Das Bimetall

Ein Beitrag von Nils Kern (Freie Waldorfschule Freiburg St. Georgen)

Wärmelehre 9. Klasse

  

Mit dem nachfolgenden Experiment lässt sich exemplarisch ein wissenschaftlicher Erkenntnisprozess durchleben: Man gewinnt ein Untersuchungsergebnis aus einem Experiment, vermutet Zusammenhänge, baut darauf eine Hypothese auf, verwirft nach weiterer Untersuchung Hypothesen, verändert die Untersuchungsbedingungen, gelangt zu neuen Hypothesen usw.

Durchführung:

Ein etwa 50 cm langer, 2 cm breiter und 1mm dicker Streifen aus Eisen wird mit Hilfe meh­rerer Schrauben fest mit einem Aluminium­streifen von gleichen Ausmaßen verbunden. Hiermit untersuchen wir das Verhalten von Feststoffen bei Erwärmung.

  1. Der Metallstreifen (Eisen oben, Alumini­um unten) wird mit den Enden auf zwei Klötze gelegt und dazwischen mit mehre­ren Teelichtern erwärmt. Nach kurzer Zeit biegt er sich nach unten durch. Wir vermu­teten als mögliche Ursachen, dass das Material bei Erwärmung weicher wird und durchhängt oder dass sich die Unterseite schneller bzw. stärker erwärmt, da sie sich näher an der Wärmequelle befindet, und deshalb sich auch stärker ausdehnt. (Die „Außenkurve“ in dem gebogenen Metall ist länger als die „Innenkurve“.)
  2. Zur weiteren Untersuchung wiederholen wir das Experiment mit dem inzwischen wieder abgekühlten und zurück gebogenen Metallstreifen, unterlegen ihn jedoch in der Mitte mit einem weiteren Klotz. Sollte die Annahme zutreffen, dass das Material aufgrund einer Erwei­chung „durchhängt“, so müssten sich zwei Bögen nach unten bilden. Dies tritt jedoch nicht ein: Das Metall biegt sich wie zuvor und hebt sich rechts und links von den Klötzen an.
  3. Um nun noch zu überprüfen, ob es sich um eine Eigenschaft des Aluminiums handelt, dass es sich stärker ausdehnt als Eisen oder ob stets die Unterseite des Metalls die stärkere Erwär­mung erfährt, da sie sich näher an den Kerzen befindet, wiederholen wir den Anfangsver­such, legen den Metallstreifen dabei aber so auf die zwei Holzklötze, dass die Aluminiumseite nach oben zeigt. Wieder krümmt sich der Streifen zur Eisenseite hin, d.h. er wölbt sich nun nach oben.
  4. Schließlich lockern wir noch etwas die Schrauben, mit denen die beiden Metalle verbunden sind und wiederholen den letzten Teilversuch. Nun ist keine Verbiegung mehr zu bemerken.

Abschließend können wir feststellen: Aluminium dehnt sich bei gleicher Erwärmung stärker aus als Eisen. Wenn die beiden Metalle fest verbunden sind, kommt es zu einer Krümmung in die Richtung des sich weniger ausdehnenden Metalls.

Im Rahmen des Fernunterrichts während der coronabedingten Schließung der Schulen wurde dieses Video für dieses Experiment gedreht. 

Kommentar
27.01.2021 | Michael Kürschner | Physiklehrer
Geniale Umsetzung! (war in den 1990er Waldorflehrer in Hagen; bin jetzt Lehrer am Gymnasium in Bitburg)
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