Stromkreise aus leitfähiger Knete

Was das Kind lernt

• Dass es Materialien gibt, die Strom durchlassen (Salzknete, Metalle, Salzwasser), und andere, die es nicht tun (Zuckerknete, Plastik, Papier).
• Dass ein Stromkreis ein geschlossener Weg vom + zum − der Batterien sein muss, der durch die LED führt.
• Dass die LED eine Polung hat: Das lange Bein (+) muss auf die Seite des roten Kabels.
• Was ein Kurzschluss ist: Wenn sich die beiden Klumpen berühren, nimmt der Strom die Abkürzung und die LED geht aus.
• Dass mehrere LEDs parallel geschaltet (jede mit ihren Beinen in denselben beiden Klumpen) alle gleichzeitig leuchten.

Vorher vorbereiten

• Koch am Vortag die leitfähige Knete (Rezept in Schritt 1–2) und bereite die isolierende vor. Bewahre sie in verschlossenen Beuteln im Kühlschrank auf; sie halten 2–3 Wochen.
• Prüfe, ob die Batterie und jede LED funktionieren: Berühre die Beine der LED 1 Sekunde lang direkt mit den Kabeln (langes Bein an Rot). Wenn sie nicht leuchtet, tausch die LED aus.
• Wenn die Kabelenden des Batteriehalters kurz sind, isolier sie ab, bis 15 mm Kupfer frei sind, und verdrill die Litzen, damit sie nicht aufspleißen.
• Bieg die Beine jeder LED zu einem V auf: etwa 15 mm Abstand zwischen den Spitzen (bei den 3 Ampel-LEDs 25 mm).
• Drucke Vorlage A (Arbeitsunterlage) aus, damit die ersten Stromkreise auf den Markierungen gebaut werden.

Materialien und Werkzeuge

• Weizenmehl — 1 Tasse (≈ 125 g) für die leitfähige Knete + 1½ Tassen (≈ 190 g) für die isolierende
  normales Weizenmehl
• Feines Salz — ¼ Tasse (≈ 70 g)
  Speisesalz; es macht die Knete leitfähig
• Weinstein — 3 Esslöffel (≈ 25 g) kaufen
  Kaliumhydrogentartrat, bei den Backzutaten; macht die Knete elastisch und hilft bei der Haltbarkeit
• Weißer Zucker — ½ Tasse (≈ 100 g)
  für die isolierende Knete (gelöster Zucker leitet nicht)
• Pflanzenöl — 1 Esslöffel (leitfähig) + 3 Esslöffel (isolierend)
  Sonnenblumenöl oder mildes Olivenöl
• Leitungswasser — 1 Tasse (240 ml)
  für die leitfähige Knete
• Destilliertes Wasser — ½ Tasse (≈ 120 ml) kaufen
  für die isolierende Knete: Leitungswasser enthält Salze und würde sie etwas leitfähig machen
• Lebensmittelfarbe — 4–6 Tropfen pro Knete
  eine kräftige Farbe für die leitfähige (z. B. grün) und die isolierende weiß oder gelb lassen, damit man sie immer unterscheidet
• LEDs 5 mm — 6 (2 für die Augen + Ersatz und Ampel) kaufen
  diffus, 5 mm: 2 rote, 2 gelbe, 2 grüne (2 V, 20 mA)
• Batteriehalter 3 × AA mit Schalter — 1 kaufen
  4,5 V, mit rotem (+) und schwarzem (−) Kabel von 15 cm, Enden 15 mm abisoliert
• AA-Alkalibatterien — 3 kaufen
  je 1,5 V, neu
• Zipperbeutel — 2
  um jede Knete getrennt im Kühlschrank aufzubewahren

Werkzeuge

• Beschichteter Topf und Holzlöffel — die leitfähige Knete kochen Erwachsene
• Große Schüssel — die isolierende Knete mischen (wird nicht gekocht)
• Messbecher 240 ml und Messlöffel — die Zutaten abmessen
• Modellierstäbchen oder Zahnstocher — die Figur formen und Löcher für die Beine vorstechen
• Lineal — den Abstand zwischen den Klumpen und zwischen Kabel und LED prüfen
• Schere oder Abisolierzange — die Kabelenden 15 mm abisolieren, falls sie es noch nicht sind Erwachsene

Teile und Vorlagen

• A · Arbeitsunterlage: erster Stromkreis ×1 — Papier oder Fotokarton 160 g/m² (laminiert oder mit breitem Klebeband abgedeckt, damit es nicht schmutzig wird)
• B · Ampel-Schablone (3 LEDs parallel) ×1 — Papier 80 g/m²

Schritt für Schritt

1. Koch die leitfähige Knete Erwachsene

   Misch in einem beschichteten Topf kalt 1 Tasse Wasser, 1 Tasse Mehl, ¼ Tasse Salz, 3 Esslöffel Weinstein, 1 Esslöffel Öl und 5 Tropfen grüne Lebensmittelfarbe. Rühr mit dem Holzlöffel, bis keine Klümpchen mehr da sind.

   Tipp: Kalt mischen verhindert Klümpchen: Erst erhitzen, wenn alles aufgelöst ist.

2. Dick die Knete auf dem Herd ein Erwachsene

   Erhitze sie bei mittlerer Hitze 3–5 Minuten unter ständigem Rühren. Wenn sich eine Kugel bildet, die sich vom Topfboden löst, schalte aus und kipp die Knete auf einen Teller. Lass sie 10 Minuten abkühlen und knete sie 1 Minute.

   Prüfe: Die Knete klebt nicht an den Fingern und nimmt wieder ihre Form an, wenn du sie drückst. Wenn sie klebrig ist, koch sie 1 Minute länger.

3. Bereite die isolierende Knete vor

   Misch in einer Schüssel 1 Tasse Mehl, ½ Tasse Zucker und 3 Esslöffel Öl. Gib löffelweise destilliertes Wasser dazu und knete, bis sich eine Kugel bildet (etwa 6–8 Esslöffel). Zum Schluss nach und nach noch ½ Tasse Mehl einarbeiten, bis sie nicht mehr klebt.

   Prüfe: Wenn sie an den Händen klebt, gib löffelweise Mehl dazu.
   Tipp: Lass sie weiß oder gib ihr eine ganz andere Farbe als der leitfähigen: So verwechselst du sie nie.

4. Bereite Batteriehalter und LEDs vor

   Leg 3 AA-Batterien in den Batteriehalter, achte auf + und −, und lass den Schalter auf OFF. Bieg die Beine von 2 LEDs mit den Fingern zu einem V auf, bis die Spitzen 15 mm auseinander sind. Schau, welches das lange Bein (+) ist.

   Prüfe: Schalter auf ON, berühre kurz die LED-Beine mit den Kabeln (lang an Rot): Sie muss leuchten. Wieder auf OFF.

5. Mach die zwei Klumpen

   Form aus leitfähiger Knete zwei Kugeln von Ø 50–60 mm (so groß wie eine kleine Mandarine) und leg sie auf die Kreise der Unterlage A, mit dem 10 mm dicken Streifen isolierender Knete dazwischen.

   Prüfe: Miss mit dem Lineal: Zwischen den beiden Klumpen sind 10 mm isolierende Knete und sie berühren sich nirgends.

6. Steck die Kabel hinein

   Steck 15 mm des abisolierten Endes des roten Kabels in den linken Klumpen, auf den roten Punkt der Unterlage, und das schwarze Kabel in den rechten Klumpen, auf den schwarzen Punkt. Verdrill das Ende vorher, damit es wie ein kleiner Nagel wird und gerade hineingeht.

   Tipp: Wenn das Kupfer beim Hineinstecken aufspleißt, bieg das Ende zu einem U von 10 mm: Es geht besser hinein und hat mehr Kontakt.

7. Setz die LED als Brücke ein

   Steck das lange Bein der LED in den Klumpen mit dem roten Kabel und das kurze in den Klumpen mit dem schwarzen Kabel, 5–8 mm tief, nahe der isolierenden Knete. Jedes Bein muss mindestens 20 mm vom Kabel seines Klumpens entfernt sein.

   Prüfe: Die beiden Beine berühren sich nicht und jedes steckt in einem anderen Klumpen.

8. Einschalten

   Stell den Schalter auf ON. Die LED muss sofort leuchten. Wenn nicht, zieh die LED heraus, dreh sie um (langes Bein in den anderen Klumpen) und steck sie wieder hinein.

   Prüfe: Schalte aus, nimm den Isolierstreifen weg und schieb die Klumpen zusammen, bis sie sich berühren; beim Einschalten leuchtet die LED nicht (Kurzschluss). Schalte sofort aus, trenn sie, leg den Streifen wieder dazwischen und sie leuchtet wieder.

9. Modellier den Körper des Monsters

   Schalte aus. Füg die beiden leitfähigen Klumpen zu einem Körper zusammen (einer ist die linke, der andere die rechte Seite), mit einer 10-mm-Wand aus isolierender Knete dazwischen, von oben bis unten, wie ein Scheitel in der Mitte. Setz Arme und Füße aus isolierender oder leitfähiger Knete an, aber jedes leitfähige Teil darf nur EINE Seite berühren.

   Tipp: Überzieh den isolierenden Streifen außen mit einer dünnen Schicht farbiger isolierender Knete, wenn man die Trennung nicht sehen soll.

10. Setz die Leuchtaugen ein

    Steck 2 LEDs in den Kopf, jede mit dem langen Bein auf der linken Seite (rot) und dem kurzen auf der rechten (schwarz), quer durch die isolierende Wand. Setz die beiden Augen etwa 20 mm auseinander.

    Prüfe: Schalte ein: Beide Augen leuchten gleichzeitig. Wenn nur eins leuchtet, steckt das andere falsch herum.

11. Bau die Ampel

    Form mit der Schablone B zwei Säulen aus leitfähiger Knete von 45 × 115 mm, getrennt durch 20 mm isolierende Knete. Bieg die Beine einer roten, einer gelben und einer grünen LED auf 25 mm auf (mit 15 mm reichen sie nicht von einer Säule zur anderen) und steck sie mit allen langen Beinen in die Säule mit dem roten Kabel.

    Prüfe: Beim Einschalten leuchten alle drei LEDs. Nimmst du eine heraus, leuchten die anderen weiter: Sie sind parallel geschaltet.

12. Aufräumen und aufbewahren

    Schalte aus und zieh LEDs und Kabel heraus. Bewahre jede Knete in ihrem gut verschlossenen Beutel im Kühlschrank auf, ohne sie zu vermischen. Wisch die LED-Beine mit einem feuchten Papier ab und trockne sie, damit sie nicht oxidieren.

Funktioniert es? Der Test

Bau den ersten Stromkreis auf der Unterlage A mit einer roten LED und 4,5 V. Schieb dann die Klumpen zusammen, trenn sie wieder und setz die LED an eine andere Stelle.

Was passieren soll: Die rote LED leuchtet gut, sobald der Schalter auf ON steht. Berühren sich die Klumpen, geht sie sofort aus. Steckt die LED falsch herum, leuchtet sie nicht (und geht nicht kaputt). Rückst du die LED näher an die Kabel, leuchtet sie heller, weiter weg schwächer, weil die Knete einen Widerstand hat.

Wenn etwas nicht klappt

• Die LED leuchtet überhaupt nicht — Nicht leitfähige Masse (gekaufte Wachsknete) oder LED falsch herum. Lösung: Nimm die Salzknete (oder Play-Doh-ähnliche). Dreh die LED um: langes Bein in den Klumpen mit dem roten Kabel.
• Sie leuchtet nur sehr schwach — Zu wenige oder leere Batterien, zu lange Klumpen oder weiße/blaue LED. Lösung: Nimm 3 neue AA-Batterien, rück die LED näher an die Kabel (nicht unter 2 cm), mach die Klumpen dicker und probier eine rote LED.
• Sie leuchtet, geht aber aus, wenn man die Figur anfasst — Beim Drücken berühren sich die beiden Klumpen irgendwo (Kurzschluss). Lösung: Verbreitere die isolierende Wand auf 10 mm und schau unter der Figur nach, wo sie oft zusammenkommen.
• Die LED leuchtete sehr hell und ist für immer aus — Das LED-Bein steckte direkt neben dem Kabel: Mit fast keiner Knete dazwischen war der Strom zu hoch. Lösung: Tausch die LED aus und lass immer mindestens 2 cm Knete zwischen Kabel und Bein.
• Bei mehreren LEDs leuchtet eine und die andere nicht — Eine steckt falsch herum oder beide Beine stecken im selben Klumpen. Lösung: Prüfe, dass alle langen Beine im Klumpen mit dem roten Kabel stecken und jede LED die isolierende Wand überbrückt.
• Auch über die isolierende Knete leuchtet sie — Sie ist mit Leitungswasser gemacht oder enthält Reste von Salzknete. Lösung: Mach sie mit destilliertem Wasser und wasch dir zwischen den beiden Kneten die Hände.
• Die leitfähige Knete trocknet aus und wird rissig — Sie lag an der Luft. Lösung: Knete sie mit ein paar Tropfen Wasser durch; bewahre sie immer im verschlossenen Beutel auf.

Sicherheit

• Die Knete enthält viel Salz: nicht essen. Wasch dir danach die Hände und behalte Kinder unter 5 Jahren im Auge.
• Die leitfähige Knete wird auf dem Herd gekocht: Der Erwachsene bereitet sie zu und wartet, bis sie abgekühlt ist, bevor die Kinder sie bekommen.
• Verbinde die Kabel des Batteriehalters nie direkt miteinander: Die Batterien werden heiß.
• Verwende nur AA-Batterien (höchstens 4 × AA = 6 V). Niemals Steckdosen oder Ladegeräte: Netzstrom ist gefährlich.
• LEDs und Batterien sind Kleinteile: von Kindern unter 3 Jahren fernhalten. Die LED-Beine pieksen.
• Schalte nach dem Spielen aus: Berühren sich die Klumpen bei eingeschaltetem Batteriehalter, sind die Batterien in wenigen Stunden leer.

Die Wissenschaft dahinter

Für die Kinder

Strom ist wie eine Menge kleiner Ameisen, die aus der Batterie durch das rote Kabel herauskommen und durch das schwarze Kabel wieder nach Hause wollen. Die Salzknete ist ein Weg, auf dem sie laufen können; die Zuckerknete ist wie eine Mauer. Wenn zwischen den beiden Klumpen eine Mauer steht, ist die LED die einzige Brücke, und wenn die Ameisen darüberlaufen, leuchtet sie. Berühren sich die Klumpen aber, nehmen die Ameisen die Abkürzung und keine läuft mehr über die LED: Sie geht aus.

Für Erwachsene

Salz (NaCl) löst sich im Wasser der Knete in bewegliche Ionen Na⁺ und Cl⁻: Die Knete ist ein Ionenleiter mit einem spezifischen Widerstand in der Größenordnung von einigen zehn Ω·cm, sodass ein Klumpen von wenigen Zentimetern einige hundert Ohm hat. Zucker dagegen löst sich, ohne Ionen zu bilden, und mit destilliertem Wasser hat die isolierende Knete einen viel höheren Widerstand (MΩ). Eine rote LED braucht ≈ 1,8–2 V, um zu leiten, und ihr nutzbarer Strom liegt bei 5–20 mA; bei 4,5 V fällt die übrige Spannung (≈ 2,5 V) am Widerstand der Knete ab, die als Vorwiderstand wirkt: Mit etwa 300 Ω Knete (≈ 150 Ω pro Klumpen) fließen ≈ 8 mA. Deshalb braucht man keinen Widerstand, aber steckt das Bein direkt neben dem Kabel, sinkt der Widerstand dieses Abschnitts und die LED kann überlastet werden. Die LED ist eine Diode: Sie leitet nur, wenn die Anode (langes Bein) auf höherem Potential liegt als die Kathode. Berühren sich die Klumpen, ist der Widerstand der Abkürzung viel kleiner als der des LED-Zweigs, und fast der ganze Strom fließt dort hindurch (Kurzschluss). Mehrere parallel geschaltete LEDs bekommen dieselbe Spannung; weiße und blaue (≈ 3 V) leuchten kaum, weil für die Knete zu wenig Spannung übrig bleibt.

• Leiter: Material, durch das Strom leicht fließt (Metall, Salzwasser, Salzknete).
• Isolator: Material, das keinen Strom durchlässt (Plastik, Zuckerknete).
• geschlossener Stromkreis: vollständiger Weg vom + der Batterie bis zum − durch die LED.
• Kurzschluss: Abkürzung, auf der der Strom die LED umgeht.
• Polung: Die LED hat eine +-Seite (langes Bein) und eine −-Seite; sie funktioniert nur in einer Richtung.
• Ion: elektrisch geladenes Teilchen aus gelöstem Salz, das sich durch die Knete bewegt.

Nach Alter

• 5–7 Jahre: Der Erwachsene bereitet die Kneten, den Batteriehalter und die LEDs mit aufgebogenen Beinen vor und markiert das lange Bein mit einem roten Filzstift. Das Kind formt die Klumpen, setzt die isolierende Wand und steckt die LED nach der Unterlage hinein. Das Wichtigste: „Wenn sie sich berühren, geht sie aus.“
• 8–10 Jahre: Sie machen alle Schritte, helfen beim Abmessen der Zutaten und machen die isolierende Knete. Sie bauen das Monster mit zwei Augen und die Ampel und finden selbst heraus, warum eine falsch herum gesteckte LED nicht geht.
• 11–12 Jahre: Lass sie mit einem Multimeter den Widerstand einer Knetwurst von 5, 10 und 20 cm messen und ein Diagramm zeichnen. Challenge: den LED-Strom mit dem ohmschen Gesetz berechnen und eine Figur mit LEDs in Reihe und parallel entwerfen.

In der Gruppe oder in der Klasse

Teams aus 2–3 Kindern. Bereite am Vortag 2 ganze Rezepte leitfähige und 2 isolierende Knete vor (reicht für 8–10 Teams). Pro Team: ein leitfähiger Klumpen von 150 g, 80 g isolierende Knete, 1 Batteriehalter 3 × AA mit Batterien, 4 LEDs (rot, gelb, grün und eine als Ersatz) und die ausgedruckte Unterlage A. Einheit von 50 min: 10 min Vorführung des Kurzschlusses, 15 min erster Stromkreis auf der Unterlage, 20 min freie Figur oder Ampel, 5 min Aufräumen. Halte ein Glas für gebrauchte LEDs und beschriftete Beutel für die Kneten bereit.

Challenges

• Bau ein Monster mit Augen in einer Farbe und Mund in einer anderen, alles mit einem einzigen Batteriehalter.
• Bau einen Knete-Schalter: ein Stück leitfähige Knete, das beim Drücken die Lücke schließt und die LED einschaltet.
• Füg einen aktiven Summer von 3–5 V hinzu (langes Bein in Klumpen +) und bau eine Figur, die piept.
• Schalte zwei LEDs in Reihe (hintereinander in drei Klumpen) und vergleiche ihre Helligkeit mit zwei parallel geschalteten: Warum leuchten sie schwächer?
• Entwirf eine Knetstadt mit Straßenlaternen: mehrere leitfähige Säulen, verbunden durch „Straßen“, und ein einziger Batteriehalter.

Weitere kostenlose Projekte

• Schwebendes Gespenst mit statischer Elektrizität
• Kürbislaterne mit flackerndem Licht
• Röhren-Taschenlampe mit Schalter
• Tischventilator mit Motor
• Türalarm mit Summer
• Zitronenbatterie, die eine LED leuchten lässt
• Ampel mit drei Lichtern
• Haus mit LED-Licht in jedem Zimmer
• Spukhaus mit leuchtenden Augen
• Taster-Telegraf

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