Thema Nr. 2. Stromverbrauch

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1 Thema Nr. 2 Stromverbrauch In einer Pressenotiz war folgende Information zu lesen: Der Stromverbrauch in den Haushalten ist in den Letzten Jahren leicht angestiegen! 1. Diskutieren Sie diese Meldung aus physikalischer Sicht! Der Begriff Stromverbrauch ist aus physikalischer Sicht schlichtweg falsch, denn Strom kann man nicht wie z. B. Benzin verbrauchen. Strom, nachdem er z. B. ein Elektrisches Gerät durchflossen hat, immer noch in gleicher Stärke vorhanden ist. Um denn Sinn der Pressemeldung physikalisch richtig wiederzugeben, muss man von einem Anstieg des Strombedarfs sprechen, oder von einem steigenden Verbrauch an elektrischer Energie. Aufgrund der Potentialdifferenz, die der Spannung U entspricht, sind die Ladungsträger in der Lage, an einem Verbraucher, sprich an einem Haushaltsgerät, Arbeit zu verrichten. Diese Arbeit wird dann z.b. über einen Elektromotor in mechanische Arbeit ( z. B. Mixer), in Wärme ( z. B. Heizung) usw. umgewandelt. 2. Beschreiben Sie zwei Experimente, die zur Aufklärung des physikalischen Sachverhalts in Teilaufgabe 1 beitragen können und begründen Sie deren Auswahl! Einmal wäre das Modell eines Wasserkreislaufes geeignet, in den ein Wasserrad eingebaut ist. Mit seiner potentiellen Energie ist das Wasser dann in der Lage, Arbeit an einem Wasserrad zu verrichten, wodurch die potentielle Energie in mechanische Arbeit umgewandelt wird. Geeignet deshalb, weil dieses Experiment den Sachverhalt veranschaulicht, dass die Ladungs-, bzw. Wassermenge, nachdem eine Energieumwandlung stattgefunden hatte identisch ist. Die Ladungsmenge, bzw. Wassermenge bleiben konstant. Um den Sachverhalt noch zu vertiefen, könnte man einen einfachen Stromkreis aufbauen, in den ein Verbraucher ( Glühbirne ) geschaltet ist. Dann werden vor und hinter den Verbraucher je ein Amperemeter geschaltet. Man kann auf diese Weise verdeutlichen, dass, nachdem die Ladungsträger Arbeit verrichtet haben, die Ladungsmenge konstant bleibt. Anschließend könnte man noch den Spannungsabfall über dem Verbraucher messen, um zu zeigen, dass die potentielle Energie der Ladungsträger, d.h. die Spannung, abgenommen hat. 4. Erläutern Sie drei Varianten zur Bestimmung des elektrischen Widerstandes eines Drahtes! Welche Messinstrumente, Gleichungen, Schaltskizzen sind für die von Ihnen beschriebenen Messvarianten notwendig? 1. Man schließt zur Simulation eines Verbrauchers einen Widerstand in einen Stromkreis, in den außerdem ein Amperemeter zur Messung der Ladungsmenge pro Zeit in Reihe geschaltet ist. Anschließend misst man den Spannungsabfall mit einem Voltmeter, das parallel zum Widerstand angeschlossen wird. Zuletzt errechnet man mit der Formel R = U / I den Widerstand. Diese Messmethode wird als sogenannte Zweipunktmethode bezeichnet, da der Spannungsabfall an zwei Punkten, vor und hinter dem Verbraucher, gemessen wird. 1

2 Stromquelle Widerstand R V 2. Einen Widerstand kann man auch mit einem sogenannten Ohmmeter bestimmen. Ein Ohmmeter besteht im wesentlichen aus folgenden Bauteilen: Spannungsquelle, Widerstand, Galvanometer. Alle Bauteile werden in Reihe geschaltet. Ein Widerstand R R wird so gewählt, dass das Galvanometer bei einer festen Spannung Vollausschlag zeigt. Es fließt ein Strom I G, wenn die Klemmen x und y kurgeschlossen werden. Der Widerstand zwischen x und y ist jetzt 0. Besteht keine Verbindung zwischen x und y, so ist der Widerstand unendlich und es ergibt sich kein Ausschlag. Verbindet man x und y nun mit einem unbekannten Widerstand R, so fließt ein Strom, der kleiner als I G ist. I = U / ( R + R G + R R ) ( R G ist der Innenwiderstand des Galvanometers) Der Strom ist eine Funktion von R. Mit Hilfe bekannter Widerstände eicht man nun die Skala des Galvanometers, um R direkt ablesen zu können. Dabei erhält man allerdings keine lineare Skala, da der Zusammenhang nicht linear ist. Da sich bei dieser Methode ein mehr oder minder großer Ablesefehler nicht vermeiden lässt, ist ein solches Ohmmeter nicht als Präzisionsmessgerät zu gebrauchen, dient aber recht gut dazu, die Größenordnung eines Widerstandes zu bestimmen. Auch dies ist eine Zweipunktmethode. OHMMETER Widerstand R 2

3 3. Eine weitere Möglichkeit einen Widerstand zu bestimmen, ist eine Wheatstone- Brücke zu verwenden. Dazu werden folgende Bauteile und Messgeräte gebraucht: Galvanometer, drei bekannte Widerstände, wobei z.b. R 1 und R 2 von einem temperaturunabhängigen Draht bekannter Länge gebildet werden. Als Alternative kann auch ein Präzisionspotentiometer benutzt werden. Der Abgriffpunkt a am Draht ist verschiebbar und bestimmt das Verhältnis zwischen R 1 und R 2, die Summe aus beiden ist konstant. Liegen die Punkte a und b auf dem gleichen Potential, so ist fließt kein Strom durch das Galvanometer, d.h. die Brücke ist abgeglichen. x = Abstand 0 bis a l x = Abstand a bis l c = Proportionalitätskonstante R 1 = cx R 2 = c( l x ) => R 2 / R 1 = ( l x ) / x Fließt durch das Galvanometer kein Strom, so ist der Spannungsabfall zwischen 0 und a gleich dem über R x. => I 1 R 1 = I 2 R x und I 1 / I 2 = R x / R 1 Um nun R x zu bestimmen muss noch beachtet werden, dass der Spannungsabfall über dem oberen Zweig gleich dem über dem unteren Zweig ist. I 1 ( R 1 + R 2 ) = I 2 ( R x + R 0 ) => R x = ( I 1 / I 2 ) ( R 1 + R 2 ) R 0 R x = R x ( 1 + R 2 / R 1 ) R 0 = R x [ 1 + ( l x ) / x ] R 0 = lr x / x R 0 nach auflösen R x = xr 0 / ( l - x ) Die Genauigkeit dieser Messmethode ist sehr genau, da man eine Abweichung von Null misst. Je nach Messgenauigkeit des Galvanometers lassen sich noch kleinste Abweichungen von Null registrieren. 3

4 Organisation und Artikulation 1. Motivation [fragendentwickelnd) [Unterrichtsgespräch] Demonstration des Wasserkreislaufes [darbietend] [Anweisung] [fragendentwickelnd] [Lernzielkontrolle] [Lernzielkontrolle] FZ1 erarbeitet. [Lehrervortrag] Geplante Lehrtätigkeit L liest Pressemeldung vor und stellt anschließend die Frage, ob, und wenn ja, was an dieser Meldung falsch ist. L demonstriert, dass in einem Wasserkreislauf das Wasser ein Wasserrad antreibt und die Wassermenge dabei nicht weniger wird. L gibt allg. Auftrag an die S, sich zu überlegen, warum sich das Wasserrad dreht. L hakt ein: Was passiert, wenn die Wasserstände gleich sind? L stellt die Frage, wie sich dies bei einem Stromkreis verhält, wo ist dort die Druckdifferenz. L lässt einen Schüler wiederholen, was Strom eigentlich ist und warum er fließt. Die Spannungsquelle in einem Stromkreis liefert die Arbeitsfähigkeit der Ladungsträger. Ist sie nicht Erwartetes Schülerverhalten Es entsteht eine Schüler-Lehrer- Diskussion, bei der folgende Schülerantworten möglich sind: - Meine Eltern zahlen eine Stromrechnung, also müssen wir wohl etwas verbrauchen. - Wir bezahlen Energie. Es kommt kein Ergebnis zustande. S greifen auf das bereits behandelte Analogmodell zurück. S antworten, dass das Wasser, wenn es fließt, die Kraft hat, das Rad anzutreiben. S: Es wird kein Wasser fließen.. Ratlosigkeit. Strom nennt man Ladung pro Zeit die sich auf Grund einer Spannung bewegt. (Mit Spannung meint der Schüler Potentialdifferenz). Die Spannung entspricht der Druckdifferenz im Wassermodell und ist ein Maß für die Arbeitsfähigkeit der Ladungsträger. 4

5 Sicherung FZ1 TA1 [Lehrervortrag] FZ2 erarbeitet. Sicherung FZ2 TA2 [Lernzielkontrolle] [Lehrervortrag] [fragendentwickelnd] [Anweisung] vorhanden, fließt auch kein Strom. L verweist auf das Wassermodell: ohne unterschiedliche Wasserstände, fließt kein Wasser. Durch das Wasserrad wird die potentielle Energie des Wassers in mechanische Arbeit umgewandelt. Das selbe passiert in einem Stromkreis mit Hilfe eines E-Motors. E-Motor = Wasserrad Die Ladungsträger können durch ihre potentielle Energie Arbeit an einem Verbraucher ( E-Motor) verrichten. L lässt einen Schüler erklären, wieso fließendes Wasser an einem Wasserrad Arbeit verrichten könne. Das heißt also, dass die Wasserstromstärke(kinetische Energie), die das Wasser durch seine Fließen besitzt wird nicht weniger. L erinnert die Schüler mit einem Experiment: zwei Rädchen vor und hinter dem Verbraucher drehen sich gleich schnell. L fragt. Was meint ihr, wie es sich nun im Stromkreis verhält? L baut lässt einen S einen Auf die eventuelle Frage, wie ein solcher Motor funktioniere, wird der S auf die nächste Stunde verwiesen, in der der Motor ausführlich behandelt werden soll. S antwortet: Auf Grund der Druckdifferenz ist potentielle Energie vorhanden, und diese wird am Wasserrad in mech. Arbeit umgewandelt. Transfer: Ladungsträger verrichten auf Grund einer Potentialdifferenz Arbeit. Ihre Zahl und ihr Geschwindigkeit müssen gleich bleiben. 5

6 [Lehrervortrag] FZ3 erarbeitet. Sicherung FZ3. TA3. [fragendentwickelnd] [fragendentwickelnd] Stromkreis mit Verbraucher zusammenbauen, in den vor und hinter dem Verbraucher ein Amperemeter geschaltet ist. S misst den Strom vor und hinter dem Verbraucher. L: Wie können die angezeigten Stromstärken gedeutet werden? L ergänzt: Dabei nimmt nur die potentielle Energie der Ladungsträger ab nicht aber ihre Zahl. Nochmaliges Vorlesen der Pressemeldung mit anschließender Analyse. Der allgemein gebrauchte Begriff des Stromverbrauchs ist falsch, und wird korrekt als Bedarf an el. Energie bezeichnet. L gibt Impuls durch folgende Frage: Wir haben gesehen, dass das Wasser am Rad seine potentielle Energie in mechanische umgewandelt hat. Das heißt, am Rad findet ein Potentialverlust statt. Analog müsste nun auch im Stromkreis ein Potentialverlust auftreten. Wer kann mir sagen wo er auftritt, und wie wir ihn messen können. 6 Die Strom wird trotz Verbraucher nicht weniger. S sehen, dass die gleiche Ladungsmenge pro Zeit, die an der Stromquelle abgeht auch wieder ankommt, trotz des angeschlossenen Verbrauchers. S wird bewusst, dass der landläufige Begriff des Stromverbrauchs falsch ist, da er fälschlicher Weise suggeriert, dass durch einen Verbraucher die Zahl der Ladungsträger abnimmt. S wissen, dass der Potentialverlust am Verbraucher auftritt. Sie werden antworten, dass man über dem

7 FZ4 erarbeitet. Sicherung FZ4. TA4 L bittet Schüler heraus und lässt ihn ein Voltmeter so in den Stromkreis einbauen, dass der Spannungsabfall gemessen werden kann. L lässt Ergebnis erläutern. Verbraucher den Potentialverlust, d.h. den Spannungsabfall, messen können müsste. Der Potentialverlust der Ladungsträger, lässt sich durch einen Spannungsabfall am Verbraucher nachmessen. FZ1-FZ4 werden in Form von Stichpunkten an der Tafel gesichert (= TA1-TA4) und von den Schülern mitgeschrieben. Um die Feinziele festzuhalten, bzw. nochmals zu sichern und gleichzeitig eine Lernzielkontrolle durchzuführen, wird folgendes Arbeitsblatt ausgegeben (siehe nächste Seite). Lernvoraussetzungen: - Kenntnis des Begriffes Strom als bewegte Ladung pro Zeit - Kenntnis des Analogmodells Wasser-Strom-Kreislauf, hydrostat. Druck - Kenntnis des Begriffes einfacher Stromkreis und welche wesentlichen Bestandteile er enthält - Kenntnis der Funktionsweise und Handhabung eines Amperemeters - Kenntnis des Begriffes mechanische Arbeit, bzw. Energie ( pot., kin. ), und das eine Form der Arbeit bzw. Energie in die andere umgewandelt werden kann. - Kenntnis der Funktionsweise und Handhabung eines Voltmeters - Kenntnis der kin. Energie Lernziele: Grobziel: - Schüler sollen erkennen, dass der Strom an sich, der aus Elektronen besteht, durch den Betrieb von el. Geräten nicht weniger wird, sondern dass die Ladungsträger auf Grund ihrer potentiellen Energie Arbeit an einem Verbraucher verrichten können. ( Statt von Strom müsste man hier genauer von Stromstärke sprechen.) Feinziele: 1. Kenntnis der Spannung als Maß für die Arbeitsfähigkeit der Ladungsträger. 2. Wissen, dass die Ladungsträger auf Grund ihrer potentiellen Energie Arbeit verrichten, nicht durch ihre kinetischen Energie. 3. Bewusstsein, dass Strom nicht verbraucht wird und dass der umgangssprachliche Begriff Stromverbrauch falsch ist und den Bedarf an el. Energie meint. 4. Wissen, dass der Verlust an potentieller Energie in Form eines Spannungsabfalls über dem Verbraucher gemessen werden kann. 7

8 STROMVERBRAUCH- richtig oder falsch? Im Wasserkreislauf, so wissen wir, fließt das Wasser durch eine Druckdifferenz. Im Stromkreislauf entspricht die Spannung der Druckdifferenz im Wasserkreislauf. Sie ist ein Maß für die a) kinetische Energie (3) b) Arbeitsfähigkeit (1) der Ladungsträger. Das heißt also, dass sowohl Wasser wie auch die Ladungsträger potentielle Energie besitzen, mit der sie Arbeit an einem Verbraucher verrichten können. Wir haben in der Stunde gehört, dass der allgemein gebrauchte Begriff Stromverbrauch falsch ist. Strom kann man nämlich nicht wie z.b. Benzin verbrauchen, er ist nach einem Verbraucher immer noch in gleicher Stärke zu messen. Wie müsste man statt Stromverbrauch besser sagen? a) Bedarf an elektrischer Energie (4) b) Energieverbrauch (1) Am Wassermodell kann man folgendes beobachten: in der selben Zeit fließt a) genauso viel (3) b) weniger (2) c) mehr (0) Wasser rein, wie raus. Folglich wird an einem Verbraucher im Stromkreis nur die potentielle Energie umgewandelt, a) Zahl (1) b) Geschwindigkeit (8) der Ladungsträger bleiben gleich. Den Verlust an potentieller Energie kann man mit Hilfe eines a) Amperemeters (4) b) Voltmeters (7) c) Ohmmeters (2) am Verbraucher messen. AUFGABE: wie hoch ist die gemessene Stromstärke an A2 im Vergleich zu A1? A1 V1 V2 A2 a) gleich hoch (9) b) höher (8) c) niedriger (4) V3 8

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