Didaktische FWU-DVD. Elektromotoren. Mit 3D-Interaktion

Transkript

1 Didaktische FWU-DVD Elektromotoren Mit 3D-Interaktion

2 Zur Bedienung Mit den Pfeiltasten der Fernbedienung (DVD-Player) oder der Maus (Computer) können Sie Menüpunkte und Buttons ansteuern und mit der OK-Taste bzw. Mausklick starten. Hauptmenü führt zurück zum Hauptmenü. Um das Arbeitsmaterial zu sichten / auszudrucken, legen Sie die DVD in das Laufwerk Ihres Computers ein und öffnen den Ordner material. Die Datei Inhaltsverzeichnis öffnet die Startseite. Bezug zu Lehrplänen und Bildungsstandards Die Schülerinnen und Schüler lernen die historischen Versuche von Oersted und Faraday kennen; erlernen die Grundlagen, die die Wandlung von elektrischer in kinetische Energie ermöglichen; lernen die Bestandteile eines einfachen Gleichstrommotors kennen; lernen den Aufbau des Einphasen- Reihenschlussmotors als Beispiel eines einfachen Wechselstrommotors kennen; lernen Drehstrommotoren als Synchron- und Asynchronmotoren kennen; lernen den prinzipiellen Aufbau eines Linearmotors kennen; erfahren die Wirkungsgrade und die Einsatzbereiche der verschiedenen Motorarten; lernen die Fortschritte und auch die Problembereiche der Elektromobilität kennen. erkennen die Lorentzkraft als Ursache der Bewegung einer Schaukel im Hufeisenmagneten und können mit der Drei-Finger-Regel die Kraftrichtung bestimmen; können die Komponenten von Elektromotoren benennen und ihre Funktion beschreiben; erkennen die Notwendigkeit eines Kommutators, um eine Drehbewegung aufrecht zu erhalten; erkennen, wie eine Anordnung mit mehreren Spulen einen besser rund laufenden Motor ergibt; erkennen, dass mit Drehstrom ein rotierendes Magnetfeld erzeugt werden kann, das die Synchron- und die Asynchronmotoren antreiben kann; erkennen Vor- und Nachteile von Elektroautos und Hybridantrieben. 2

3 Zum Inhalt Elektromotoren (Film 28 min) Der Film beginnt mit Eindrücken, die die Vielfalt der Verwendbarkeit von Elektromotoren in unserer heutigen Welt aufzeigen und die elektrische Energie als leicht transportierbare und vielfach wandelbare Energieform präsentieren. Der Weg zum Elektromotor beginnt mit einer Betrachtung der historischen Versuche, die das grundlegende Verständnis für die Funktionsweise eines Elektro motors darstellen: Der Oerstedt-Versuch, der erstmals einen Zusammenhang zwischen Elektrizität und Magnetismus aufzeigte und der Versuch von Faraday zur elektromagnetischen Rotation. Anschließend wird der Versuch mit einer Leiterschaukel im Magnetfeld betrachtet. Zum Prinzip des Elektromotors fehlt nun lediglich eine drehbar gelagerte Leiterschleife. Ein Polwender ermöglicht es, die Drehbewegung aufrechtzuerhalten. Es folgt die Betrachtung verschiedener Motoren. Zum Abschluss geht man auf Elektro autos ein und zeigt E-Bikes als modernes Fortbewegungsmittel mit Elektromotor. Zuletzt finden Hybridmotoren Erwähnung. 3

4 Menü Grundlagen (Filmsequenzen / en) Der Weg zum Elektromotor (Filmsequenz 0:40 min) Die weite Verbreitung von Elektromotoren bildet die Einleitung in dieses Thema. Hier werden als Impuls einige Anwendungen von Elektromotoren im Alltag gezeigt. Nutzung von Bewegungsenergie (Filmsequenz 1:40 min) In einem Rückblick auf die vergangenen Jahrhunderte werden einfache Maschinen vorgestellt, die mit Wasserkraft betrieben wurden. Ein Stausee als modernes Äquivalent zum Mühlteich führt zur Gewinnung von elektrischer Energie mittels Wasserkraftwerken. So wird der Wandel von Wasser als Energiequelle hin zur Elektrizität, die nun zum Betrieb vieler Maschinen eingesetzt wird, verdeutlicht. Die Entdeckung des elektromotorischen Prinzips (Filmsequenz 2:50 min) Die Schlüsselexperimente von Oerstedt und Faraday, die den Weg zur Entwicklung von Elektromotoren bahnten, werden vorgestellt. Zunächst erkennt Oerstedt, dass ein Leiter, durch den ein Strom fließt, von einem Magnetfeld umgeben ist. Elektrische Energie kann letztlich mittels eines Magnetfeldes in Bewegungsenergie gewandelt werden. Das Grundprinzip eines Elektromotors (Filmsequenz 6:00 min) Eine Schülergruppe betrachtet die Be- 4

5 wegung einer Leiterschaukel im homogenen Magnetfeld eines Hufeisenmagneten und zeigt, dass sich eine kleine Spule im Feld des Hufeisenmagneten mit Hilfe eines Kommutators kontinuierlich drehen kann. Elektromagnetische Rotation nach Faraday () Die zeigt den Versuchsaufbau von Faradays zur elektromagnetischen Rotation. Leiterschaukel im Hufeisenmagnet () Mit dieser kann das Verhalten einer Leiterschaukel im Hufeisenmagnet erarbeitet werden. Leiterschleife im Hufeisenmagnet (2 en) In zwei en können das Verhalten einer Leiterschleife im Hufeisenmagnet und die Funktion eines Kommutators erarbeitet werden. Kommutator () Damit die Drehbewegung bei einem Gleichstrommotor nicht endet, muss die Richtung des Stromflusses umgepolt werden. Das übernimmt ein Kommutator, auch Stromwender genannt. Menü Verschiedene Motortypen (Filmsequenzen / en) Gleichstrommotoren (Filmsequenz 2:30 min) Hier werden die Gleichstrommotoren detaillierter betrachtet. Der einfache Homopolarmotor aus einer Batterie, einer Schraube, einem kleinen, aber starken Magneten und einem Stück Draht lädt zur Nachahmung ein und zeigt gleich auf einfachste Weise die wichtigsten Bestandteile eines jeden Motors. Anschließend werden die Komponenten eines typischen Gleichstrommotors vorgestellt. Diese folgenden vier Sequenzen bilden gemeinsam den Schwerpunkt Dreh- und Wechselstrommotoren. Drehstrommotoren (Filmsequenz 1:40 min) Synchronmotoren (Filmsequenz 1:50 min) Asynchronmotoren (Filmsequenz 2:00 min) Linearmotoren (Filmsequenz 2:30 min) Der Universalmotor als Reihenschlussmotor, der im Prinzip sowohl mit Wechselstrom als auch mit Gleichstrom betrieben werden kann, ist der erste vorgestellte Wechselstrommotor. Nach der detaillierten Betrachtung seiner Funktionsweise 5

6 werden mehrere Anwendungsbeispiele vorgestellt. Die weiteren Motoren werden mit Drehstrom betrieben. Im Anschluss wird der Asynchronmotor aufgeführt, dessen Rotor keine Stromversorgung benötigt. Zuletzt wird gezeigt, wie man sich einen Linearmotor als aus einem aufgeklappten Synchronmotor entstanden denken kann. Gleichstrommotor () Im Gleichstrommotor ist der Stator ein Dauermagnet, der mit dem Motorgehäuse fest verbunden und damit unbeweglich ist. Der Rotor ist ein Elektromagnet. Statt einer einzelnen Leiterschleife findet man eine kompliziert gewickelte Spulenanordnung. Der Kommutator besteht aus vielen Rechtecken, die im Kreis angeordnet sind. Zwei Schleifkontakte drücken von außen gegen den Kommutator. Sie sind mit einer Gleichstromquelle verbunden. Wechselstrommotor () Mit einigen wenigen Änderungen kann ein Gleichstrommotor auch mit Wechselstrom betrieben werden. Dazu ersetzt man den äußeren Magnet durch geeignet gewickelte Spulen. Rotor und Stator werden nun nacheinander vom selben Strom durchflossen. Synchronmotor () In einem Synchronmotor sind drei Spulen in einem Winkel von je 120 Grad relativ zueinander angeordnet. In dieser Spulenanordnung ist das rotierende Magnetfeld der Stator. Als Rotor wird ein Dauermagnet verwendet oder ein kleiner Elektromagnet, der von Gleichstrom durchflossen wird. Durch seine eigene Drehbewegung folgt der Rotor dem sich scheinbar drehenden Magnetfeld. Dabei läuft er synchron mit dem Magnetfeld mit. Asynchronmotor () Der Rotor eines Synchronmotors kann durch einen elektrischen Leiter ohne eigene Stromzufuhr ersetzt werden. Zum Beispiel durch eine Metallwalze, auch Läufer genannt. In dieser wird ein Strom induziert. Durch die wirkende Lorentzkraft dreht sich auch die Walze. Die Rotation der Walze erfolgt hier immer etwas langsamer als die des Statormagnetfeldes. Diese Art von Motor wird Asynchronmotor genannt. 6

7 Linearmotor () Klappt man symbolisch einen Synchronmotor auf, erhält man einen Linearmotor. Hier ist im Stator ein Wicklungssystem untergebracht, dass entlang des Weges abwechselnde Pole aufweist. Der Rotor besteht aus mehreren Dauermagneten. Die Dauermagneten haben dieselbe Größe wie die Polteilung des Stators. Fließt in den Wicklungen des Stators ein Drehstrom, bildet sich ein wanderndes Magnetfeld, dem der Rotor folgt. Serieller Hybridantrieb () Mit dieser können der Aufbau und die Funktionsweise eines seriellen Hybridantriebs erarbeitet werden. Trouvé Tricycle () Das erste offiziell anerkannte Elektrofahrzeug Trouvé Tricycle wurde von Gustave Trouvé in Paris im Jahr 1881 gebaut. Über eine Kette wurde das große linke Rad angetrieben. Gelenkt wurde über die rechten kleineren Räder. Effizienzvergleich: Diesel Batterie () In dieser werden Masse und Volumen von den Energiespeichersystemen Diesel und Lithium-Ionen-Batterie verglichen. Menü Elektromobilität (Filmsequenz / en) Elektromobilität (Filmsequenz 5:10 min) Diese Sequenz befasst sich mit der derzeit aktuellen Fragestellung der Elektromobilität. Es werden Elektroautos, E-Bikes und Hybridmotoren vorgestellt. Dabei wird auch betont, dass das Problem zurzeit nicht in der Konstruktion der Motoren liegt, sondern in der Bereitstellung der elektrischen Energie. 3D-Interaktion Erforsche den Elektromotor Mit dieser 3D-Interaktion können die Schülerinnen und Schüler den Aufbau und die Funktionsweise von Elektromotoren selbstständig erforschen. Ergänzt werden das Modell und die Animationen eines Gleichstrommotors durch didaktische Elemente wie der Möglichkeit der Beschriftung zum Einüben der richtigen Begrifflichkeiten und dem Lösen von Übungen rund um den Elektromotor. 7

8 Didaktische Hinweise Der Film kann im Fach Physik eingesetzt werden, sobald die Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld thematisiert wird. Zu diesem Zeitpunkt erlaubt er einen praxisnahen Zugang zum Elektromotor. Alternativ kann er zu einem späteren Zeitpunkt, wenn Induktionsphänomene und die Erzeugung von Wechselspannung geläufig sind, einen Einstieg in die vielen technischen Einsatzgebiete darstellen, die sich durch Wechselstrommotoren ergeben. Die einfachen theoretischen Aspekte am Beginn des Films können hier die Grundlagen wieder präsent werden lassen. Alternativ kann die Produktion auch eine Unterrichtseinheit über Halbleitertechnik abrunden, indem man aufzeigt, wie die moderne halbleiterbasierte Regeltechnik erlaubt, für jede Anwendung den optimalen Motor auszuwählen, wobei die passende Versorgung mit elektrischer Energie punktgenau durch Halbleiter bereitgestellt wird. Auch einzelne Abschnitte können jeweils zum Unterrichtseinstieg oder zur Vertiefung eingesetzt werden und vorhandene reale Motormodelle ergänzen. Arbeitsblätter, en und eine 3D- Interaktion unterstützen die Ergebnissicherung. Sie können im Rahmen der Binnendifferenzierung in vielfältiger Weise eingesetzt werden und eignen sich auch für Gruppenarbeiten. Somit können Inhalte der Produktion im Unterricht von der Lehrkraft präsentiert werden, aber auch von den Schülerinnen und Schülern am Computer einzeln oder in Gruppen erarbeitet werden. 8

9 Arbeitsmaterial Als Arbeitsmaterial steht Ihnen im ROM- Teil ein umfangreiches Angebot an ergänzenden Materialien zur Verfügung (siehe Tabelle). Die Arbeitsblätter liegen sowohl als PDFals auch als Word-Dateien vor: Die PDF-Dateien können am PC direkt ausgefüllt oder ausgedruckt werden. Die Word-Dateien können bearbeitet und so individuell an die Unterrichtssituation angepasst werden. Ordner Didaktische Hinweise Arbeitsblätter (mit Lösungen) 3D-Interaktion en Filmtext Programmstruktur Weitere Medien Produktionsangaben Materialien Hinweise zum Einsatz des Films, der Sequenzen und der ergänzenden Arbeitsmaterialien 1) Der Elektromotor 2) Übungen zur Drei-Finger-Regel 3) Der Universalmotor mit Gleichstrom 4) Der Universalmotor mit Wechselstrom 5) Ohne Elektromotor Erforsche den Elektromotor Elektromagnetische Rotation nach Faraday Leiterschaukel im Hufeisenmagnet Leiterschleife im Hufeisenmagnet Kommutator Gleichstrommotor Wechselstrommotor Synchronmotor Asynchronmotor Linearmotor Serieller Hybridantrieb Trouvé Tricycle Effizienzvergleich: Diesel Batterie Filmtext als PDF-Dokument Übersicht über den Aufbau der DVD Informationen zu ergänzenden FWU-Medien Produktionsangaben zur DVD und zum Film 9

10 Programmstruktur Hauptmenü Elektromotoren Grundlagen Sequenzen / en Verschiedene Motortypen Sequenzen / en Elektromobilität Sequenz / en Arbeitsmaterial Arbeitsmaterial Didaktische Hinweise 5 Arbeitsblätter 13 en 3D-Interaktion Filmtext Programmstruktur Weitere Medien Produktionsangaben Untermenü Grundlagen Der Weg zum Elektromotor 0:40 min nerotomortkele Nutzung von Bewegungsenergie 1:40 min Die Entdeckung des 28 min elektromotorischenprinzips 2:50 min Das Grundprinzip eines Elektromotors 6:00 min Elektromagnetische Rotation nach Faraday Leiterschaukel im Hufeisenmagnet Leiterschleife im Hufeisenmagnet rotatum mok Verschiedene Motortypen Gleichstrommotoren 2:30 min Wechselstrommotoren 1:40 min Synchronmotoren 1:50 min Asynchronmotoren 2:00 min Linearmotoren 2:30 min Gleichstrommotor Wechselstrommotor Synchronmotor Asynchronmotor rotomraenil Elektromobilität Elektromobilität 5:10 min Serieller Hybridantrieb Trouvé Tricycle Effizienzvergleich: Diesel Batterie kifarg kifarg 10

11 Produktionsangaben Elektromotoren (DVD) Produktion FWU Institut für Film und Bild, 2015 DVD-Authoring und Design TV Werk München im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2015 DVD-Konzept Dr. Maike Schuchmann 3D-Interaktion 3d-bewegungswerkstatt, Gilching Arbeitsmaterial Dr. Sylvia Becker Pädagogische Referentin im FWU Dr. Maike Schuchmann Begleitheft Dr. Maike Schuchmann Produktionsangaben zum Film Elektromotoren Produktion Schnittblume.tv, Dresden im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2015 Drehbuch und Regie Gabriele Schubert Kamera Michael Schubert Alexander Bischoff Animationen 3d bewegungswerkstatt, Gilching Sprecher Markus Kästle Fachberatung Dr. Sylvia Becker Videomaterial Rakchai Duangdee / shutterstock.com ThyssenKrupp AG / Danke für die Unterstützung Lucia Petermann, Nele Graubner Johann Nierade, Janek Fischer Jolena Burger, Katharina Beger Sabine Krah, Thomas Unterrainer Florian Meyer, Christoph Schubert Autohaus Jörg Pattusch GmbH & Co. KG, Dresden Bayern Park Freizeitparadies GmbH, Reisbach Bilz Bad, Radebeul DLR School Lab TU Dresden, Dr. Janina Hahn Dresdner Verkehrsbetriebe AG, Betriebshof Gorbitz Max Bähr Mühle, Bad Gottleuba Berggießhübel Modellbahnwelt, Bad Gottleuba Berggießhübel Technische Sammlungen Dresden, Maren Dose The Wave Ecar Ralley Warnow Tourismus GmbH, Schwaan Wasserflugtreffen, Dresden Zschoner Mühle, Dresden Redaktion Dr. Maike Schuchmann Nur Bildstellen/Medienzentren: öv zulässig 2015 FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht gemeinnützige GmbH Geiselgasteig Bavariafilmplatz 3 D Grünwald Telefon (089) Telefax (089) info@fwu.de vertrieb@fwu.de Internet 11

12 Didaktische FWU-DVD Elektromotoren Er ist einfach überall: wir finden ihn im Föhn, im Computer, im Rasenmäher oder auch in der Industrie und im Verkehr der Elektromotor. Er wandelt elektrische Energie in Bewegung um, die dann zur Verrichtung von mechanischer Arbeit genutzt wird. Die Produktion erklärt mithilfe anschaulicher Animationen, wie ein Elektromotor funktioniert und stellt einige alltagsbezogene Anwendungsbeispiele vor. Im Arbeitsmaterial stehen Arbeitsblätter, eine 3D-Interaktion, en und weitere ergänzende Unterrichtsmaterialien zur Verfügung. Erscheinungsjahr: 2015 Laufzeit: 28 min Film: 1 Filmsequenzen: 10 en: 12 Sprache: Deutsch DVD-ROM-Teil: Interaktion: Arbeitsblätter: Adressaten: Unterrichtsmaterialien 3D-Interaktion 5 (mit Lösungen) Allgemeinbildende Schule (Klasse 8-11) Schlagwörter: Achterbahn; Antrieb; Asynchronmotor; Batterie; Drehstrom; Drehzahl; Elektrizität; Elektrodynamik; Elektromotor; Elektrotechnik; Energie; Faraday, Michael; Generator; Gleichrichter; Gleichstrom; Hybridantrieb; Kommutator; Kraft; Leiter; Leiterschaukel; Leiterschleife; Linearmotor; Lorentzkraft; Magnet; Magnetfeld; Motor; Oerstedt, Hans Christian; Rotor; Spule; Stator; Stromkreis; Synchronmotor; Universalmotor; Verbrennungsmotor; Verkehrsmittel; Wechselstrom; Wicklung Systematik: Physik Elektrizitätslehre Elektrodynamik Technische Anwendungen Magnetismus FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht gemeinnützige GmbH Geiselgasteig Bavariafilmplatz Grünwald Telefon +49 (0) Telefax +49 (0) info@fwu.de Lehrprogramm gemäß 14 JuSchG GEMAFREI Bestell-Hotline: +49 (0) vertrieb@fwu.de