. Sie sollten jedoch in der Lage sein, die Taschenlampe ohne ihren Netzschalter zum Funktionieren zu bringen, indem Sie das Batteriefach mit zwei Drähten direkt mit der Glühbirne verbinden. Durch Hinzufügen eines dritten Drahtes können Sie einen „Tester“ erzeugen. Wenn Sie mit den freien Drahtenden einen Metallgegenstand berühren, sollte die Glühbirne aufleuchten, wie sie es normalerweise tun würde. Dies funktioniert, weil die Metallobjekte Leiter sind, also einen geschlossenen Stromkreis bilden. Wenn Sie isolierende Materialien wie Kunststoff, Gummi und Holz berühren, bleibt der Stromkreis offen, so dass die Glühbirne aus bleibt, weil kein Strom fließen kann.

Nichtmetallische leitfähige Materialien können schwierig zu finden sein. Ein Bleistiftkern aus Graphit mag für einige Taschenlampen funktionieren. Aber Graphit hat einen sehr hohen Widerstand im Vergleich zu Metallen, so dass die Glühbirne sehr schwach erscheinen oder gar nicht leuchten kann.

Aufräumen
Bauen Sie Ihre Taschenlampe wieder zusammen, wenn Sie sie wieder verwenden müssen, oder bewahren Sie Ihren selbstgebauten Leitfähigkeitstester auf!

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Diese Aktivität wird Ihnen in Zusammenarbeit mit Science Buddies präsentiert