Sieben Proben im Materialprüfer
AFB I–IIEin Materialprüfer besteht aus einer 4,5-V-Batterie, einem Lämpchen und zwei Prüfklemmen. Zwischen die Klemmen wird jeweils eine Probe eingespannt; leuchtet das Lämpchen, so schließt die Probe den Stromkreis. Geprüft werden sieben Proben: Kupferdraht, Aluminiumstreifen, Eisennagel, Kunststofflineal, Gummiband, Glasstab und eine Bleistiftmine (Grafit).
- Erstellen Sie eine zweispaltige Tabelle mit den Überschriften „Leiter“ und „Isolator“ und tragen Sie sechs der sieben Proben ein.
- Bestimmen Sie mithilfe des Materialprüfers, zu welcher Gruppe die Bleistiftmine gehört. Geben Sie den Versuchsablauf und das erwartete Ergebnis an.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Leiter: Kupferdraht, Aluminiumstreifen, Eisennagel.
Isolator: Kunststofflineal, Gummiband, Glasstab.
Kriterium: Alle drei Leiter sind Metalle – in ihnen sind Elektronen frei beweglich. In Kunststoff, Gummi und Glas gibt es kaum frei bewegliche Ladungsträger.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Durchführung: Die Mine wird mit beiden Enden in die Prüfklemmen eingespannt, sodass der Stromkreis nur über die Mine geschlossen werden kann. Anschließend wird beobachtet, ob das Lämpchen leuchtet.
Ergebnis: Das Lämpchen leuchtet – wenn auch schwächer als beim Kupferdraht. Die Bleistiftmine ist also ein Leiter, obwohl Grafit kein Metall ist.
Folgerung: „Leiter“ und „Metall“ sind nicht dasselbe. Entscheidend ist, ob im Material Ladungsträger frei beweglich sind.
Werkzeug, Wasser und ein Ratgeber
AFB II–IIIEin Elektriker-Schraubendreher hat einen dicken Kunststoffgriff, einen bis auf die Spitze mit Kunststoff überzogenen Schaft und eine blanke Klinge an der Spitze. Auch eine Geräteleitung ist doppelt aufgebaut: innen feine Kupferdrähte, außen eine Kunststoffhülle.
Im Unterricht wird zusätzlich Wasser geprüft. Die Messreihe steht in der Tabelle.
In einem Online-Ratgeber liest Jana: „Mit Gummihandschuhen kann beim Arbeiten an Elektrogeräten nichts passieren.“
| Probe | Beobachtung am Lämpchen |
|---|---|
| destilliertes Wasser | bleibt dunkel |
| Leitungswasser | glimmt schwach |
| Leitungswasser mit 1 Teelöffel Salz | leuchtet deutlich |
- Untersuchen Sie am Schraubendreher und an der Geräteleitung, an welchen Stellen bewusst Leiter und an welchen bewusst Isolatoren eingesetzt werden, und wozu jeweils.
- Deuten Sie die Messreihe mithilfe des Modells frei beweglicher Ladungsträger.
- Bewerten Sie die Aussage des Ratgebers.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Schraubendreher: Die blanke Klinge aus Stahl ist ein Leiter – sie muss die Schraube fassen und arbeitet unmittelbar am Bauteil. Griff und überzogener Schaft bestehen aus Isolatormaterial: Sie halten den Strom von der Hand fern und verhindern, dass die Klinge zwei benachbarte Kontakte gleichzeitig berührt.
Geräteleitung: Die Kupferadern im Inneren sind Leiter – auf ihnen soll der Strom fließen. Die Kunststoffhülle ist Isolator: Sie trennt die Adern voneinander (sonst Kurzschluss) und schützt den Benutzer beim Anfassen.
Ergebnis: In beiden Gegenständen wird der Strom durch eine gezielte Kombination beider Materialarten geführt und zugleich begrenzt.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Reines Wasser leitet praktisch nicht: Die Wassermoleküle sind zwar beweglich, tragen aber kaum Ladung – es fehlen frei bewegliche Ladungsträger.
Wird Salz gelöst, so zerfällt es in geladene Teilchen, die sich im Wasser frei bewegen können. Je mehr Salz gelöst ist, desto mehr bewegliche Ladungsträger stehen zur Verfügung, desto größer wird die Stromstärke und desto heller leuchtet das Lämpchen.
Deutung: Nicht das Wasser selbst leitet, sondern die darin gelösten Stoffe. Leitungswasser, Schweiß und Meerwasser enthalten stets gelöste Salze – deshalb sind sie im Alltag als Leiter zu behandeln.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Die Aussage ist so nicht vertretbar und sogar gefährlich.
Fachlich richtig ist: Trockenes, unbeschädigtes Gummi ist ein guter Isolator, und geprüfte Elektrikerhandschuhe erhöhen die Sicherheit tatsächlich.
Dagegen sprechen mehrere Kriterien: (1) Ein unbemerkter Riss oder Feuchtigkeit auf oder in den Handschuhen hebt die Schutzwirkung auf. (2) Schweiß auf der Haut enthält gelöste Salze und leitet – wie die Messreihe zeigt. (3) Haushaltsgummihandschuhe sind für elektrische Arbeiten gar nicht geprüft. (4) Vor allem verleitet der Satz dazu, an spannungsführenden Teilen zu arbeiten.
Urteil: Handschuhe sind allenfalls eine zusätzliche Sicherung. Die eigentliche Schutzmaßnahme ist, das Gerät vorher spannungsfrei zu machen (Stecker ziehen bzw. Sicherung ausschalten) und Arbeiten am Netz Fachleuten zu überlassen.