Читать книгу Phil's Physics - Philip Häusser - Страница 11

Stellt euch vor, ihr seid auf einer Camping-Tour. Langsam wird es dunkel und bevor die Nacht hereinbricht, wollt ihr dringend – wie so üblich beim Camping – eine Dose Ravi-oli aufwärmen. Doch verdammt: Die Streichhölzer im Rucksack sind nass geworden! Woher bekommt ihr jetzt in der weiten Wildnis Feuer?

Zum Glück seid ihr erfinderisch (und Besitzer dieses Buches)! Denn alles, was ein Physiker braucht, um Feuer zu machen, ist die Batterie aus der Taschenlampe und das Papier von einem Kaugummi!

SO WIRD’S GEMACHT

Dieses Experiment führt ihr am besten draußen oder auf einer feuerfesten Unterlage durch. Schneidet mit der Schere vom Kaugummipapier einen langen dünnen Streifen ab. Er sollte etwa 5 mm breit sein.

Faltet den Streifen in der Mitte und schneidet das gefaltete Ende schräg ein, ohne aber den Streifen zu durchtrennen. Wenn ihr den Streifen aufklappt, sollte die Stelle in der Mitte recht schmal sein. Experimentiert mit verschiedenen Größen der »Engstelle«: Schneidet den zusammen geklappten Streifen mal etwas mehr oder weniger spitz zu und probiert aus, welche »Schmalheit« am besten klappt.

Diesen Streifen verbindet ihr jetzt mit den beiden Enden der Batterie. Achtet darauf, dass die metallische Seite an den Kontakten anliegt. Nach ein paar Sekunden fängt das Papier in der Mitte Feuer. Nicht lange – aber lang genug, um damit ein kleines Stück Holz, eine Kerze oder einen Gaskocher zu entzünden.

Wenn ihr das Experiment ein paarmal versucht habt, wird die Spannung in der Batterie schon deutlich abgefallen sein. Es kann sein, dass ihr dann eine neue Batterie für diesen Versuch braucht.

SO FUNKTIONIERT ES

Sobald ihr den metallischen Streifen an die Batterie haltet, beginnt ein elektrischer Strom zu fließen. Denn Metall leitet elektrischen Strom. Das bedeutet, Elektronen wandern vom einen Ende der Batterie zum anderen. Die Spannung der Batterie treibt sie dazu an. Aber auf dem Weg durch den Metallstreifen haben die Elektronen es mit allerlei Hindernissen zu tun. Sie treffen auf Teilchen im Metall und versetzen diese wiederum in Bewegung. Dadurch wärmt sich das Metall auf.

Bei den meisten Stromleitern, wie zum Beispiel Kabeln, ist das Metall so dick, dass der Elektronenstrom keine dramatische Hitze erzeugt. In unserem Fall ist das Metall auf dem Kaugummipapier aber hauchdünn. Das bedeutet, dass der Widerstand für den Strom sehr groß ist – er muss sich richtig durchkämpfen. So, als ob ein Wasserstrom durch eine enge Stelle in einem Fluss fließt. Dort ist auch der Widerstand größer.

Wir haben sogar extra noch einen Engpass eingebaut, nämlich die Stelle in der Mitte. Hier knallen also jede Menge Teilchen aufeinander und erzeugen so Hitze. Da die Stelle in der Mitte so eng ist, kommt genug Luft aus der Umgebung an das heiße Metall, sodass spontan eine Flamme entsteht. Das Papier fängt Feuer und fertig ist der Anzünder.

WIE GEFÄHRLICH IST STROM AUS DER BATTERIE?

Dieses Experiment ist natürlich nicht ganz ungefährlich. Zum einen, weil Feuer entsteht und zum anderen, weil wir es hier mit elektrischem Strom zu tun haben. Wenn man eine handelsübliche Batterie anfasst, zum Beispiel aus einer Taschenlampe oder Fernbedienung, besteht eigentlich keine Gefahr. Denn die Spannung ist hier zu gering, um eine riskante Stromstärke zu erzeugen. Moment mal … Spannung? Stromstärke? Was ist das eigentlich?

Ganz einfach kann man »Strom« verstehen, wenn man sich das Ganze wie in einem großen Schwimmbad vorstellt. Okay – ein Physik-taugliches Schwimmbad.

Stellt euch einen Wasserbehälter vor, an dessen Unterseite ein Rohr zum Boden führt. Das, was gleich fließen soll, sind Wassermoleküle. Bei einer Batterie sollen Ladungsträger fließen, die Elektronen.

Je mehr Wasser im Behälter ist und je höher dieser hängt, desto gewaltiger will das Wasser unten heraussprudeln. Diese »Gewalt« entspricht der Spannung in einem Stromkreislauf. Die Spannung treibt einen Strom an.

Wenn man jetzt den Hahn aufdreht und das Wasser fließen lässt, dann strömt in einer Sekunde eine gewisse Menge Wasser heraus. Der Wasserstrom hat also eine bestimmte Stärke. Übertragen auf den Stromkreislauf bedeutet Stromstärke, wie viele Ladungsträger in einem Zeitabschnitt an einer Stelle des Kabels vorbeifließen.

Die Stromstärke hängt also von der Spannung ab. Aber nicht nur das. Wenn das Rohr groß und breit ist, kann viel mehr fließen, als wenn Hindernisse im Weg sind oder das Rohr eng ist. Auch beim Stromkreislauf gibt es solche Hindernisse, so wie beispielsweise die dünne Stelle in unserem Kaugummipapier-Streifen. Solche Hindernisse nennt man Widerstand.

Was einem Menschen gefährlich wird, ist eine hohe Stromstärke. Eine hohe Spannung allein ist noch nicht automatisch schlimm. Natürlich erzeugt eine hohe Spannung auch eher eine hohe Stromstärke, aber wichtig sind auch andere Dinge, zum Beispiel wie gut ein Mensch (zusammen mit seiner Kleidung oder seinen Schuhen) den Strom leitet. Die Batterie hat eine relativ niedrige Spannung. Und unsere Haut ist kein besonders toller Stromleiter. Das bedeutet, der Widerstand der Haut ist groß. Wenn wir eine Batterie anfassen, ist die Stromstärke durch die Hand so gering, dass uns nichts passieren kann.