Vision-Ing21-Projekt-Dokumentation Materialien für den Unterricht

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1 Vision-Ing /09 Vision-Ing21-Projekt-Dokumentation Materialien für den Unterricht Inhaltsverzeichnis 1. Allgemeine Informationen 2. Zusammenfassung 3. Projektdokumentation 3.1. Zielstellung 3.2. Beschreibung der Projektarbeit 3.3. Aufgabenverteilung / Kommunikation 4. Zusammenarbeit mit dem Partner-Unternehmen / Praxisbezug 5. Sonstiges: Anlagen, Protokolle, andere Unterlagen 6. Quellen und Recherchen 7. Datum und Unterschrift Seite 1 von 12

2 1. Allgemeine Informationen Bearbeitet von Jahrgangsstufe: 7 Schulart: Gymnasium Bearbeitet im Fach: Wahlunterricht Physik Themengebiet: elektrischer Stromkreis, Spannung, Stromstärke und Widerstand, Motor und Generator, elektrische Leistung und Energie Benötigte Vorkenntnisse: Gleich- und Wechselspannung, Wechselrichter Erforderliche technische Ausstattung: Multimeter Wurden Experimente durchgeführt? Messung von Stromstärke, Spannung und Leistung beim Betrieb eines Fahrraddynamos sowie eines Gleichstromgenerators Wurde ein Modell / Objekt gebaut? 1) Förderbandmodell 2) Versuchsaufbau: Antrieb eines Generators durch ein Fahrrad Seite 2 von 12

3 2. Zusammenfassung Bei uns kommt der Strom aus der Steckdose, lautet ein bekannter Spruch. Doch damit ist eben nicht erklärt, was elektrischer Strom eigentlich ist und wie er erzeugt werden kann. In unserem Projekt sind wir diesen beiden Fragen nachgegangen. Zum einen haben wir ein Förderbandmodell gebaut, mit dem man sich den elektrischen Stromkreis veranschaulichen kann. Zum anderen haben wir einen Versuchsaufbau hergestellt, bei dem ein Generator durch ein Fahrrad angetrieben wird. Mit diesem Aufbau können Elektrogeräte wie z. B. ein Radiorekorder betrieben werden. Beim Anschluss eines Gerätes mit größerer Leistungsaufnahme, z.b. einer 60-Watt-Glühbirne, ist das Fahren sehr mühsam. Durch den eigenen Körpereinsatz kann so der Begriff der Leistung erfahrbar gemacht werden. Das Partner-Unternehmen N-ERGIE AG hat das Pirckheimer-Gymnasium in den vergangenen Jahren bereits bei mehreren Projekten unterstützt (z.b. bei der Ausbildung von Schülern zu Energieberatern ). Da die N-ERGIE als Stromanbieter in ihren Kraftwerken große Generatoren betreibt, bot sich eine weitere Zusammenarbeit auch bei diesem Projekt an. Wir haben festgestellt, dass ein Kraftwerksgenerator der N-ERGIE eine ungefähr eine Millionen mal so große elektrische Leistung erzeugen kann, wie diejenige, die mit unserem Versuchsaufbau durch Treten der Pedale eines Fahrrades erzeugt werden kann. 3. Projektdokumentation 3.1. Zielstellung In der 7. Jahrgangsstufe wird im Fach Natur und Technik der Themenbereich elektrischer Strom behandelt. Mit dem im Rahmen dieses Projektes hergestellten Förderbandmodell können die Schüler eine Modellvorstellung vom elektrischen Stromkreis entwickeln. Die Größen Spannung, Stromstärke und Widerstand können anhand dieses Modells in Form einer Analogiebetrachtung anschaulich erklärt werden. Um ein Interesse der Schüler für die Elektrizitätslehre herbeizuführen, sind Experimente sinnvoll, bei denen der elektrische Strom selbst erzeugt werden kann. Im Rahmen dieses Projektes wurde daher ein Aufbau entwickelt, bei dem ein Generator durch ein Fahrrad angetrieben wird. Mit diesem Versuchsaufbau können Elektrogeräte wie z.b. ein Radiorekorder betrieben werden und deren Leistungsaufnahme gemessen werden. In der 8. Jahrgangsstufe kann der Aufbau zum Themenbereich elektrische Energie eingesetzt werden, um den Begriff der elektrischen Leistung einzuführen. Auch in der 9. Jahrgangsstufe kann der Versuchsaufbau bei der Behandlung des Generators verwendet werden. Seite 3 von 12

4 3.2. Beschreibung der Projektarbeit 1. Förderbandmodell Da der elektrische Strom unsichtbar ist, kann man ihn sich nur im Rahmen von Modellen veranschaulichen. Im Unterricht wurde das sogenannte Rutschanlagen-Modell behandelt (siehe Lehrbuch, S. 68 und S. 86, Quelle [1]). Hier wird der elektrische Stromkreis mit einer Rutschbahn in einem Schwimmbad verglichen. Um zukünftig im Unterricht ein Demonstrationsobjekt einsetzen zu können, wurde im Rahmen dieses Projektes ein Förderbandmodell gebaut (siehe Abbildung 1). Durch Drehen eines Rades werden Kugeln von einem Förderband nach oben transportiert (siehe Abbildung 2). Die Kugeln rollen dann über Holzrinnen und ein mit Nägeln besetztes Brett zurück zum Förderband, von wo aus sie wieder angehoben werden. An den Nägeln stoßen die Kugeln immer wieder an und bremsen dabei ab. Die Kugeln entsprechen beim Stromkreis den frei beweglichen Elektronen, die Holzrinnen den Kabeln (siehe Quellen [2] und [3]). Das Förderband mit dem Antrieb entspricht dem Generator. Der höchste Punkt des Förderbands entspricht dem Minuspol, während der tiefste Punkt den Pluspol darstellt. Die Spannung entspricht dem Höhenunterschied des Förderbandes. Die Stromstärke der Kugeln kann definiert werden als die Anzahl der Kugeln, die pro Sekunde über eine gedachte Linie rollen. Bei einem größeren Höhenunterschied würden die Kugeln schneller herunterrollen, die Stromstärke wäre also größer. Bezogen auf den Stromkreis bedeutet dies: Je größer die Spannung, desto größer ist die Stromstärke (bei gleichem Widerstand). Die Zusammenstöße der Kugeln mit Nägeln entsprechen den Zusammenstößen der frei beweglichen Elektronen mit festsitzenden, positiv geladenen Atomen. Das Nagelbrett entspricht also einem elektrischen Widerstand. Je mehr Nägel das Brett aufweist, desto mehr Zusammenstöße der Kugeln mit den Nägeln treten auf. Die Kugeln werden also stärker gebremst. Auf den elektrischen Stromkreis bezogen, bedeutet dies: Je größer der elektrische Widerstand, desto kleiner ist die elektrische Stromstärke (bei gleicher Spannung). Teileliste für das Förderbandmodell: 500 Pachinko-Kugeln (Diese Kugeln werden in japanischen Glücksspielautomaten eingesetzt.) mehrere Holzbretter und Holzleisten Schrauben, Muttern und Nägel mehrere Holzräder zwei Gewindestangen als Wellen PVC-Fußboden als Material für das Förderband Dreiecksprofile aus Kunststoff für die Leisten auf dem Förderband Werkzeug: Bohrmaschine, Schraubendreher, Säge, Hammer, Schraubschlüssel Seite 4 von 12

5 Abbildung 1: Hier werden Leisten am Förderbandmodell befestigt. Abbildung 2: Die Kugeln werden vom Förderband nach oben transportiert und rollen dann über ein mit Nägeln besetztes Brett herunter. Seite 5 von 12

6 2. Antrieb eines Generators durch ein Fahrrad Die Achse des Hinterrades eines Fahrrades wird durch einen Rollentrainer festgeklemmt, so dass das Hinterrad in der Luft schwebt (siehe Abbildung 3). Der Hinterreifen treibt einen Elektromotor an, der sonst in Autoscootern (Fahrgeschäft auf Volksfesten) eingesetzt wird. Dieser Generator liefert eine Gleichspannung, die von der Umdrehungszahl des Hinterrades abhängt. Bei normalem Treten der Pedale dreht sich die Welle des Generators ungefähr 1000 mal in der Minute. Bei dieser Umdrehungszahl liefert der Generator eine Gleichspannung von ungefähr 12 V. Baupläne für einen derartigen Aufbau findet man im Internet (siehe Quellen [4] und [5]). Ein erster Versuch, allein mit dem Gleichstromgenerator eine normale 40-Watt-Glühbirne zum Leuchten zu bringen, schlug fehl. Die Lampe blieb dunkel, weil die Stromstärke und somit die Leistung bei Anschluss einer Gleichspannung von 12 V zu gering ist. Um dennoch die Lampe zum Leuchten zu bringen, müssen wir die Gleichspannung in eine Wechselspannung von 230 V umformen. Ein Gerät, das genau dies leistet, nennt man Wechselrichter und wird in einigen Autos verwendet, um unterwegs Elektrogeräte wie z.b. ein Notebook zu betreiben. Bei unserem Versuchsaufbau wird mit einem Wechselrichter die Gleichspannung des Generators in eine Wechselspannung von 230 V umgewandelt (siehe Abbildung 4 und 5). Auf diese Weise kann eine 40-Watt-Glühbirne und auch andere Elektrogeräte wie z.b. ein Radiorekorder betrieben werden. Der bei unserem Versuchsaufbau eingesetzte Wechselrichter liefert nur dann eine Wechselspannung, wenn die Eingangsspannung in einem Bereich zwischen 10 V und 15 V liegt. Liegt die Gleichspannung des Generators außerhalb dieses Bereichs, so ertönt ein Warnsignal und eine LED leuchtet rot auf. Es kommt also auf ein möglichst gleichmäßiges Treten der Pedale des Fahrrades an, um eine stabile Gleichspannung von ungefähr 12 V zu erzeugen. Am Experimentiertisch am Lenker des Fahrrades ist ein Messgerät angebracht, um die Spannung, die Stromstärke und die Leistung des Gleichstromgenerators messen zu können (siehe Abbildung 4). Hier kann der Radfahrer überwachen, ob er zu schnell oder zu langsam tritt. Am Experimentiertisch befindet sich außerdem noch ein Messgerät, um die Leistung im Wechselstromkreis zu messen. Mit diesem Messgerät wurde zum Beispiel die Leistung bei Anschluss einer 40-Watt-Glühbirne an den Wechselrichter gemessen (siehe Tabelle 1). Wenn man ohne Zuschalten eines Elektrogerätes die Pedale des Fahrrades tritt, fällt einem die Bewegung sehr leicht. Wenn man jedoch einen Verbraucher mit einer größeren Leistungsaufnahme betreibt, z.b. eine 60-Watt-Glühbirne, wird das Fahren sehr mühsam. Beim Treten der Pedale sind die Muskeln der Beine stark belastet. Durch den eigenen Körpereinsatz kann so der Begriff der Leistung erfahrbar gemacht werden (siehe auch [6]). Mit dem hier vorgestellten Versuchsaufbau ist es auch möglich, einen weiteren Generator, nämlich den Fahrraddynamo, zu untersuchen. Auf dem Experimentiertisch am Lenker des Fahrrades sind mehrere Buchsen angebracht, um mit Hilfe von Multimetern die auftretende Spannung und Stromstärke zu messen (siehe Abbildung 4). Die erzeugte elektrische Leistung des Fahrraddynamos kann dann aus den Messwerten von Spannung und Stromstärke berechnet werden (siehe Tabelle 1). Seite 6 von 12

7 Abbildung 3: Ein Generator (Motor eines Autoscooters) wird durch das Hinterrad eines Fahrrades angetrieben. Buchsen zur Messung von Stromstärke und Spannung des Fahrraddynamo Radiorekorder als Verbraucher Messgerät zur Bestimmung der Leistung des Gleichstrom- Generators (Motor eines Autoscooters) Messgerät zur Bestimmung der Leistung im Wechselstromkreis Der Wechselrichter wandelt eine Gleichspannung von 12 V in eine Wechselspannung von 230 V um. Abbildung 4: Experimentiertisch am Lenker des Fahrrades Seite 7 von 12

8 Teileliste: Fahrrad Rollentrainer PROPHETE Heimtrainer für Räder mit 28 Zoll Bereifung Elektromotor UNITE MY1016 B4M6 350W 36V Metallprofile und Schrauben zur Befestigung des Motors am Rollentrainer Holzscheibe mit einem Durchmesser von 10 cm (siehe Quelle [4]) Leistungsmessgerät Watt s Up Wechselrichter skytronic 12 V V 600 W Energiekosten-Messgerät Energy Monitor 3000 von Conrad zwei Holzplatten für den Experimentiertisch am Lenker des Fahrrades Winkel aus Metall drei Buchsen für Bananenstecker Gleichstrom Wechselstrom + _ Motor eines Autoscooters als Generator Wechselrichter Glühbirne als Verbraucher Abbildung 5: Schaltskizze des Versuchsaufbaus Fahrraddynamo bei angeschlossenem Vorderlicht Gleichstromgenerator mit Wechselrichter und angeschlossener 40 W Glühbirne Kraftwerksgenerator der N-ERGIE Spannung U Stromstärke I Leistung P 6,5 V 0,38 A 2,5 W 230 V 0,18 A 41,4 W 10 KV = V 4,7 ka = 4700 A 47 MW = W Tabelle 1: Vergleich der elektrischen Größen eines Fahrraddynamo, eines Gleichstromgenerators (Autoscooter-Motor) und eines Kraftwerksgenerators der N-ERGIE. Seite 8 von 12

9 3.3. Aufgabenverteilung/Kommunikation Die Projektarbeit wurde im Rahmen einer wöchentlich stattfindenden Wahlunterrichtsstunde durchgeführt. Bei der Planung des Förderbandmodells ergaben sich mehrere Fragen: Wie konstruiert man das Grundgerüst mit den Holzrinnen? Wie gelangen die Kugeln auf das Förderband? Wie gestaltet man den Antrieb des Förderbandes? usw. Die Schüler haben hier ihre Ideen eingebracht und verschiedene Lösungswege diskutiert. Beim Bau des Förderbandmodells hat ein Teil der Gruppe die Leisten gesägt, während der andere Teil die Leisten angeschraubt hat (siehe Abbildung 1). 4. Zusammenarbeit mit dem Partner-Unternehmen / Praxisbezug Am 10. März 2009 haben wir das Heizkraftwerk der N-ERGIE AG in Nürnberg-Sandreuth besichtigt und uns über die dort eingesetzten Generatoren informiert. Bei Kraftwerksgeneratoren handelt es um Innenpolgeneratoren, bei denen die äußere Induktionsspule ruht und der innere Elektromagnet rotiert (siehe Abbildung 5). Sowohl beim Drehen des Förderbandes von unserem Modell als auch beim Treten der Pedale des Fahrrades wird deutlich, dass zur Erzeugung von elektrischer Energie mechanische Energie aufgewendet werden muss. Bei einem Wärmekraftwerk wird der Generator durch eine Turbine angetrieben, die durch Dampf zum Drehen gebracht wird. Beim Heizkraftwerk Sandreuth sind insgesamt sechs Generatoren im Einsatz, von denen der größte eine Leistung von 47 Megawatt, also 47 Millionen Watt, erzeugen kann (siehe Abbildung 6 und Tabelle 1). Mit unserem Versuchsaufbau kann durch Treten der Pedale eines Fahrrades eine Glühbirne mit einer Leistung von 40 Watt betrieben werden. Im Vergleich dazu könnte ein Kraftwerksgenerator mit einer Leistung von 40 Megawatt eine Millionen derartige Glühbirnen zum Leuchten bringen. Seite 9 von 12

10 Abbildung 5: Ausstellungsstück eines älteren Kraftwerksgenerators im Maschinenhaus des Heizkraftwerks Sandreuth. Abbildung 6: Im Hintergrund erkennt man einen Kraftwerksgenerator, der eine elektrische Leistung von 47 Megawatt erzeugen kann. Seite 10 von 12

11 5. Sonstiges: Anlagen, Protokolle, Arbeitsblätter, andere Unterlagen Wir haben einen Film aufgenommen, der das Herunterrollen der Kugeln bei unserem Förderbandmodell zeigt. Dieses Video kann im Unterricht eingesetzt werden, wenn kein Modell zur Verfügung steht. 6. Quellen und Recherchen [1] IKARUS Natur und Technik Schwerpunkt Physik, 1. Auflage 2005, Oldenbourg Schulbuchverlag. [2] Interaktive Lernsoftware zur einfachen Elektrizitätslehre und erste Ergebnisse der Erprobung, R. Hengel, D. Schmid, K. Grob und Chr. V. Rhöneck, siehe Internetseite gesehen am [3] Internetseite Bau einer mechanischen Maschine aus Holz, die die elektrische Spannung simuliert : II/projekte/physikprojekte/foerderband/index.html, gesehen am [4] DIY Pedal generator Plans by Ben Jandrell, siehe Internetseite gesehen am [5] Internetseite: gesehen am [6] Internetseite: gesehen am Seite 11 von 12

12 7. Datum und Unterschrift Datum Unterschrift(en): Für die sachliche Richtigkeit: Unterschrift des Lehrers Seite 12 von 12