Handout zur Veranstaltung Demonstrationsexperimente WS 2005 / 0 6 Markus Bitter m a n n

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1 Handout zur Veranstaltung Demonstrationsexperimente WS 2005 / 0 6 Markus Bitter m a n n Versuch: Relais und elektrische Klingel 1.Versuchsbesch reibung Materialliste: - 1 Stativfuss - 1 Stativstange l= 63cm - 4 Doppelmuffen - 2 Verteilerstützen - 1 Spule (1200 Windu ng e n) - 1 Spulenhalter - 1 Eisenkern, stabför mig, kurz, geblättert - 1 Splint für Eisenke r n, mas si v - Ausschalter - Batteriekaste n - 1 Batterie, 4,5V, 3R12 DIN Anker mit Feder - Lampenfass u ng E10-1 Glühlampe, 4V/0,04A, E10-1 Gleichstro m q u elle 6-8V - Verbindu ngska bel mit Bananenstecke r - Evtl. 2 Stricknadeln und Kombizange, bzw. 1 Kontaktstift und 1 um 90 gebogener Kontaktstift - Glockenschale Im ersten Teil des Experime nt s soll der Aufbau und die Wirkungs weise eines Relais demonstriert werden. Dazu befestigt man zunächst den Spulenhalter, eine Verteilerstütze, den Batteriekas te n und die Lampenfassu ng an eine Stativstange, die zuvor senkrecht im Stativfuß fixiert wird. Die zweite Verteilerstütze wird wie die Stativsta nge senkrecht im Stativfuß angebracht 1

2 (vgl.abb.1). Ebenfalls wie in Abb.1 soll der Anke r mit Feder an der senk r e c h t e n Verteilerstütze aufgeschra ubt werden, jedoch soll abweichend von Abb.1 nicht der gebogene, sondern vorerst der normale Kontaktstift an der waagerechte n Verteilerstütze mit Kontakt zum Anker angebracht werden (Ruhekontakt). Zuletzt wird die Spule mit einem Ausschalter an der Gleichstro m q u elle angeschlosse n, um den Steuerstro m k r eis (auch Schaltkreis) zu komplettieren. Den so genannten Arbeitskreis (auch Verbraucher kreis) bilden die Batterie und Lamp e, wobei diese r Schalt k r ei s je nach Relaisst ellu n g offen oder geschlo s s e n ist. Schließt man nun den Steuerstro m k r eis, so erzeugt die Spule ein magnetisches Feld, das vom Eisenkern verstär kt wird, da viele Feldlinien durc h den Eisenk e r n verlauf e n und das Streufeld somit kleine r wird. Der Anker wird daraufhin angezogen und der Arbeitsstro m k r eis somit unterbroche n. Nun ersetzt man den normalen durch den gebogenen Kontaktstift (nun also wie in Abb.1) der in Ruhes t ell u n g e n keine n Konta k t zum Anker habe n soll (Arbeitskontakt). Der Arbeitstrom k r eis ist nun also unterbrochen. Dies ändert sich wieder, wenn der Steuerstro m k r eis geschlossen, der Anker vom Elektromag neten angezogen und somit ein Kontakt von Anker und Konta k t s t ift herges t ellt wird. Bei beide n Versio ne n erlisch t das Magnetf eld 2

3 nach Öffnen des Steuerstro m k r eises und der Anker kehrt durch die Rückstellkraft der Feder wieder in die Ausgangsposition zurück. Im zweiten Teil des Versuchs soll die Funktionsweise einer elektrische n Klingel dem o n s t r i e r t werd e n. Der Aufba u dazu ist ähnlich wie der des Relais, lediglich auf Batterie und Lampe kan n ver zic h t e t wer d e n und eine Glockenschale muss an der Stativstange angebracht werden, wie in Abb.2 zu erkennen ist. Wird der Stromkreis in Ruhestellung geschlossen wird der Anker vom entstehenden Magnetfeld angezogen. Dabei schlägt der Anker auf die Glockenschale, gleichzeitig wird jedoch der Stromkreis unterbroc hen und das Magne tf eld erlisch t. Die Feder bringt den Anker wiede r u m in die Ausgangsstellung zurück und man erhält ein Dauerklingeln, da sich dieser Vorgan g wied e r h o l t, solang e der Schalte r geschlo s s e n bleibt. 2. Lernvoraussetzunge n Schüle r wisse n, dass ein Stro m k r ei s geschlo s s e n sein mus s, damit Stro m fließ t Schüler kennen die Funktions w eise der verwendeten Bauteile (dabei evtl. besonder s Verteilerstütze und Anker mit Feder nochmals erklären, da beide vielleic ht nicht beka n n t sind) Schüler kennen die magnetische Kraftwirkung einer stromdurc hflos se nen Spule Schüler kenne n den Aufbau eines Elektromag nete n 3

4 Schüler wissen, dass für die magnetische Feldstärke H der Spule gilt H = I*n/l (mit Strom I, Anzahl der Windun g e n n und Länge der Spule l) Schüler kennen die Wirkung eines Magneten auf ferromagnetisches Material Schüler kenne n Eigenschaften einer Blattfeder (Kraft nach Auslenkung) 3. Lernziele dieses Versuc h s 3.1 Grob ziele Schüle r sollen den Aufbau, die Funktio n s w e i s e und die Einsatz möglichkeiten eines Relais kennen lernen Schüler sollen verstehe n, wie eine elektrische Klingel funktioniert 3.2 Feinziel e Schüler ken n e n den Aufba u eines Relais und kön ne n diese n skizzie r e n Schüler lernen Funktionsweise n (Arbeits - und Ruhestellung) des Relais Schüle r wird klar, das s ein mit wenig Spann u n g betrie be n e r Schaltk r ei s einen Verbraucherkreis mit großer Spannung steuer n kann Schüle r lerne n den Einsatz des Relais bei der elekt ris c h e n Klingel ken n e n Schüler kennen den Aufbau einer elektrische n Klingel und können diesen skizzieren Schüle r wisse n, dass das Schwinge n des Anke r s den Strom k r e i s öffnet und schlie ß t und ken n e n die Auswir k u n g dieses Vorgang s auf das resultierende Magnetfeld Schüler wissen, dass die Ankerschwingung auf der elektro magnetischen Anziehung durch den Eisenkern und der Rückstellkraft der Feder beruht. 4. Bezug zu einem übergeordnete m Unterrichtsthe m a Sowohl das Relais als auch die Klingel gehören zum Theme nbereich Magnetische Wirkung des elektrischen Stroms und gehört zur Unterrichtseinheit Elektromagnet. 4

5 In Anlehnung an die Verwendu ng des Relais in Lichtschaltkreisen und im Auto, sin d beide auch im Them a Elektrisc h e Schaltu n g e n im Haus h alt einzuglieder n. 5. Mögliche Vertiefung des Experiments Das Relais kann man in verschiedenen Varianten vertiefen und den Schülern nähe r bring e n. Auch der zweite Vers uc h, die Klingel stellt dabei eine Vertiefu n g des Relais dar. 5.1 Vertiefung des Relais mit Ruhekonta kt Es könnte zum Beispiel eine Art Alarmanlage gebaut werden. Dazu kann ein leitender Gegenstan d aus hochwertige m Material in den Schaltkreis eingebracht werden (z.b. ein Goldring). Im Arbeitskreis muss dazu die Lampe durc h eine elekt ris c h e Glocke oder ein Warnlicht erset z t wer d e n. Wenn sich das Relais in Ruhestellung befindet, bedeutet dies, dass ein geschlossener Verbraucher kreis existiert. Entfernt man nun den Wertgegens tand, so schließt der Verbraucherkreis und das Alarmsignal erscheint. 5.2 Vertiefung des Relais mit Arbeitsko nta k t i) Eine mögliche Variatio n daz u beste h t darin, den Schaltk r ei s wie in 5.1 i) durch einen Gegenstan d zwische n zwei leitenden Klemmen zu unterbreche n und sonst den Aufbau der elektrischen Klingel zu verwenden. Bei Entfernen des Gegenstan des wird nun der Schaltkreis geschlosse n und die Klingel ertönt. ii) Weiterhin könnte man mit dem Relais einen Regensensor bauen und die Leitfähigkeit des Regenwas sers nutzen. Läuft dabei Wasser zwische n zwei nah aneinander liegende n Elektrone n im Schaltkreis und dieser wird geschlossen. Der Regen kann im Klasse n z i m m e r dabei mit einer Sprühfla s c h e simulier t werden. 5.3 Weitere Alternative n 5

6 Weiter beste h t die Möglich k eit mit der Klasse in den Schulga ng zu gehe n und das Licht anzuschalten. Dabei ist (zumindest im Caspar Vischer Gymnasiu m in Kulmbach) das klicken des Elektromagneten zu hören, der sich von mehrere n parallel geschalteten Tastschaltern betätigen lässt. 6. Mögliche bzw. notwe n d ig e Modifikatio n e n bei Einsatz als Schülerexperime nt Grundsätzlich wäre der Einsatz dieser Experime nte als Schülerexperiment denkbar, falls die nötigen Bauteile in genügender Anzahl vorha nden sind. Dabei sollte der Stromkreis besonders bei der elektrische n Klingel nur im Beisein der Lehrkraft geschlossen werden, da verstärkt Funken zwischen Kontaktstift und Anker entstehe n. Auch die Verwend u ng von Isolierstützen sollte in Erwägung gezogen werden. Es ist jedoch zu beach t e n, das s die Klingel (und damit verb u n d e n das Relais) sowo hl im G9 als auch im G8 laut Lehr pla n zu Beginn der Elektro n i k vorgesehe n ist und die Schüler daher noch wenig Erfahrung mit elektrische n Schaltu n g e n besitz e n. Desw eg e n ist kritisc h zu überlege n, ob sich dieser Versuch zu diesem Zeitpunkt eignet. 7. Unterrichtsverfah ren Typ: Modifiziertes Normalverfahre n 7.1 Sozialforme n Unterrichtsgespräch mit Demonstrationsexperi m e nt 7.2 Lehrforme n und Lernformen 1. Lehrfor men Darbietend (Tafelanschrift, Versuch demonstriere n), fragend - entwickelnd (durch herleiten der Klingelschaltung mit der Klasse) 2. Lernfor men Vermitteltes Lernen, rezeptiv (Aufneh mendes Lernen: Schüler beobachten Durchführu ng des 1. Versuchs) 6

7 7.3 Motivationssituation oder Einstiegs motivation 1. Um die breite Masse der Klasse anzus preche n, kann die Lehrkraft in gewiss e m Maß auf die Historie des Relais einge h e n. Dabei kan n man die Frage stellen, wie die Schüler auf größeren Entfernunge n kommunizieren. Im Anschluss kann man nachbohren, wie etwas Vergleich b a r e s vor der Entwic kl u n g des Telefon s möglich war. Dabei sollte n die Schüler von alleine auf die Telegra p hi e sto ß e n, die erst 1837 von S. Morse durc h den Einsat z des zwei Jahr e zuvo r von J. Henr y entwickelten Relais ermöglicht wurde. Durch die Relais konnte ein schwaches Signal das alle 30km verstärkt werden musste auf große Entfernunge n übertragen werden. In Anlehnu ng an die Relaisstationen der Post, an dene n die Postr eite r ihre Pferde austa u s c h t e n, wur d e diese Erfindung schließlich Relais genannt. 2. Eine weiter e Möglich k eit das Them a Relais zu motivie r e n beste h t in einer weiteren technischen Entwicklung. Diesmal steht jedoch nicht das Relais selbst, sondern der Computer im Vordergr un d. Auch hier könnte die Lehrk r af t die Frage an die Klasse richte n, wer einen PC zuha u s e hat. Diese ziemlich reth o ris c h e Frage annä h e r n d 100% dürfte n einen im Haus h alt habe n zieht wiede r u m eine weite r e nach sich, nä mlich wie diese Erfindung überhaupt möglich war. Denn das Relais er möglic h t e dem Deutsc h e n Konra d Zuse 1941 die Entwicklung des ersten Rechners, dem sogenan nten Z3. Dieser bestand aus ca.2000 Relais und eine m Lochstr eife nl e s e r, um Progra m m e einz ule s e n. Die Relais wur de n jedoc h schon kur ze Zeit darauf durc h Elektrone nröh r c he n, später durch Transistore n und IC s (Integrierte Schaltkreise mit Transistore n, Widerstände n, Induktivitäten und Kapazitäten) ersetzt. 3. Um auc h einen prak tis c h e n Einstieg zu ermöglich e n kann der Lehrer zu Begin n der Stun d e die Klingel vorf ü h r e n. Diese Meth o d e wür d e bei den Schülern auf jeden Fall Aufmerksa m k eit erzeugen und könnte deren Interesse für dieses Thema verstär kt motivieren. 7

8 8. Lernzielkontrolle Da das Relais für die Schüler ein unbe k a n n t e s Gebiet dars t ellt, gibt es die Möglichkeit für den Lehrer nach der Durchführung des ersten Teilversuchs zu m Relais (Relais mit Arbeits k o n t a k t) zu frage n, was die Schüler nach dem Umbau erwarte n. Dabei kann man schon erkennen, ob das grundlegende Prinzip versta nden wurde. Je nach Leistungsstär k e der Klasse könnte man auch vor dem Umbau nach mögliche n Modifikatio n e n frage n, damit die Schüler gegebene nfalls von selbst auf das Relais mit Ruhekontakt kommen. Vielleich t lässt sich sogar die Änder u n g des Aufba u s vo m Relais zur Klingel disk u tie r e n und Schritt für Schritt zu entwic k el n. Dies setz t jedoch gute und interessierte Schüler voraus. Die Hausaufgabe (siehe Punkt 9.2) soll zur Wiederholung des Kernablaufs dienen und zum letzten Verständnis beitragen. Deren gemeinsa m e Verbesserung soll eventuell auftretende Unklarheiten beseitigen. 8

9 9. Sicheru n g der Lernziele 9.1 Hefteintrag (siehe S.9) 9.2 Hausaufgabe Arbeitsblatt zum Relais 1. Besch rifte die Skizze n un d erklä r e, was die Ursach e der Änder u n g der Anker s t ellu n g ist und was diese bewir k t! Womit sind die Konta k t e recht s und links verbunde n? Erklärung: Wirkung: Anschluss links: Anschluss rechts: 2. Finde 3 Einsatz möglichkeiten des Relais aus dem täglichen Leben und liste diese auf! 9