14. Elektrizitätslehre

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1 14. Elektrizitätslehre 14.1 Schülervorstellungen Elektrizitätslehre 0. Grundschule 1. Strom als Brennstoff / Stromverbrauch 2. Konstantstromquelle: 3. Lokales Denken 4. Sequentielles Denken 5. Der Begriff Spannung 6. Weitere Probleme 14.2 Helfen Analogien? 0. Was sind Analogien? 1. Der geschlossene Wasserkreislauf 2. Das Fahrradkettenmodell 3. Gravitations-/Höhenanalogie 4. Energiehutmodell 5. Wärmeleitungsanalogie 6. Elektronengasdruck-Modell 7. Hinweise

2 14. Elektrizitätslehre Zunächst wieder einige Aufgaben aus Schülertests

3 14.1 Schülervorstellungen Elektrizitätslehre 0. Grundschule: Ein Kabel von der Batterie zur Lampe reicht. Strom fließt zur Lampe und wird dort verbraucht (Einstoffverbrauchsmodell). Im Alltag wird ja auch nur ein Kabel benutzt! Nachdem man zeigt, dass die Lampe nur mit zwei Kabeln leuchtet, kommen eher andere Vorstellungen: Einstoffverbrauchsmodell mit Zweiwegezuführvorstellung: Ein Kabel reicht nicht. Man braucht zwei Wege, damit genügend Strom zur Lampe fließt. Zweistoffverbrauchsmodell: Aus dem Plus- und dem Minuspol kommen zwei verschiedene Stoffe, die beide zur Lampe fließen. Die Lampe brennt nur, wenn dort beide Stoffe ankommen. Man muss also zeigen, wie jeweils die Stromrichtung ist.

4 14.1 Schülervorstellungen Elektrizitätslehre 1. Strom als Brennstoff / Stromverbrauch: Strom ist in der Batterie gespeichert, fließt zur Lampe und wird dort (zumindest teilweise) verbraucht ( Für was zahlen wir sonst unsere Stromrechnung? ). Bei Reihenschaltungen: Vor jeder Lampe ist die Stromstärke größer als nach der Lampe. Im Unterricht garantiert die Demonstration der gleichen Stromstärke vor und nach der Lampe keine dauerhafte Veränderung. Strom meint in unserer Alltagssprache das, was in der Physik mit Energie bezeichnet wird. Damit hängt zusammen: Die Notwendigkeit des geschlossenen Stromkreises ist nicht bewusst (wird nur als Lehrsatz genannt, nicht angewandt) (Alltag: ein Kabel von Steckdose zur Lampe?).

5 14.1 Schülervorstellungen Elektrizitätslehre 2. Konstantstromquelle: Eine Quelle liefert immer eine konstante Stromstärke, unabhängig von der Anzahl angeschlossener Glühbirnen. Ca. 20 % kreuzen an: Nimmt I 2 ab, geht I 1 hoch, I bleibt konstant. Vorstellung hängt mit der Vorstellung Strom als Brennstoff zusammen. Diese Vorstellung wird durch den Begriff Stromquelle gefördert. Deshalb besser: Zunächst Elektrizitätsquelle Später Spannungsquelle

6 14.1 Schülervorstellungen Elektrizitätslehre 3. Lokales Denken Schüler richten ihre Aufmerksamkeit auf einen Punkt des Stromkreises, der Stromkreis als System wird ignoriert. Beispiele: Konstantstromquelle: Strom der Quelle unabhängig vom Rest Strom in Verzweigungen: Strom sieht nur die lokale Verzweigung, Zusammenhang mit Rest des Kreises wird nicht gesehen. Ca. 60 % geben an: I 3 = 0,6 A, I 1 = 0,3 A, I 2 = 0,3 A. Der Strom weiß an dem ersten Verzweigungspunkt noch nicht was hinten kommt. Ein Gebilde wie eine Parallelschaltung innerhalb einer Reihenschaltung wird losgelöst vom Rest (lokal) betrachtet.

7 14.1 Schülervorstellungen Elektrizitätslehre 4. Sequentielles Denken Der Stromkreis wird mit Begriffen wie vor und nach dem Widerstand analysiert. Eine Änderung vorne im Stromkreis wirkt sich auf hinten aus. Eine Änderung hinten wirkt sich aber nicht auf vorne aus. Beispiele: Es macht in der Abbildung einen Unterschied, welches R geändert wird. R 1 wirkt sich auf die Helligkeit der Lampe aus, R 2 nicht. Strom in Verzweigungen: Strom weiß in Verzweigung nicht, was hinten kommt.

8 14.1 Schülervorstellungen Elektrizitätslehre 5. Der Begriff Spannung Spannung wird nicht von Strom getrennt (mangelnde Differenzierung). Die Begriffe werden nicht verwechselt, sondern es fehlt ein Konzept für Spannung (und für Strom ). Spannung ist eine Eigenschaft des elektrischen Stromes. Ca. 40 % geben an, dass zwischen allen Eckpunkten eine Spannung von 6 V liegt. Während dem Unterricht entwickelt sich aus einer einfachen Verbrauchsvorstellung eine Vorstellung mit einem übermächtigen Strombegriff mit lokalem und sequentiellem Denken ohne Ergänzung durch einen unabhängigen Spannungsbegriff.

9 14.1 Schülervorstellungen Elektrizitätslehre 6. Weitere Probleme: Mangelnde Unterscheidung zwischen Reihen- und Parallelschaltung Entscheidend ist die Anzahl der Bauteile, nicht die Schaltung. Umsetzung Schaltbild in realen Stromkreis oder umgekehrt Leichte Verformungen oder Drehungen von Schaltskizzen werden als anderer Stromkreis aufgefasst. Schaltung von Messgeräten Messgeräte sind kein Teil des Stromkreises Sie beeinflussen unabhängig von der Schaltung nicht den Stromfluss.

10 0. Was sind Analogien? Analogien = Ähnlichkeiten bzw. Vergleich mit Bekanntem In der Wissenschaftsgeschichte zur Problemlösung verwendet (z.b. Coulombgesetz aus Gravitationsgesetz; Ohm fand Gesetze über strömende Elektrizität aus Analogie zur Wärmeleitung) Bei Lernschwierigkeiten als Lernhilfe herangezogen. Analogien verwenden, heißt einen Umweg machen. Ähnlichkeiten sind reflexiv und symmetrisch, aber weder transitiv noch intransitiv. Der analoge Bereich muss vertraut sein! Analogien sind eine problematische Lernhilfe. Es ist umstritten, ob der Umgang mit Analogien mehr geübt werden sollte.

11 1. Der geschlossene Wasserkreislauf:

12 Wasserkreislauf Wasserrohre Pumpe Die Ursache des Stromes ist: die Druckdifferenz: p Sie wird gemessen mit einem Manometer (= Druckmesser) Wasserstromstärke = Wasservolumen pro Zeit: I = V/ t Sie wird gemessen mit einem Wasserstrommessgerät Die Wasserstromstärke wird begrenzt durch den mechanischen Widerstand des Wasserrades: I = p/r Die Pumpe bewirkt nicht den Wasserfluss, sondern eine Druckdifferenz. Die Turbine verbraucht kein Wasser, sondern entnimmt dem Kreislauf Energie (die sie in elektrische Energie umwandelt). elektrischer Stromkreis Kabel Batterie (= Spannungsquelle) Die Ursache des Stromes ist: die Spannung: U = Sie wird gemessen mit einem Voltmeter Elektrische Stromstärke = Ladung pro Zeit: I = Q/ t Sie wird gemessen mit einem Amperemeter Die Elektrische Stromstärke wird begrenzt durch den elektrischen Widerstand: I = U/R Die Batterie bewirkt nicht den Stromfluss, sondern eine Spannung (Potenzialdifferenz). Die Glühbirne verbraucht keinen Strom, sondern entnimmt dem Stromkreis Energie (die sie in Wärme und Licht umwandelt).

13 1. Der geschlossene Wasserkreislauf: Bekannteste Analogie Weittragende Analogie Aber: Schüler haben keine Erfahrungen mit geschlossenen Wasserkreisläufen (bzw. Fehlvorstellungen) Aber: Schüler haben keine Erfahrungen mit Drücken bzw. falsche Vorstellungen dazu. Deshalb: Analogie in Studien erfolglos Also eher ungeschickte Analogie, die wenig hilft.

14 2. Gravitationsanalogie / Höhenanalogie Z.B. mit einem offenen Wasserkreislauf:

15 Gravitationsmodell Höhe des Wasserteilchens Gravitationsfeldstärke Höhenunterschied der Elektronen an der Pumpe Höhenunterschied der Elektronen an einem Widerstand elektrischer Stromkreis Potential des Elektrons elektrische Feldstärke Spannung = Potentialdifferenz an der Batterie Spannung = Potentialdifferenz an einem Widerstand Also eine Analogie zur Veranschaulichung der Spannung oder zur Einführung über U W Q el E Q el

16 Für Schule geeignete Darstellung: Rutschanlagenmodell Dass eine größere Gleichspannung eine größere Elektronengeschwindigkeit erzeugt, ist für Metalle korrekt (Drude-Modell: v Drift E mit Beweglichkeit ). Nachspielbar mit Gymnastikbänken in Turnhalle.

17 Eine erprobte Variante (nur für Spannung): Das Stäbchenmodell (Münchner Konzept) Einführung über Höhenbzw. Gravitationsanalogie Literatur: PdN-PhiS 6/57 (2008), S Download von Stundenplanung, Arbeitsblättern, Folien etc.: Elektrizitätslehre Einführung

18 Münchner Stäbchenmodell-Unterricht: Hinführung: Wasserstromkreis Druckdifferenz als Antrieb Batterie: Potentialdifferenz als elektrische Druckdifferenz Veranschaulichung des Drucks / des Potenzials mit Stäbchen (Höhe) Regeln u.a.: Am Pluspol einer Batterie ist der Potenzialwert größer als am Minuspol. Sind zwei Stellen durch eine Leitung miteinander verbunden, so hat das Potenzial an beiden Stellen denselben Wert. Mit Hilfe des Modells Parallel-, Reihen- und gemischte Schaltungen aufbauen, Potenzialwerte und Potenzialdifferenzen veranschaulichen. Bezeichnung Spannung für die Potenzialdifferenz (synonym verwenden).

19 Beispiele: Reihenschaltung von Lämpchen gemischte Schaltung

20 Reihenschaltung von Batterien:

21 3. Fahrradkettenmodell

22 Fahrradkette Kettenglieder Gleichgewichts-Geschwindigkeit v konstante Antriebskraft F Antrieb Reibungskoeffizient (der geschwindigkeitsabhängigen Reibungskraft F Reib = v ) Die Geschwindigkeit wird begrenzt durch die geschwindigkeitsabhängige Gleitreibung: v = F Antrieb / Leistung: P = F v Die Ursache der Bewegung ist: die Antriebskraft F Antrieb Der Bremsklotz verbraucht keine Kettenglieder, sondern entnimmt dem Kreislauf Energie (die in Wärme umgewandelt wird). elektrischer Stromkreis Elektronen konstante Stromstärke I konstante Spannung U Widerstand R Die elektrische Stromstärke wird begrenzt durch den elektrischen Widerstand: I = U / R Leistung: P = U I Die Ursache des Stromes ist: die Spannung U Die Glühbirne verbraucht keinen Strom, sondern entnimmt dem Stromkreis Energie (die sie in Wärme und Licht umwandelt).

23 Sehr gutes Modell!! Gut gegen die Stromverbrauchsvorstellung! Im Gegensatz zum Modell des geschlossenen Wasserstromkreises haben Schüler hier Vorerfahrungen! Teilchen-Analogien sind besser als Flüssigkeitsanalogien Reibungskraft ist aber in Wirklichkeit nicht geschwindigkeitsabhängig. Hilft aber nicht für die Spannung. Variante: Zuganalogie Ringförmig geschlossenes Schienenstück mit lauter aneinander gekoppelten Waggons (auch erster Waggon an letzten Waggon gekoppelt) ohne Lokomotive. Am Bahnhof stehen Arbeiter, die dort den Zug mit konstanter Kraft anschieben. Auf der Strecke stehen Hindernisse, die eine (geschwindigkeitsabhängige) Bremskraft erzeugen.

24 Ähnlich: Keilriemen-Vergleich: Umlaufender Keilriemen, aber linearer Energiestrom: Umlaufender Ladungsstrom, aber linearer Energiestrom: Wellrad mit Kurbel Wellrad mit Last Generator mit Kurbel E-Motor mit Last Energie umlaufender Keilriemen Energie umlaufender Ladungsstrom Analogie nachbaubar Keilriemen sollte Punkte haben, damit man dem Umlauf von Teilchen besser sieht.

25 4. Energiehut-Modell Aus Realschulphysikbuch Geipel, Jäger, Reusch: Physik 9, C.C.Buchner, nach Idee von Ch. v. Rhöneck Nachspielbar als Gummibärchen-Modell (Schüler als Elektronen bekommen von Quelle Gummibärchen statt Hüte).

26 Energiehut-Modell Laufweg Männchen Männchenstromstärke = Männchenanzahl pro Zeit: I = N/ t Größe der Energiehüte Arbeit = Männchenstromstärke mal Größe der Energiehüte Das Gerät verbraucht keine Männchen, sondern erhält von ihnen den Energiehut. elektrischer Stromkreis Kabel Ladungsträger / Elektronen Elektrische Stromstärke = Ladung pro Zeit: I = Q/ t Spannung = Umgewandelte elektrische Energie pro Ladung: U = E / Q Arbeit = Elektrische Stromstärke mal Spannung Das Gerät verbraucht keinen Strom, sondern entnimmt dem Stromkreis Energie. Gut: Trennung von Ladung und Energie, Spannung und Stromstärke Gut: Umsetzung von Spannung = Arbeit pro Ladung Problem: Nicht die Elektronen sind die Träger der Energie, sondern das elektrische Feld! Spannung bleibt unanschaulich.

27 Andere Darstellung des Energiehutmodells: Bildquellenangabe: "Landesbildungsserver Baden-Württemberg" Der Quotient "gelieferte Nektarmenge / Zahl der Bienenflüge" ist ein Maß für die Ergiebigkeit der Wiese. Der Quotient "gelieferte Energiemenge W / Ladungsmenge Q" ist also ein Maß für die Spannung der Quelle.

28 5. Wärmeleitungsanalogie

29 Wärmeleitungsanalogie Temperatur T Temperaturdifferenz T Wärmepumpe Wärmestromstärke I oder Wärmestromdichte j thermischer Widerstand R (durch Wärmeisolierung) Wärmestromdichte: j = T / R Leck in der idealen Wärmeisolierung Gesamtwiderstand einer Parallelschaltung ist kleiner als Einzelwiderstand elektrischer Stromkreis Potential Potentialdifferenz = Spannung = U Spannungsquelle Stromstärke I elektrischer Widerstand R Stromstärke: I = / R Zweig eines Stromkreises Gesamtwiderstand einer Parallelschaltung ist kleiner als Einzelwiderstand Modell für Gesamtwiderstand einer Parallelschaltung. Erfahrungen und Vorstellungen zur Wärmeleitung fehlen aber!! Also ungünstig!

30 6. Elektronengasdruck-Modell Elektronen treten am Minuspol der Batterie im Überschuss auf und erzeugen dort wegen ihrer elektrostatischen Abstoßung einen Überdruck, während am positiven Pol durch die geringere Elektronendichte auch ein geringerer Druck auftritt. Analogien: Elektronengasdruckmodell Elektronendichte Differenz der Elektronendichten bewegte Elektronen elektrischer Stromkreis Potential Spannung Strom Hilft nicht.

31 7. Hinweise zu Analogien Die Verwendung von Analogien als Lernhilfen ist grundsätzlich ambivalent. Analogien erklären nicht, sondern machen nur einen Sachverhalt verständlich. Analogien wirken eher individuell als global, weil nicht alle Schüler eine bestimmte Analogie akzeptieren (Akzeptanzproblem). Schüler orientieren sich eher an Äußerlichkeiten der Analogie ( Oberflächenstruktur ) als an physikalischen Gesetzmäßigkeiten ( Tiefenstruktur der Analogie). Möglichkeit: Im Unterricht wird die Tiefenstruktur (z.b. elektrischer Stromkreis) zuerst thematisiert, dann durch eine (gespielte) Analogie illustriert. Eine Reflexion der Analogienutzung (Metakognition) im Unterricht ist unbedingt notwendig.

32 7. Hinweise zu Analogien Um die überall gleich große Stromstärke zu thematisieren: Fahrradkettenmodell am geeignetsten. Um die Spannung zu behandeln: Höhenanalogie mit Münchner Stäbchenmodell am geeignetsten. Um den Energiefluss deutlich zu machen: Kurbelmodell oder Energiehutmodell geeignet.