Didaktische FWU-DVD. Elektrizitätslehre Gleichstrom gegen Wechselstrom Das Duell der Erfinder. Physik. Klasse 9 12.

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1 Didaktische FWU-DVD Elektrizitätslehre Gleichstrom gegen Wechselstrom Das Duell der Erfinder Physik Klasse 9 12 Trailer ansehen

2 Schlagwörter Ames Hydroelectric Generating Plant; Ampère, André-Marie; Edison, Thomas Alva; Elektrifizierung; Elektrizität; Elektrotechnik; Energie; Energiegewinnung; Erfinder; Faraday, Michael; Gefährdung; General Electric; Generator; Gleichrichter; Gleichstrom; Glühlampe; Hochspannungsleitung; Induktion (Elektrizität); Kohlefadenlampe; Konkurrenz; Kraftwerk; Leistung (Physik); Leiter (Physik); Magnetfeld; Ohm, Georg Simon; Patent; Spannung; Strom; Stromkreis; Stromkrieg; Stromnetz; Stromstärke; Technik; Tesla, Nikola; Transformator; Volt; Wasserkraftwerk; Wechselstrom; Westinghouse Electric; Westinghouse, George; Widerstand (Physik); Wirtschaft Systematik Physik Biographien Geschichte Elektrizitätslehre Elektrodynamik Technische Anwendungen Technologie Neuere Geschichte Zeitalter der Entdeckungen, Eroberungen und Erfindungen 2

3 Zum Inhalt Duell der Erfinder (Film 22 min) Der Film zeigt die historische Entwicklung der Energieversorgung und bietet damit über den Lehrplanstoff hinaus Einblicke in die technischen Aspekte der Elektrizitätslehre. Er beginnt mit der Schilderung der Verhältnisse vor der Elektrifizierung. Die Einführung der Gasbeleuchtung in Städten zeigt einen der wichtigen Schritte auf dem Weg zu dem Konzept eines Versorgungsnetzes. Die Schlüsselexperimente der Elektrizitätslehre und deren Interpretation vermitteln Einblicke in den chronologischen Ablauf der rasanten technischen Entwicklung. Nun rücken die Hauptakteure des Stromkrieges in den Vordergrund. Edison wird als Erfinder und Geschäftsmann vorgestellt, der in den Bürgern der Städte einen neuen Markt für Generatoren und Glühlampen sieht. Seine Überlegungen werden beschrieben und die Versorgungslage zu Beginn des Stromkrieges geschildert. Anschließend erfolgt die Vorstellung von Westinghouse und schließlich eine Schilderung des Stromkrieges. Da Westinghouse als Erzähler auftritt, wird schnell klar, dass der Ausgang des Streites aus physikalischer Sicht von Beginn an klar war, und dass es wirtschaftliche Erwägungen waren, die diese Auseinandersetzung verursachten und zumindest für eine Weile aufrecht hielten. Anschließend wird die Entwicklung in anderen Ländern kurz beleuchtet. Auch auf die Verwendung von Gleichstrom in den Höchstspan nungs- Stromauto bahnen wird hingewiesen. Damit zeigt sich, dass die Wechselspannung zwar über lange Zeit die sinnvolle Lösung war, dass sie aber auch Nachteile mit sich bringt. Der Film endet mit einer kurzen Betrachtung der Gefahren von Gleichstrom und Wechselstrom und greift damit einige der Sicherheitsbelange noch einmal auf, die Edison so lange an der Gleichspannung festhalten ließen. Die Welt vor der Elektrifizierung (Filmsequenz 2:40 min) George Westinghouse stellt sich als Leitfigur vor. Er spricht die Schülerinnen und Schüler direkt an und beginnt die Welt zu schildern, wie sie vor der Verfügbarkeit der Elektrizität als Energiequelle war. Die Zeit läuft rückwärts und ein Gerät nach dem anderen verschwindet, bis nur noch rein mechanische Hilfsmittel zur Verfügung stehen. Langsam läuft die Zeit wieder vorwärts, die Dampfmaschine und in der Folge die erste industrielle Revolution werden angesprochen. 3

4 Nun wird der Schwerpunkt auf das Leben in den Haushalten gelegt, wo noch immer die mechanischen Werkzeuge verbreitet waren. Anschließend wird die Beleuchtung betrachtet und der Weg von Tranlampen und Kerzen zum Gaslicht geschildert. Hier wird auch die Straßenbe leuchtung als Fortschritt aufgeführt. Anschließend wird der Stand der Nachrichtenübermittlung in der Zeit vor der Telegrafie beschrieben. Damit ist die Betrachtung der Situation vor der Elektrifizierung abgeschlossen. Entdeckung der Grundlagen der Elektrizität (Filmsequenz 1:50 min) In dieser Filmsequenz werden zunächst die wichtigsten Entdeckungen in der Erforschung der Elektrizität vorgestellt. Die wichtigsten Experimente und Erkenntnisse werden in chronologischer Reihenfolge aufgeführt und so wird das physikalische Phänomen des Elektromagnetismus von Grund auf beschrieben. Abschließend erfolgt eine Einführung in einige der wichtigsten Erfindungen, die die technische Nutzung des physikalischen Grundlagenwissens erst ermöglichten, wie Generatoren, Elektromotoren und Transformatoren. Die Anfänge der Elektrifizierung (Filmsequenz 4:10 min) Mithilfe der neu erfundenen Generatoren und Elektromotoren war es möglich, Bewegungsenergie in elektrische Energie umzuwandeln. Und diese zurück in Bewegungsenergie. Allerdings barg der Transport von elektrischer Energie einige Probleme und war verlustbehaftet. Die physikalischen Gründe für diese Energieverluste werden in dieser Filmsequenz 4

5 beleuchtet und herausgearbeitet, dass sie durch den Einsatz von Wechselstrom verringert werden können. Thomas Alva Edison (Filmsequenz 2:00 min) Während die Dampfmaschinen im Zuge der industriellen Revolution die Arbeitswelt beeinflussten, aber die Haushalte unverändert ließen, versuchte Thomas Alva Edison die Haushalte als Absatzmarkt für seine elektrischen Produkte und seine Gleichstromversorgung zu gewinnen. In dieser Filmsequenz wird Edison vorgestellt und seine Erfindungen und Intentionen werden beleuchtet. George Westinghouse (Filmsequenz 2:50 min) Nachdem Edisons Position dargelegt ist, wird in dieser Filmsequenz George Westinghouse genauer vorgestellt. Einige seiner Erfindungen werden erwähnt und seine Ausgangsposition geschildert: Edison ist etabliert und Westinghouse sucht eine Marktlücke. Dabei hat er auf Wechselspannung gesetzt und erhält bald Verstärkung in der Gestalt von Nikola Tesla, der sich als genialer Erfinder im Bereich der Wechselstromtechnologie herausstellt. Das Duell der Erfinder (Filmsequenz 1:50 min) In den 1890er Jahren waren Thomas Alva Edison und George Westinghouse direkte Konkurrenten um den gleichen Markt. Aus dem resultierenden Kampf um Marktanteile resultierte der Streit, der als Stromkrieg in die Geschichte einging. Er wird nun kurz geschildert. Einige Details der Verunglimpfungskampagne werden beleuchtet, von Zeitungsberichten bis hin zum elektrischen Stuhl. Ausgang des Stromkrieges (Filmsequenz 1:50 min) Die entscheidenden Schritte zur Beilegung des Stromkrieges erfolgten nicht in den Großstädten, sondern in entlegenen Minen in Colorado. Die Auflösung des Stromkrieges in der Form des Sieges der Wechselspannungsversorgung bildet den Abschluss dieser Filmsequenz. Der weitere Verlauf der Entwicklung der Großunternehmen von Edison und Westinghouse wird kurz geschildert. Später Sieg (Filmsequenz 1:50 min) Die Filmsequenz beginnt mit einer kurzen Beschreibung der Entwicklung der Elektrifizierung in anderen Ländern, die weitgehend ohne spektakuläre Streitereien vonstattenging. 5

6 Zuletzt werden die Höchstspannungsnetze beschrieben, in denen Gleichstrom fließt, weil bei großen Stromstärken die Verluste durch Blindströme in Wechselspannungsnetzen größer werden als die Verluste durch das Gleichrichten bzw. Wechselrichten vor bzw. nach der Übertragung. Damit ist als Wechselstrom doch nicht die endgültige Antwort auf alle Energieversorgungsprobleme, die sie zu Beginn des 20. Jahrhunderts noch zu sein schien. Wie gefährlich sind die Stromarten wirklich? (Filmsequenz 2:10 min) Da ein Großteil der Schachzüge im Stromkrieg darauf hinzielten, die jeweils andere Stromart als gefährlich hinzustellen, wird nun untersucht, welche Gefahren nach heutigem Wissensstand tatsächlich mit der Elektrizität verbunden sind. Die Grenzwerte, die heute gelten, werden genannt und mit der Situation zu Zeiten des Stromkrieges verglichen. Dabei stellt sich heraus, dass Edisons Netze tatsächlich aus heutiger Sicht für seine Kunden sicher waren, die von Westinghouse eher nicht. Es wird darauf hingewiesen, dass zum Ausgleich der Gefahren heutzutage ein erhebliches Maß an Sicherheitsvorkehrungen getroffen wird. Bild und Grafiken Die Duellanten (Bild) Die Duellanten im Stromkrieg waren Thomas Alva Edison und George Westinghouse. Eine nicht unerhebliche Rolle spielte weiterhin Nikola Tesla. Porträts von allen drei Erfindern bietet die Möglichkeit zu einem Brainstorming über die Elektrifizierung Amerikas und der Welt und zur Vorstellung der Protagonisten im Duell der Erfinder. Widerstand im Gleichstromkreis (Grafik) Diese Grafik zeigt einen Widerstand in einem Gleichstromkreis mit einer Batterie als Spannungsquelle. Zusätzlich wird ein Blick in den Widerstand geworfen. So kann das Verhalten der Elektronen, die im Widerstand gebremst werden, erarbeitet werden. Kondensator im Gleichstromkreis (3 Grafiken) In drei Grafiken kann der Lade- und Entladevorgang eines Kondensators in einem Gleichstromkreis erarbeitet werden. Spule im Gleichstromkreis (2 Grafiken) In zwei Grafiken kann das Verhalten einer Spule in einem Gleichstromkreis erarbeitet werden. 6

7 Kondensator im Wechselstromkreis (Grafik) Mit dieser Grafik kann das Verhalten eines Kondensators in einem Wechselstromkreis erarbeitet werden. Spule im Wechselstromkreis (Grafik) Mit dieser Grafik kann das Verhalten einer Spule in einem Wechselstromkreis erarbeitet werden. Leiterschaukel im Hufeisenmagnet (2 Grafiken) Die erste Grafik zeigt eine Leiterschaukel in einem Hufeisenmagneten, die an eine Gleichstromquelle angeschlossen ist. So lässt sich das Prinzip Bewegung durch Stromfluss erarbeiten. In der zweiten Grafik sitzt anstelle der Gleichstromquelle ein Lämpchen und die Schaukel wird manuell bewegt. Hier wird durch die Bewegung ein Stromfluss induziert. Drei-Finger-Regel (Grafik) Die Grafik zeigt die Drei-Finger-Regel der rechten Hand. Magnetfeldrichtung, technische Stromrichtung und Lorentzkraft können mit einer Leiterschaukel mit Gleichstromanschluss in einem Hufeisenmagneten in Einklang gebracht werden. Generator und Elektromotor im Vergleich (2 Grafiken) In zwei Grafiken können Gemeinsamkeiten und Unterschiede von Generatoren und Elektromotoren erarbeitet werden. Während beim Generator (links im Bild) Bewegungsenergie in elektrische Energie umgewandelt wird, wird beim Elektromotor (rechts) elektrische Energie in Bewegungsenergie gewandelt. Transformation (Grafik) Mit dieser Grafik kann der Vorgang der Transformation erarbeitet werden. Induktive Kopplung (3 Grafiken) In drei Grafiken wird die induktive Kopplung dargestellt. In Grafik eins und zwei hat die Primärspule weniger Windungen als die Sekundärspule; in der dritten Grafik hat die Primärspule mehr Windungen. Entsprechend wird die dazugehörige Spannung dargestellt. Bezug zu Lehrplänen und Bildungsstandards Die Schülerinnen und Schüler kennen die Meilensteine in der geschichtlichen Entwicklung der Elektrizitätslehre; 7

8 kennen die Aspekte des Stromkrieges; kennen die Problematik eines Versorgungsnetzes mit niedriger Spannung; kennen die Transformierbarkeit als Vorteil der Wechselspannung; kennen den Grund für das Ende des Stromkrieges; kennen die Vorteile von Gleichspannung bei Höchstspannungsnetzen; kennen die Gefahren des elektrischen Stromes; erkennen, dass die elektrische Energieversorgung in kurzer Zeit große Veränderungen im täglichen Leben zur Folge hatte; erkennen die Abhängigkeit der Verlustleistung von der Spannung; erkennen, dass der Stromkrieg auf wirtschaftlichen Erwägungen basierte; erkennen, dass aus physikalischer Sicht die Wechselspannung für ein Versorgungsnetz der Gleichspannung überlegen war; erkennen, dass der Stromkrieg aus wirtschaftlichen Erwägungen und nicht aus physikalischen Gründen entstanden ist; erkennen, dass die Transformierbarkeit von Wechselspannung der entscheidende Vorteil für ein Versorgungsnetz ist. Didaktische Hinweise Der Begriff Stromkrieg taucht im Zusammenhang mit der Betrachtung von Gleichstrom und Wechselstrom recht häufig auf. Schülerinnen und Schüler stolpern beispielsweise bei der Recherche zu Referaten unweigerlich darüber. Die schillernden Figuren Edison und Tesla, und in geringerem Maße auch Westinghouse, tauchen häufig in der Literatur auf, allerdings auch oft durch einen regelrechten Fankult erhöht. Auch die Ereignisse des Stromkrieges werden teilweise hochgespielt. Diese Produktion befasst sich mit der Entstehungsgeschichte der elektrischen Versorgung von Haushalten und somit auch mit dem Stromkrieg. Dabei wird er in die geschichtliche Entwicklung sowohl in den USA als auch weltweit eingebettet. Es wird versucht zu erklären, welche Ursachen dieser erste Normenstreit der Industriegeschichte hatte und auch, wieso der Sieger aus physikalischer Sicht von Beginn an schon feststand. Sie regt zum Nachdenken an und zeigt auf, wie die physikalischen Grundlagen die Entwicklung beeinflussten und wie physikalisches Wissen unsere Welt mitgestaltet. 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) Grafiken Filmtext Programmstruktur Weitere Medien Produktionsangaben Materialien Hinweise zum Einsatz des Films, der Filmsequenzen, den Grafiken und den ergänzenden Arbeitsmaterialien 1) Gleichspannung Wechselspannung 2) Wer kennt sie? 3) Die Wasserkraft der Niagarafälle 4) Pearl Street Station 5) Hochspannungsnetze Was ist da eigentlich unterwegs? Die Duellanten Widerstand im Gleichstromkreis Kondensator im Gleichstromkreis Spule im Gleichstromkreis Kondensator im Wechselstromkreis Spule im Wechselstromkreis Leiter im Hufeisenmagnet (2 Grafiken) Drei-Finger-Regel Generator und Elektromotor im Vergleich (2 Grafiken) Transformation Induktive Kopplung (3 Grafiken) Filmtext zum Film als PDF-Dokument Übersicht über den Aufbau der DVD Informationen zu ergänzenden FWU-Medien Produktionsangaben zur DVD und zum Film 9

10 Programmstruktur Hauptmenü Elektrizitätslehre Gleichstrom gegen Wechselstrom Das Duell der Erfinder Duell der Erfinder Duell der Erfinder Die Duellanten Gleichstrom Wechselstrom Grundlagen der Induktion 22 min Sequenzen Bild Grafiken Grafiken Grafiken Untermenü Duell der Erfinder Die Welt vor der Elektrifizierung 2:50 min Entdeckung der Grundlagen 1:50 min der Elektrizität Die Anfänge der Elektrifizierung 4:10 min Thomas Alva Edison 2:00 min George Westinghouse 2:50 min Das Duell der Erfinder 1:50 min Ausgang des Stromkriegs 1:50 min Später Sieg 2:00 min Wie gefährlich sind die 2:10 min Stromarten wirklich? Arbeitsmaterial Gleichstromkreis mit Widerstand Kondensator im Gleichstromkreis Spule im Gleichstromkreis Gleichstrom Grafik 3 Grafiken 2 Grafiken Arbeitsmaterial Didaktische Hinweise 5 Arbeitsblätter 18 Grafiken, 2 Bilder Filmtext Programmstruktur Weitere Medien Produktionsangaben Wechselstrom Kondensator im Wechselstromkreis Grafik Spule im Wechselstromkreis Grafik Grundlagen der Induktion Leiterschaukel im Hufeisenmagnet 2 Grafiken Drei-Finger-Regel Grafik Generator und Elektromotor im Vergleich 2 Grafiken Transformation 2 Grafiken Induktive Kopplung 3 Grafiken 10

11 Produktionsangaben Elektrizitätslehre: Gleichstrom gegen Wechselstrom Das Duell der Erfinder (DVD) Produktion FWU Institut für Film und Bild, 2016 DVD-Authoring und Design Dicentia Germany GmbH im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2016 DVD-Konzept Dr. Maike Schuchmann Arbeitsmaterial Dr. Sylvia Becker Animationen und Grafiken Jana Pelenus Michael Roth Rainer Uhlemann Bildnachweis Wikimedia Commons Sprecher Andreas Karg Fachberatung Dr. Sylvia Becker Redaktion Dr. Maike Schuchmann Grafiken FWU Institut für Film und Bild Works of the Westinghouse Electric & Manufacturing Company Wikicommons Pädagogische Referentin im FWU Dr. Maike Schuchmann Produktionsangaben zum Film Duell der Erfinder Produktion ligthframe fx im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2016 Drehbuch lightframe fx Dr. Maike Schuchmann Dr. Sylvia Becker Nur Bildstellen/Medienzentren: öv zulässig 2016 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 Elektrizitätslehre: Gleichstrom gegen Wechselstrom Das Duell der Erfinder Zwei Erfinder, ein Ziel das birgt Konfliktpotenzial oder führt sogar zu einem erbitterten Streit. In den 1890er-Jahren wollten Thomas A. Edison und George Westinghouse die USA flächendeckend mit Strom versorgen: Der eine setzte auf Gleich-, der andere auf Wechselstrom. Die Produktion erzählt die Chronologie dieses Stromkrieges, bei der auch Nikola Tesla eine gewisse Rolle spielte, und der bis heute Einfluss auf unsere technisierte Welt hat. Laufzeit 22 min Klasse 9 12 Sprache Film 1 Filmsequenzen 9 Arbeitsblätter 5 DE Grafiken 20 Kompetenzerwerb: Die Schülerinnen und Schüler kennen die Transformierbarkeit als Vorteil der Wechselspannung; kennen die Aspekte des Stromkrieges; kennen die Gefahren des elektrischen Stromes; erkennen, dass die elektrische Energieversorgung in kurzer Zeit große Veränderungen im täglichen Leben zur Folge hatte; erkennen, dass der Stromkrieg auf wirtschaftlichen Erwägungen basierte; kennen die Transformierbarkeit als Vorteil der Wechselspannung. Ausführliche didaktische Hinweise finden Sie im Arbeitsmaterial. Themen Klasse 9 12 Erforschung der Elektrizität Der Stromkrieg Edison, Westinghouse und Tesla Gleichstrom gegen Wechselstrom Elektrifizierung der USA und weltweit Stromtransport Lehrprogramm gemäß 14 JuSchG Gefährlichkeit von Strom GEMAFREI FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht ggmbh Bavariafilmplatz Grünwald Telefon +49 (0) Telefax +49 (0) info@fwu.de Bestell-Hotline: +49 (0) vertrieb@fwu.de