Blitze als Thema im Heimat- und Sachkundeunterricht. Theoretische Grundlagen und Unterrichtsbeispiel

Gliederung

1 Einleitung

2 Definitionen
2.1 Elektrizität
2.2 Elektrische Ladung
2.3 Blitz

3 Kurzer Blick in die Historie

4 Physikalische Grundlagen zum Phänomen Blitz
4.1 Arten von Blitzen
4.2 Elektrische Auf- und Entladung
4.3 Blitze in der Natur

5 Stundenvorschlag zum Thema Blitz im Heimat- Sachkunde Unterricht
5.1 Bezug zum Lehrplan in der Grundschule
5.2 Vorüberlegungen
5.3 Experimente
5.3.1 Aufgeladener Luftballon
5.3.2 Funkende Folie
5.3.3 Ein kleiner Blitz
5.4 Vorschlag für den Stundenverlauf
5.5 Auswertung/ Nachbereitung

6 Fazit

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Anhang
Anhang 1) Arbeitsblatt: „Das Phänomen Blitz“
Anhang 2) Tabellarischer Unterrichtsverlauf
Anhang 3) Arbeitsblatt: „Experimente“

1 Einleitung

"Hilf du, Heilige Anna, ich will ein Mönch werden!", schrie Martin Luther am 2.Juli 1505, als der junge Jurastudent unerwartet von einem Blitz getroffen wurde und überlebte. Seit Jahrtausenden ranken sich Mythen und Legenden um das phantastische Phänomen des Blitzes. Jederzeit versuchten die Menschen sich zu erklären, was dieses energiereiche Leuchten ist und was es zu bedeuten hat. Begleitet vom mächtigen Donnergrollen hatten die Menschen Angst und sahen den Blitz als ein Himmlisches Zeichen oder als den Zorn der Götter. Sogar in unserer modernen Zeit sind die physikalischen Vorgänge, die zu einem Blitz führen immer noch nicht hundertprozentig bekannt. Zum Teil ist der Blitz somit für uns Menschen immer noch ein wunderschönes Mysterium für Menschen allen Alters.

In der folgenden schriftlichen Arbeit werden Definitionen zum Thema Blitz gegeben, verschiedene Arten des Blitzes aufgeführt und so weit, wie es heutzutage bekannt ist, geklärt, wie und warum ein Blitz entsteht.

Ein Blitz ist etwas Faszinierendes, vielleicht auch Beängstigendes. Kinder sind für vieles offen und begeisterungsfähig. Es stellt sich dabei die Frage: Bietet es sich im Heimat- und Sachkundeunterricht an, den Blitz mit den Kindern zu behandeln? Ist das ein interessantes Thema? Wie kann man Kindern das Phänomen Blitz nahe bringen? Und was kann damit erreicht werden?

Um diese Fragen zu klären beinhaltet die Arbeit einen Stundenvorschlag für den Heimat- und Sachkundeunterricht zum Thema Blitz. Zu dem wird ein Bezug zum Thüringer Lehrplan hergestellt.

Das Hauptziel dieser Arbeit ist es, zu zeigen, dass man mit den richtigen Methoden das schwierige Thema „Blitz“ auch Grundschulkindern nahe bringen kann, und dass es Sinn macht dieses Thema überhaupt zu behandeln.

2 Definitionen

2.1 Elektrizität

Die Gesamtheit der Erscheinungen im Zusammenhang mit ruhenden oder bewegten elektrischen Ladungen und den damit verbundenen elektrischen und magnetischen Feldern, nennt man Elektrizität. Insbesondere wird die Bezeichnung auf das Auftreten von Ladungen sowie auf die Erscheinungsform der Ladung selbst angewendet.¹

Wichtige Einheiten und Symbole sind unter anderem V (Volt), J (Joule), N·m (Newtonmeter), W·s (Wattsekunde) und eV (Elektronenvolt). Zudem bezeichnet W die elektrische Arbeit. I ist im allgemeinen die elektrische Stromstärke. A (Ampere) nennt man die Stärke eines konstanten elektrischen Stromes. E ist die elektrische Feldstärke, Volt durch Meter (V·m-¹). Weitere wichtige Symbole sind U (elektrische Spannung), R (elektrischer Widerstand), Q (elektrische Ladung), G (elektrischer Leitwert), ψ (elektrischer Fluss), φ (elektrisches Potential) und γ (elektrische Leitfähigkeit).²

2.2 Elektrische Ladung

Die elektrische Ladung ist die auf einem Körper befindliche positive oder negative Elektrizitätsmenge oder Ladungsmenge. Gleiche Ladungen stoßen sich ab und unterschiedliche ziehen sich an. Die Ladung ist immer an einen materiellen Träger gebunden.³

2.3 Blitz

Ein Blitz ist eine Funkenentladung zwischen Wolken oder zwischen den Wolken und der Erdoberfläche (die materiellen Träger der Ladung) mit entgegengesetzter elektrischer Aufladung. Das Phänomen findet vor allem bei Gewitter statt. Diese Entladung wird von Schallerscheinungen, dem Donner begleitet. Die Dauer eines Blitzes beträgt ungefähr 10 Mikrosekunden. Die zu Blitzerscheinungen führende Spannungen können bis 300 Millionen V betragen, wobei Ströme bis 100000 A fließen können.⁴

Ein sogenannter „Superblitz“ kann sogar bis zu 500000 A messen. Der Blitz ist außerdem ein Plasma, also ein Gas, welches bei einer Temperatur von bis zu 30000°C ionisiert und deshalb elektrisch leitend ist. Bei einem Blitz werden bis zu 1000 Giga W Leistung in Wärme umgesetzt.⁵

Der Begriff "Blitz" stammt aus dem indogermanischen: "bhlei" bedeutet Leuchten⁶.

3 Kurzer Blick in die Historie

Bevor man sich mit Hilfe der Wissenschaft erklären konnte was Blitze eigentlich sind und wie sie entstehen, suchten die Menschen nach anderen Erklärungen nach der Ursache der Blitze. In der griechischen Mythologie beispielsweise glaubten die Menschen an mehrere Götter. Zeus war ihr höchster Gott und war der Herrscher und der Urheber von Donner und Blitz⁷. Bei den Römern hieß der Gott mit der Macht über Blitz und Donner Jupiter und bei den Germanen war es der Gott Donar.

Um 600 v. Chr. machten die Griechen allerdings eine besondere Entdeckung. Sie rieben Bernstein an Fellen oder Tüchern. Sie stellten fest, dass der Bernstein nach dieser Prozedur Federn oder ähnliches anziehen konnte. Auf griechisch heißt Bernstein: „Elektron“. Daher könnte also die Bezeichnung „Elektrizität“ entstanden sein⁸.

1708 wurde der Blitz erstmals mit elektrischen Funken von dem englischen Physiker Wall verglichen⁹.

Benjamin Franklin vermutete, dass elektrische Funken und elektrische Blitze die gleiche Ursache haben. Sein Gedanke war, dass die Blitze aus elektrisch geladenen Wolken entstehen würden. 1752 führte er den Versuch mit seinem „Elektrischen Drachen“ durch. An einem Papierdrachen befestigte er eine Spitze aus Draht und lies den Drachen an einem gewittrigen Tag steigen. Die dadurch gespeicherte Ladung konnte er in seinem Labor untersuchen¹⁰. Er entdeckte durch diesen Versuch auch, dass eine normale Schnur ein schlechter elektrischer Leiter ist. Denn erst nachdem die Schnur des Drachen durch den Regen nass geworden war, fingen bestimmte Fasern der Schnur an sich aufzustellen. Franklin näherte seinen Finger der Schnur und ein kleiner Funke entstand¹¹.

Michael Faraday (1791-1861) entdeckte, dass ein Raum vor Blitzen geschützt werden kann. Dieser Raum muss nur von metallischen Wänden umgeben sein, wie es beispielsweise in einem Auto der Fall ist. Zum Schutz vor Blitzen genügt sogar schon ein engmaschiges Drahtnetz, der Faradaysche Käfig¹².

Heutzutage hat man schon weitgreifende Kenntnisse, allerdings sind die genauen physischen Zusammenhänge, die zu einem Blitz führen, noch nicht hundertprozentig wissenschaftlich geklärt.

4 Physikalische Grundlagen zum Phänomen Blitz

4.1 Arten von Blitzen

Es gibt verschiedene Arten von Blitzen. Dazu zählen Blitzschlag, Kugelblitz, Perlschnurblitz, Flächenblitz, Linienblitz und Plasmafäden¹³. Außerdem unterscheidet man zwischen Wolke- Wolke Blitzen, positiven oder negativen Wolke-Erde-Blitz und positiven oder negativen Erde- Wolke-Blitzen¹⁴.

Blitzentladungen zwischen Wolke und Erde werden unterschieden nach der Polarität der zur Erde transportierten Ladung und Richtung des Leitblitzes. Da gibt es die Richtung die von der Erde zur Wolke führt. Eine solche Entladung nennt man Erde-Wolke-Blitz (siehe Abbildung 1). Wenn ein Blitz von der Wolke zur Erde verläuft, dann ist das ein Wolke-Erde-Blitz (siehe Abbildung 2). Ein positiver Blitz überträgt eine positive elektrische Ladung von Erde zu Wolke oder von Wolke zu Erde. Ein negativer Blitz überträgt eine negative Ladung. Somit gibt es vier Arten von Blitzen zwischen Wolke und Erde.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: positiver und negativer Erde-Wolke-Blitz

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: negativer und positiver Wolke-Erde-Blitz

Ungefähr 90% der Blitze zwischen Wolke und Erde sind negative Wolke-Erde-Blitze. Sie werden in der Wolke initiiert und transportieren negative Ladung zur Erdoberfläche.

4.2 Elektrische Auf- und Entladung

Körper, die elektrisch geladen sind besitzen elektrische Energie. Die elektrischen Ladungen lassen sich teilen und übertragen. Bestimmte Leiter können die Ladungen übertragen. Zwischen elektrisch geladenen Körpern wirken Kräfte. Diese Kräfte werden durch die zwei Arten von elektrischer Ladung hervorgerufen. Sie werden unterschieden in positive und negative Ladung. Körper mit gleicher elektrischer Ladung stoßen sich ab. Besitzen die Körper eine ungleiche elektrische Ladung, ziehen sie sich an. Zum Nachweis von elektrischer Ladung, kann man ein Elektroskop verwenden. Und zum Speichern von Ladung dienen Kondensatoren. Wenn elektrisch ungleich geladene Körper durch einen Leiter verbunden werden, gleichen sich die Ladungen aus. Der Ausgleich kann aber auch durch einen elektrischen Funken erfolgen. Die Bewegung von elektrischen Ladungen ist der elektrische Strom.¹⁵

4.3 Blitze in der Natur

Es existiert in der Atmosphäre ein permanent elektrisches Feld, das Schönwetterfeld. Es besitzt eine Potentialdifferenz von ungefähr 300000 V zwischen Erdoberfläche, die den negativen Pol bildet und Elektrosphäre, dem positiven Pol. Der Abstand von den beiden Bereichen beträgt etwa 50 km. Die Stärke, die der fließende Strom dieses Feldes vermittelt, beträgt 1000 A. Durch den Strom wird das Feld abgebaut. Dazu ist ein Ladevorgang notwendig. Der wird durch Gewitter gewährleistet.¹⁶

Blitze entstehen in der Natur bei Gewitter. Ein Blitz kann zwischen zwei Gewitterwolken entstehen oder zwischen Wolke und Erde. Letzteres kann zwei Richtungen besitzen. Es gibt die Wolke-Erde-Richung und die Erde-Wolke-Richtung.

Wenn genug warme, feuchte Luft in die Höhe steigt, kondensiert der Wasserdampf zu Tropfen und bildet Wolken. Wenn an besonders heißen Tagen die Luftströmung Geschwindigkeiten von mehr als 100 km/h erreichen, können die Wolken in Höhen über 18 km¹⁷getragen werden. Ab dieser Höhe erstarren die Wassertropfen zu Eiskristallen. Bei dem Aufsteigen der Wassertropfen und der Eiskristalle entsteht Reibung. Dadurch kommt es zu einer Ladungstrennung. Die meisten positiven Ladungen befindet sich auf den Eiskristallen in den hohen Wolkenteilen. In den unteren Wolkenteilen befindet sich die meisten negativen Ladungen. Dort sind die Wassertropfen ziemlich schwer und können nicht mehr von alleine schweben. Trotzdem regnet es noch nicht. Die Tropfen werden vom Aufwind und die Anziehung der negativen Ladungen durch die positiven Ladungen gehalten. Bei einer großen Ansammlung von elektrischer Ladung beginnt der Ladungsausgleich. Das passiert durch Blitze. Die Luft im Blitz erwärmt sich sehr stark und dehnt sich plötzlich aus. In diesem Raum stürzt dann von allen Seiten die Luft zurück und erzeugt so den Donner. Durch die Blitze erfolgt in den Wolken der Ladungsausgleich. Auch zwischen Wolken und Erde findet ein Ladungsausgleich statt. Die Anziehungskräfte in den Wolken werden also kleiner und die Regentropfen in den unteren Wolken werden davon nicht mehr gehalten. Daraufhin beginnt es stark zu Regnen.¹⁸

[...]

¹ Vgl. Der Brockhaus von A-Z - A-Goz (S. 384)

² Vgl. Formelsammlung (S. 70-101)

³ Vgl. Der Brockhaus von A-Z - Gp-Phnom (S. 272)

⁴ Vgl. Der Brockhaus von A-Z - A-Goz (S. 188)

⁵ Vgl. Speißer, A. P.: Wenn Blitze züngeln und der Donner grollt: Physik in unserer Zeit (S. 211)

⁶ Vgl. Dinter, S.: Geschichte des Blitzes (www.ping.de)

⁷ Vgl. Der Brockhaus von A-Z - Pho-Z (S. 572)

⁸ Vgl. Liebers & Wilke: Physik - Mechanik, Thermodynamik, Elektrizitätslehre (S. 192)

⁹ Vgl. Birchof, R. & Von Holzendorff, F.: Sammlung gemeinverständlicher wissenschaftlicher Vorträge (S. 671)

¹⁰ Vgl. Liebers & Wilke: Physik - Mechanik, Thermodynamik, Elektrizitätslehre (S. 197)

¹¹ Vgl. Birchof, R. & Von Holzendorff, F.: Sammlung gemeinverständlicher wissenschaftlicher Vorträge (S. 672)

¹² Vgl. Liebers & Wilke: Physik - Mechanik, Thermodynamik, Elektrizitätslehre (S. 197)

¹³ Vgl. www.meteoros.de

¹⁴ Vgl. Finke, U.:Blitzseite (www.muk.uni-hannover.de)

¹⁵ Vgl. Liebers & Wilke: Physik - Mechanik, Thermodynamik, Elektrizitätslehre (S. 192-195)

¹⁶ Vgl. Finke, U.:Blitzseite (www.muk.uni-hannover.de)

¹⁷ Vgl. Entdecke die Wunder der Welt - Mensch Natur Erde - 1200 Fragen und Antworten - (S. 113)

¹⁸ Vgl. Liebers & Wilke: Physik - Mechanik, Thermodynamik, Elektrizitätslehre (S. 196)