Draht-Glüh-Versuch
Tischversuch
Grundidee
5 bis 15 Minuten, je nach Interesse: ein dünner Metalldraht, zum Beispiel von einem Topfkratzer entnommen, wird an Gleichstrom angeschlossen. Mit elektrischem Strom wird er langsam zum Glühen gebracht. Der Versuch zeigt aber neben dem Glühen noch einige weitere Besonderheiten. Diese sind hier kurz vorgestellt.
Der geeignete Draht
Man nimmt einem ausreichend dünnen und stabilen Draht, etwa von einem Topfkratzer (Stahlwolle). Die von uns verwendeten Drähte hatten eine ausgezogene Länge von etwa 5 bis 20 Zentimeter. Der rechteckigte Querschnitt eine Breite von etwa 0,6 Millimeter und eine Höhe von rund 0,05 Zentimeter (mit Nonius gemessen). Die geeignete Querschnittsfläche und die Länge des Drahtes muss durch Versuche herausgefunden werden. Die Drähte in unseren Versuchen hatten beispielsweise Widerstände in der Größenordnung von zwei Ampere, im kalten Zustand bei geringen Spannungen gemessen.
Die Stromquelle
Die ideale Stromquelle ist ein sogenanntes Labornetzteil. Sie wandelt den Wechselstrom mit 240 Volt aus der Steckdose um in einen Gleichstrom bis maximal 30 Volt und maximal 3 Ampere. Gleichzeitig zeigt das Gerät die aktuelle Spannung und Stromstärke leich ablesbar an. Die Kontaktdrähte des Netzteiles hatten am Ende je eine Krokodilsklemme. Siehe auch Labornetzteil ↗
Der Versuchsaufbau
Das Labornetzteil ist ausgeschaltet. Die Stromstärke und die Spannung sind auf 0 gestellt. Der Metalldraht wird auf einen nicht brennbaren Untergrund gelegt, etwa aus Stein. Dann werden die Enden dieses Drahtes über Klemmen mit dem Plus- und dem Minuspol des Labornetzteiles angeschlossen. Dann wird die Stromstärke maximal aufgedreht. Das heißt: der Strom kann alle Werte von 0 bis zur gerätespezifischen Maximal-Stromstärke annehmen, zum Beispiel 3 Ampere. Dann dreht man sehr langsam die Spannung nach oben und beobachtet gleichzeitig den Draht. Dabei stellen sich nach und nach verschiedene Effekte ein, die hier kurz beschrieben sind.
Der Draht hängt durch
Hängt der Draht streckenweise frei in der Luft, dann wird er ab einer gewissen Spannung plötzlich schlaff und sackt sichtbar in sich zusammen. Das ist vermutlich auf die hohe Temperatur im Metall zurückzuführen. Das heiße Metall wird weicher. Dieser Effekt tritt lange vor den ersten Glüheffekten auf. Berührt der Draht bei diesen Temperaturen aber Plastik, beginnt die sichtbar zu rauchen.
Erste Glüheffekte
Je nachdem wie gleichmäßig der Draht beschaffen ist, beginnt er irgendwann an manchen Stellen dunkelrot zu glühen. Dieser Effekt kann bei elektrischen Leisungen von zum Beispiel 20 Watt auftreten. Die Wattzahl ist immer das Ergebnis der Multiplikation von der Voltzahl (Spannung) mit der Amperezahl (Stromstärke).
Ausgedehntes Glühen
Ab Leistungen von 20 bis 30 Watt beginnt oft die gesamte Drahtlänge hell zu glühen. Wo aber Draht den Boden berührt ist das Gühen deutlich dunkler. Auch an Stellen, an denen man den Draht kurz mit eine Finger berührt, geht das helle Glühen sofort zurück. Vermutlich wird an den Stellen viel Wärmeenergie abgelieitet in den Untergrund oder den Körper.
Ungefährliche Temperatur
Obwohl der Draht Temperaturen von wahrscheinlich über 800 bis 900 °C hat kann man ihn kurz mit dem Finger antippen. Man spürt dabei nichts. Erst wenn man den Finger fest und etwas länger auf den Draht hält, spürt man die Hitze. Der Grund dafür ist, dass nicht die Temperatur alleine über das Hitzegefühl an der Haut entscheidet sondern auch die Geschwindigkeit der Temperaturänderung und die Menge der fließenden Wärmeenergie, und gerade letztere ist wegen des dünnen Drahtes eher sehr gering. Siehe auch Thermorezeption ↗
Zerglühen des Drahtes
Ab einer bestimmten Wattzahl (Leistung) brennt der Draht irgendwo an einer Stelle durch. Der Strom hört schlagartig auf zu fließen und das Glühen verschwindet sofort.
Glüh-Draht mit Wasserkühlung
Ist der Draht ausreichend lang, kann man Teile von ihm auch unter Wasser halten. Glühende Bereiche werden sofort erkalten und ihr Glühen verlieren. Trotzdem fließt weiter der Strom durch den Draht. Zieht man das entsprechende Stück Draht wieder aus dem Wasser, beginnt es sofort wieder sichtbar zu glühen.
Glüh-Draht mit Scheren-Überbrückung
Hat man einen Draht über seine gesamte Länge zum Glühen gebracht, kann man die metallenen Enden einer leicht geöffneten Schere so auf den Draht legen, dass der Strom über die Schere fließen kann. Dadurch wird schlagartig weniger Strom durch den Draht zwischen den Scherenenden fließen: dieses Drahtstück wird sofort erkalten und sein Glühen verlieren. Gleichzeitig ist der Gesamtwiderstand des Draht herabgesetzt und es fließt mehr Strom. Dieser wird vor allem in den kurzen verbleibenden Drahtstücken in Wärme umgesetzt, sodass diese Stücke schlagartig heller werden. Im Extremfall glühen sie sofort durch und zerbrechen.
Die Farbeffekte beim Glühen
Je heißer der Draht, desto heller und weißlich die Farbe des Gühens: die Angaben unten gelten für Stahl in schwach erhellten Räumen bei zerstreutem Tageslicht. Sie gelten nicht bei direktem Sonnenlicht oder künstlicher Beleuchtung[1].
- Helle Weissglut 1300° C
- Mattweissglühend 1200° C
- Hellgelb 1100° C
- Gelb 1000° C
- Hellgelbrot 950° C
- Gelbrot 900° C
- Hellrot 850° C
- Hellkirschrot 800° C
- Kirschrot 750° C
- Dunkelkirschrot 700° C
- Dunkelrot 650° C
- Braunrot 600° C
- Mehr unter Glutfarbe ↗
Was ist ein Kaltleiter?
Als Kaltleiter bezeichnet man elektrische Leiter, etwa Metalldrähte, die vor allem bei kalten Temperaturen den elektrischen Strom gut leiten. Gut leiten heißt, dass der Leiter dann einen niedrigen elektrischen Widerstand hat. Viele (nicht alle) Leiter sind bei kalten Temperaturen bessere Leiter als bei hohen Temperaturen. Oder umgekehrt gedacht: je höher die Temperatur, desto höher der Widerstand und desto schlechter der Leiter. Das trifft auf den hier beschriebenen Leiter zu. Lies mehr unter Kaltleiter ↗
Fußnoten
- [1] Glühfarben und Temperaturen. Emil Vögelin AG Stahl und Industrieprodukte. Rinaustrasse 476, CH-4303 Kaiseraugst (Schweiz). Online (2022): http://www.voegelinag.ch/DE/doc/Gluehfarben_und_Temperaturen_Stahl.pdf