Unterrichtsmaterialien in digitaler und in gedruckter Form. Auszug aus: Die Dynamomaschine von Siemens und die Lenz'sche Regel

Transkript

1 Unterrichtsmaterialien in digitaler und in gedruckter Form Auszug aus: Die Dynamomaschine von Siemens und die Lenz'sche Regel Das komplette Material finden Sie hier: School-Scout.de

2 16. Dynamomaschine und Lenz sche Regel 1 von 30 Die Dynamomaschine von Siemens und die Lenz sche Regel Jürgen Godau, Halle (Saale) Die Welt der Elektrotechnik ist für viele ein Buch mit sieben Siegeln. Wenn es um Strom und Spannung geht, die man ja bekanntlich nicht sieht, sind viele schon am Rand ihrer Vorstellungskraft angelangt. Kommt dann noch der Begriff des Magnetfeldes hinzu, ist die Verwirrung schon vorprogrammiert. Begeben Sie sich mit Ihren Schülern auf eine historische Entdeckungsreise und bringen Sie ihnen mit diesem Beitrag behutsam die faszinierende Welt der Elektrotechnik näher. Kommutator mit Bürsten Polschuh Doppel-T-Anker mit Wicklung Zeigen Sie den 15-minütigen Film zum Thema (auf CD-ROM 23)! Der Beitrag im Überblick Klasse: 10 (G8)/11 Dauer: 5 Stunden Ihr Plus: Schülerexperimente Biografische Informationen zu verschiedenen Physikern (Ampère, Faraday, Lenz, Siemens und Maxwell) Inhalt: Dynamomaschine von Siemens Lenz sche Regel Verschiedene Arten von Strömen: Anlassstrom, Extrastrom, Gegenstrom, Induktionsstrom Generator Elektromotor

3 2 von Dynamomaschine und Lenz sche Regel Fachliche und didaktisch-methodische Hinweise Ampère, Faraday, Lenz, Siemens und Maxwell diese fünf Herren sind prominente Vertreter in der Entwicklungsgeschichte der Elektrotechnik. Ihre Namen spielen in der Geschichte, die hier erzählt wird, eine Rolle. Die handelnde Person ist Werner Siemens. Die Beobachtungen dieses bedeutenden deutschen Erfinders an seiner Dynamomaschine, seine Fragen, seine Schlussketten sowie seine Experimentierreihen sind der rote Faden auf einer Erlebnisreise, auf die sich Ihre Schüler mit diesem Material (M 1 M 10) begeben sollen. Ziel dieser Reise ist die nach Heinrich Lenz benannte Regel, dass der Induktionsstrom seiner Ursache stets entgegengerichtet ist. Auf seinem gedanklichen Weg wird Siemens sich an die Erkenntnisse von Ampère und Faraday erinnern, ohne dass sie zum Vorwissen der Schüler gehören müssen. Das Arbeitsblatt M 11 dient der Verifikation und Festigung der Lenz schen Regel an einem Sachverhalt aus der Erfahrungswelt der Schüler. Begleitend zum Beitrag steht auf der CD-ROM 23 ein Film zur Verfügung. Grundlagen der elektromagnetischen Induktion Im Magnetfeld erfährt ein stromdurchflossener Leiter eine Kraft. Bewegt man einen Leiter im Magnetfeld senkrecht zu dessen Feldlinien, so wird eine Spannung induziert. Wenn sich das Magnetfeld, das eine Spule umgibt, ändert, so wird in der Spule eine Spannung induziert. Die 3. Maxwell sche Gleichung: Didaktisch reduziert, beginnt die Kette zur Herleitung der Lenz schen Regel mit der 3. Maxwell schen Gleichung: rot E = B d oder E ds = B da dt, K A setzt sich im Faraday'schen Induktionsgesetz fort: U ind dφ = dt und endet formalmathematisch beim Minuszeichen in dieser Regel. Allerdings ist dieses Ende der Bemühungen um didaktische Reduktion lediglich ein vorläufiges auf Kursstufenniveau (Sek II). Für die Sekundarstufe I ist eine verbale Formulierung vorzuziehen. Die Lenz sche Regel Der Induktionsstrom ist stets so gerichtet, dass er der Ursache seiner Entstehung entgegenwirkt. In diesem Merksatz ist der Induktionsvorgang bereits auf den Strom reduziert, obwohl im Regelfall Spannung und Strom gleichzeitig erzeugt werden. Diese bewusste Beschränkung hilft in den folgenden Betrachtungen. Gemeinsam mit Werner von Siemens messen die Schüler gerade Ströme sowie insbesondere Induktionsströme. Darüber hinaus ist diese Einschränkung auch bei anderen Unterrichtsbeispielen vorteilhaft. Erklärungen zur Lenz schen Regel werden so verständlicher, da die Schlussketten meist über das vom Induktionsstrom erzeugte Magnetfeld führen. Als Beispiel kann die spektakuläre Induktionskanone genannt werden.

4 16. Dynamomaschine und Lenz sche Regel 3 von 30 Hinweise zur Gestaltung des Unterrichts Folgende didaktische Intensionen prägen das unterrichtliche Vorgehen: Historischer Kontext Zunächst ist die Motivationszenerie zu erwähnen. Wir konzentrieren uns zu Anfang stark auf den historischen Kontext. Auf den Materialblättern M 1 bis M 4 wird intensiv ein geschichtliches Szenario ausgelebt; auf M 5 bis M 10 wird es weiter gepflegt. Bei den Schüleraufträgen erscheinen zunächst kaum physikalische Assoziationen, damit die Schüler vor ihrem geistigen Auge das Leben in Deutschland zur Zeit der Reichsgründung entstehen lassen und dann willig in das historische Laboratorium von Werner von Siemens folgen. Durch die szenischen Darstellungen ( Kopfkino ) auf den weiteren Materialblättern wird diese Stimmung aufrechterhalten. Elektromotor und Generator Aus physikalischer Sicht steht das Anlaufen eines Elektromotors im Zentrum der Beobachtungen. Darüber hinaus wird die Funktionsweise eines Generators untersucht. Die Beobachtungen, die man dabei machen kann, und die Schlussketten, die sich an diese anschließen, sind intellektuell anspruchsvoll. Es treten Begriffe wie Anlassstrom, Extrastrom, Gegenstrom und Induktionsstrom auf. Die Materialien bieten grafische Verständnis- und Merkhilfen an, die als Aufträge an die Lernenden gestaltet sind. Alltagserfahrungen an Kühlschrank, Elektrorasenmäher und Staubsauger Greifen Sie Alltagserfahrungen der Schüler auf, um das Thema Anlaufvorgang eines Elektromotors zu motivieren. Wenn selbige noch nicht vorliegen, initiieren Sie durch eine entsprechende Anpassung Ihres Unterrichtskonzeptes ein zielgerichtetes Beobachten im Haushalt. Anlaufvorgänge im Haushalt zu finden, heißt z. B., den Kühlschrank zu beobachten, das Starten eines Elektrorasenmähers unter die Lupe zu nehmen oder das Einschalten eines Staubsaugers im häuslichen Umfeld unter physikalischer Sicht zu betrachten. Man konzentriert sich dabei auf die Helligkeit von gleichzeitig leuchtenden Lampen. Bei genügend starken Motoren werden diese Lampen kurzzeitig dunkler, was auf den starken Anlassstrom des Elektromotors zurückzuführen ist. Ablauf Die Hinweise zur unterrichtlichen Arbeit mit den folgenden Materialien gründen auf eigenes Erleben. Vorgesehen sind fünf Unterrichtsstunden. Die Zuordnung der Materialien erfolgte nach dem folgenden Schema: Die erste Stunde findet im Computerraum statt. Die Schüler sehen sich den Film an und bearbeiteten die Materialien M 1 M 4. Nach dieser in wesentlichen Teilen der Motivation dienenden Stunde folgte das erste Schülerexperiment im Fachraum mit den Materialien M 5 M 7. In dieser Stunde konzentrieren sich die Schüler voll auf das eigenartige Verhalten eines Elektromotors. Die dritte Stunde erweiterte die Sichtweise dahingehend, dass eine Dynamomaschine sowohl als Motor als auch als Generator genutzt werden kann. Die Materialien M 8 und M 9 führten darüber hinaus zur Lenz schen Regel sowie zu der Erkenntnis, dass im Generatorbetrieb die Drehrichtung die Stromrichtung bestimmt. Den Übergang zur vierten Stunde gestalten Sie je nach Arbeitsgeschwindigkeit der Schüler fließend. Einige Arbeitsgruppen beginnen eventuell bereits mit Material M 10, andere können erst nach häuslicher Nacharbeit zu Beginn der vierten Stunde experimentieren. Den gemeinsamen Abschluss des historischen Ausfluges bildet das Demonstrationsexperiment (Materialblatt M 11). Gleichzeitig werden die Schüler damit wieder in unsere heutige Zeit zurückgeholt. In der fünften Unterrichtsstunde zeigen Sie den Film noch einmal. Anschließend beantworten die Schüler die Fragen zum Film (M 12).

5 4 von Dynamomaschine und Lenz sche Regel Zur Biografie der Wissenschaftler, die in diesem Beitrag eine Rolle spielen: André-Marie Ampère André-Marie Ampère (geb in Lyon; gest in Marseille) war ein französischer Physiker und Mathematiker. Er erkannte, dass die fließende Elektrizität die eigentliche Ursache des Magnetismus ist, und konstruierte als Erster ein Galvanometer zur Strommessung. Nach ihm ist noch heute die internationale Einheit der Stromstärke benannt. Michael Faraday Michael Faraday (geb in Newington, Grafschaft Surrey; gest in Hampton Court Green, Grafschaft Middlesex) war ein englischer Naturforscher. Er gilt als einer der bedeutendsten Experimentalphysiker. Faradays Entdeckung der elektromagnetischen Induktion legte den Grundstein zur Herausbildung der Elektroindustrie. Heinrich Friedrich Emil Lenz Heinrich Friedrich Emil Lenz (geb in Dorpat (Estland); gest in Rom) war Physiker deutsch-baltischer Herkunft. Er studierte an der Universität Dorpat (heute Tartu), war seit 1834 Mitglied der Russischen Akademie der Wissenschaften und von 1840 bis 1863 Rektor der Universität in Sankt Petersburg. Ernst Werner Siemens Ernst Werner Siemens (geb bei Hannover; 1888 geadelt; gest in Berlin) studierte auf dem Weg zum Artillerie-Leutnant der preußischen Armee unter anderem an der Artillerie- und Ingenieurschule Berlin. Er wurde bekannt als deutscher Erfinder, Begründer der Elektrotechnik und Industrieller (Gründung der heutigen Siemens AG). James Clerk Maxwell James Clerk Maxwell (geb in Edinburgh; gest in Cambridge) war ein britischer Physiker. Er studierte Mathematik und Physik in Cambridge und baute in seinen Arbeiten auf Erkenntnissen von Faraday auf. Bekannt sind seine vier nach ihm benannten Gleichungen, die die Gesetzmäßigkeiten von elektromagnetischen Wellen beschreiben. Bezug zu den Bildungsstandards der Kultusministerkonferenz Allgemeine physikalische Kompetenz Inhaltsbezogene Kompetenzen Die Schüler Anforderungsbereich F 1, F 2, E 2 lernen die Entwicklungsgeschichte des I Dynamos kennen, F 3, E 1, E 2, K 4 verstehen das Prinzip des Generators und II Elektromotors sowie deren Unterschiede, F 1, F 2, F 3 zeichnen einen einfachen Schaltplan, II F 4, E 7, K 1 bauen eine einfache Schaltung auf, II, III F 4, E 9, K 1, B 2 messen die physikalische Größe Strom. III Für welche Kompetenzen und Anforderungsbereiche die Abkürzungen stehen, finden Sie vorn im Heft hinter der Inhaltsübersicht.

6 16. Dynamomaschine und Lenz sche Regel 5 von 30 Mediothek Literatur Dominik, Hans: Geballte Kraft. Werner von Siemens Dynamomaschine leitet ein neues Zeitalter ein. Limpert. Berlin Gerthsen, Christian; Vogel, Helmut: Gerthsen Physik. Springer. Berlin/Heidelberg S Grehn, Joachim; Krause, Joachim: Metzler Physik. Schroedel. Hannover S Meyer, Lothar; Schmidt, Gerd-Dietrich: Duden. Basiswissen Schule Physik Abitur. Duden Paetec. Berlin/Frankfurt a. M S Internetadressen Materialübersicht V = Vorbereitungszeit SV = Schülerversuch Ab = Arbeitsblatt D = Durchführungszeit LV = Lehrerversuch Info = Informationsblatt M 1 Ab, Info Die Telegrafen-Bau-Anstalt von Siemens & Halske r Bücher aus der Schulbibliothek r Computer mit Internetzugang M 2 Ab, Info Bei Werner von Siemens im Laboratorium M 3 Fo Forschen mit Grips Ampère, Lenz, Faraday und Siemens r OHP M 4 Ab, Info Die Dynamomaschine Geräteliste r Bücher aus der Schulbibliothek r Computer mit Internetzugang M 5 Ab Der Schaltplan für Siemens Experiment M 6 SV, Ab Experiment zum Anlassstrom der Dynamomaschine D: 15 min r 1 Stromversorgungsgerät r 1 Gleichstrommotor (6 12 V) r 4 Verbindungsleiter r 1 Amperemeter

7 6 von Dynamomaschine und Lenz sche Regel Fortsetzung der Materialübersicht V = Vorbereitungszeit SV = Schülerversuch Ab = Arbeitsblatt D = Durchführungszeit LV = Lehrerversuch Info = Informationsblatt M 7 Ab, Info Siemens Versuch einer Erklärung M 8 SV Wir testen! Der Motor jetzt als Generator! D: 20 min r 1 Stromversorgungsgerät r 1 Gleichstrommotor (6 12 V) r 4 Verbindungsleiter r 1 Amperemeter M 9 SV Siemens prüft weiter! Wir auch! D: 20 min r 1 Stromversorgungsgerät r 1 Gleichstrommotor (6 12 V) r 4 Verbindungsleiter r 1 Amperemeter M 10 SV Jetzt prüfen wir! D: 25 min r 1 Stromversorgungsgerät r 1 Gleichstrommotor (6 12 V) r 4 Verbindungsleiter r 1 Amperemeter M 11 LV, Ab Die Lenz sche Regel am Fahrraddynamo D: 20 min r 1 Fahrraddynamo mit Schnurlaufrolle (z. B. 6 V; 5 W) r 1 Hebelumschalter r 1 Lampe (z. B. 3,8 V; 0,08 A) r 1 Faden (ca. 2 m) mit Massestück 50 g r 10 Stoppuhren oder 1 Demo-Stoppuhr r Verbindungsleiter mit Krokodilklemmen r Magnet-Hafttafel (Leybold) r Vertikaldemonstrationsset (Phywe) r Stativmaterial M 12 Ab Das dynamoelektrische Prinzip Fragen zum Film Die Erläuterungen und Lösungen zu den Materialien finden Sie ab Seite 19.

8 16. Dynamomaschine und Lenz sche Regel 7 von 30 M 1 Die Telegrafen-Bau-Anstalt von Siemens & Halske Aufgaben 1. Lies den folgenden Lebenslauf von Werner Siemens und notiere drei Lebensetappen. 2. Welches große Ereignis in der deutschen Geschichte fällt in sein Leben? Wie alt war Siemens zu diesem Zeitpunkt? 3. Wie nennt man in der Geschichte die Epoche vom 18. Januar 1871 bis zum Börsenkrach 1873? Das Leben von Werner Siemens Werner von Siemens (bis 1888 Werner Siemens) wurde am 13. Dezember 1816 als viertes von 14 Kindern in Lenthe bei Hannover geboren. Seine Eltern konnten ein Ingenieursstudium nicht finanzieren, weshalb er sich als Achtzehnjähriger freiwillig zur preußischen Armee meldete und so an der Artillerie- und Ingenieurschule in Berlin Mathematik, Physik und Chemie studieren konnte. Arbeiten auf dem Gebiet der Telegrafie Sein erstes Patent bezog sich auf eine galvanische Versilberungs- und Vergoldungstechnik. Des Weiteren arbeitete Werner Siemens an der Weiterentwicklung der Telegrafie. Zwei wichtige Erfindungen, die eines Zeigertelegrafen und eines Verfahrens zur nahtlosen Isolierung von Telegrafenleitungen mit Guttapercha, führten schließlich zur Gründung seines ersten Unternehmens. Foto: Werner Siemens (jung) Gemeinsam mit dem Mechanikermeister Johann Georg Halske gründete Werner von Siemens im Oktober 1847 die Telegrafen-Bau-Anstalt von Siemens & Halske. Das Arbeitsfeld der Firma war der Bau von Telegrafenleitungen. Unter anderem begann man 1874 mit der erfolgreichen Verlegung von Transatlantikkabeln zwischen Europa und Nordamerika wurde die erste elektrische Straßenbahnlinie der Welt in Berlin eröffnet. Die erste Straßenbahn Foto: Die Entdeckung des dynamoelektrischen Prinzips Mit der Entdeckung des dynamoelektrischen Prinzips und dem Bau der ersten Dynamomaschine schaffte Werner Siemens im Jahre 1866 seine wohl bedeutendste Erfindung die Grundlage für die Entwicklung der Elektrotechnik schließlich erhielt er den Adelstitel für seine Verdienste. Werner von Siemens starb am 6. Dezember 1892 in Berlin-Charlottenburg.

9 Unterrichtsmaterialien in digitaler und in gedruckter Form Auszug aus: Die Dynamomaschine von Siemens und die Lenz'sche Regel Das komplette Material finden Sie hier: School-Scout.de