Physikdidaktik - Salzburg

Chemie und Physik Adventskalender Tag 7

Tür 7 - Längenausdehnung Bimetall

Material:

• Schere
• Papier
• Aluminiumfolie
• Klebestift
• Feuerzeug
• Kerze

Durchführung:

Ein Stück Papier wird mit dem Klebestift bestrichen und mit einem Stück Aluminiumfolie zusammengeklebt. Nach kurzem Trocknen wird aus dem Stück ein Streifen (ca. 2 cm x 15 cm) herausgeschnitten (siehe Abb. 2). Dieser Streifen wird vorsichtig von oben an die Flamme einer Kerze herangeführt (siehe Abb. 1). Dabei soll die Seite mit der Aluminiumfolie nach unten zeigen. Um den Versuch zu wiederholen, muss der Streifen ausgebogen werden.

Erklärung:

Wird ein Material, z.B. ein Stück Aluminium, erhitzt, dehnt sich dieses aus. Der Grund dafür lässt sich auf der Teilchenebene, den Atomen, die das Metall aufbauen, finden. Wird den Atomen Energie in Form von Wärme zugeführt, beginnen diese stärker zu schwingen. Auf diese Weise wird die zugeführte Energie in den Atomen gespeichert. Die Atome benötigen jedoch auch mehr Platz, wenn sie stärker schwingen. Dieses Phänomen wird durch die Ausdehnung des Metallstücks sichtbar. Wie stark sich ein Material ausdehnt, hängt von zwei Faktoren ab. Erstens um welche Temperaturdifferenz es erhitzt wird und zweitens vom linearen Ausdehnungskoeffizienten. Dieser Koeffizient ist je nach Material verschieden groß, z. B. ist der von Aluminium drei Mal so groß wie der von Papier. Dies bedeutet, dass sich ein Streifen aus Aluminium bei gleicher Temperaturerhöhung dreimal so stark ausdehnt wie ein Papierstreifen gleicher Anfangslänge.

Verbindet man nun zwei Materialen, meistens Metalle, mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten, erhält man ein Bimetall. Wird ein Bimetall-Streifen erwärmt, beginnt sich dieser zu biegen. Der Grund dafür ist, dass sich eines der Metalle stärker ausdehnt als das andere. Um diesen Effekt auszugleichen, biegt sich der Streifen in die Richtung des Metalls, welches sich weniger stark ausdehnt. 

Je größer die Temperaturerhöhung, desto stärker die Biegung des Streifens. Diesen Zusammenhang zwischen Temperaturerhöhung und Biegung kann man sich in Thermometern zunutze machen.

Tipp:

• Der Streifen kann von beiden Seiten über die Flamme gehalten werden. Dadurch kann gezeigt werden, dass die Biegung des Streifens unabhängig von der Richtung der Wärmeeinwirkung ist.
• Der Streifen biegt sich dann in Richtung der Flamme!