ELEKTRISCHER STROMKREIS

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1 Universität Regensburg FAKULTÄT FÜR PHYSIK Arbeitsgruppe Didaktik der Physik ELEKTRISCHER STROMKREIS ZIELE DES ANFANGSUNTERRICHTS IN DER ELEKTRIZITÄTSLEHRE: Die Schüler sollen eine einfache Modellvorstellung vom elektrischen Stromkreis unter Einbeziehung eines einfachen Atommodells entwickeln. Sie sollen erkennen, dass Stromkreise (u.a.) dazu benutzt werden, elektrische Energie zu übertragen. Zudem erkennen Sie elektrische Quellen und el. Geräte als Energiewandler. Sie können mit den Wirkungen des elektrischen Stroms einfache technische Anwendungen erklären, sowie die Gefahren beim Umgang mit Elektrizität besser einschätzen. Außerdem erfahren sie, dass zur Anwendung physikalischer Gesetze in der Technik physikalische Größen und entsprechende Messverfahren benötigt werden. GRUPPE 1: EINFACHER STROMKREIS; WIRKUNGEN DES EL. STROMES; STROMANZEIGER; LEITER UND NICHTLEITER 1.1 Demonstrieren Sie in möglichst einfachen Versuchen folgende Wirkungen des el. Stromes: Wärmewirkung und als Folge davon die Leuchtwirkung magnetische Wirkung 1.2 Demonstrieren Sie, wie man eine Magnetnadel/einen kleinen Kompass dazu benutzen kann, Stromfluss anzuzeigen! Zeigen Sie, dass damit auch eine qualitative Aussage über die Stärke des el. Stromes möglich ist! 1.3 Beim Drehspulinstrument nutzt man die magnetische Wirkung zum Bau eines Stromanzeigers, den man sogar als Messgerät kalibrieren kann. Bauen Sie einen Modellversuch zum Drehspulinstrument auf! Wie kann man seine Funktionsweise im Anfangsunterricht in einem Tafelanschrieb beschreiben? Leuchtende Glühlämpchen und Leuchtdioden, sowie andere laufende Geräte zeigen an, dass elektrischer Strom fließt. Sie werden bei solcher Verwendung als Stromanzeigegeräte bezeichnet. Vorsicht! Eine Leuchtdiode nie direkt mit den Polen einer Stromquelle verbinden, da sie sonst sofort zerstört wird. Ein strombegrenzender Widerstand ( 100Ω) schützt das Bauteil vor zu hoher Leistungsaufnahme. 1.4 Zeigen Sie für folgende Materialien und Körper, dass sie den elektrischen Strom leiten: Bleistiftmine, feuchte Blumentopferde, der menschliche Körper, verunreinigtes oder salzhaltiges Wasser 1.5 Ein Stoff ist nicht unter allen Umständen ein Leiter oder ein Nichtleiter. Zeigen Sie, dass (a) Zeigen Sie, dass mit einer Kerzenflamme erhitzte Luft den elektrischen Strom leitet! Hinweis: Sie brauchen dazu ein Netzgerät mit einer Ausgangsspannung von 5 kv und ein Strommessgerät, das Ströme im μa-bereich anzeigt. Vorsicht Hochspannung! (b) Zeigen Sie mit Hilfe der Gasentladungsröhre, dass verdünnte Luft den elektrischen Strom leitet! Vorsicht, die Röhre ist teuer! Geben Sie eine Erklärung für die Leuchterscheinung! Erklären Sie den Aufbau und die Funktion einer Glimmlampe! 1.6 Bei verschiedenen Stoffen hängt es von ihrer Temperatur ab, ob sie den elektrischen Strom leiten oder nicht. Zeigen Sie, dass ein kalter Halbleiter den elektrischen Strom so gut wie nicht leitet, ein erwärmter jedoch sehr wohl! Geben Sie eine Erklärung für den Sachverhalt! Seite 1 von 6

2 Seite 2 von 6 GRUPPE 2: STROMKREISE ALS ANLAGEN ZUR ENERGIEÜBERTRAGUNG; VORUNTERRICHTLICHE VORSTELLUNGEN ZUM STROMKREIS 2.1 Analogieversuch zum elektrischen Stromkreis Das nachfolgende Experiment soll den Schüler/innen gleich zu Anfang des E-Lehre-Unterrichts zeigen, dass elektrische Anlagen zur Energieübertragung genutzt werden (außerdem werden sie noch zur Informationsübertragung genutzt). Des Weiteren soll bei den Schülerinnen und Schülern die Unterscheidung zwischen linearem Energiestrom (das was umgangssprachlich meist mit elektrischem Strom bezeichnet wird) und dem umlaufenden Ladungsstrom (das was Physiker mit elektrischem Strom meinen) angebahnt werden. Zeigen Sie in den nachfolgenden Versuchen die Analogie zwischen mechanischer Energieübertragung mittels eines umlaufenden Riemens und der Übertragung von el. Energie mittels el. Leitungen umlaufenden Ladungen auf! Aufgrund des Analogieversuchs kann man die Vermutung plausibel machen, dass auch in einem elektrischen Stromkreis etwas umläuft. Wir nennen es zunächst Elektrizität und schauen später genauer, was wir uns darunter vorstellen. 2.2 Fehlvorstellungen zum el. Stromkreis Versuche zeigen, dass ein el. Gerät nur dann funktioniert, wenn zwischen den beiden Anschlussstellen des Gerätes und den beiden Polen einer Stromquelle je eine leitende Verbindung aus Metall besteht. Was in den leitenden Verbindungen zwischen Stromquelle und Gerät vor sich geht, kann man nicht direkt beobachten. Deshalb machen sich Menschen ein Bild, eine Vorstellung von den nicht beobachtbaren Vorgängen. Physiker sprechen von Modellvorstellungen oder kurz von Modellen. Damit nicht die wildesten Fantasien entstehen, prüfen Physiker ihre Modelle immer wieder an den beobachtbaren Tatsachen. Wenn dabei ein Widerspruch auftritt, ändern sie ihre Modellvorstellung entsprechend oder lassen ein Modell ganz fallen. Laien bzw. Schüler/innen überprüfen ihre Vorstellungen in der Regel nicht. Deshalb stimmen die Laientheorien zu nicht direkt beobachtbaren Vorgängen oft nicht mit den wissenschaftlichen Modellen überein. Im Unterricht sollen sich deshalb die Schüler/innen ihrer Vorstellungen bewusst werden und von den wissenschaftlichen Modellen abweichende Modellvorstellungen zum Widerspruch geführt werden. Im Folgenden lernen Sie typische vorunterrichtliche Vorstellungen zum el. Stromkreis kennen und sollen überlegen und diskutieren, wie sie durch Experimente zum Widerspruch geführt werden können. Außerdem lernen Sie ein Stromkreislaufmodell kennen, das nicht im Widerspruch zu den Modellen der Physiker steht. (A) FEHLVORSTELLUNG VOM STROMVERBRAUCH Oft haben die Schüler/innen zwar die Vorstellung von umlaufender Elektrizität (Ladung), sie denken aber, dass der Strom in der einen Leitung zum Gerät hinfließt, dort ganz oder teilweise verbraucht wird und in der Rückleitung dann weniger Strom fließt. Führen Sie diese Vorstellung mit Hilfe eines Strommessgeräts zu einem Widerspruch! (B) GEBEN-NEHMEN-MODELL Schüler/innen haben die Vorstellung von Elektrizität von etwas Stofflichen, das von der Quelle (Batterie) gegeben wird und vom Verbraucher genommen und verbraucht wird.

3 Seite 3 von 6 Durch welchen Versuch können Sie diese Vorstellung in Frage stellen? (C) DAS EINSTOFF-VERBRAUCHS-MODELL Die Stromquelle hat etwas, und das elektrische Gerät nimmt etwas und diese Etwas strömt in den beiden Leitungen von der Quelle zum Gerät und wird dort verbraucht. Mit diesem Modell können viele Beobachtungen am el. Stromkreis erklärt werden, aber es ist nicht recht einsichtig, warum es immer zwei Leitungen sein müssen. Überlegen Sie, welchen Versuch man mit einer Batterie und einem Kleinmotor durchführen kann, dessen Ergebnis einen ernsten Widerspruch zum Einstoff-Verbrauchs-Modell darstellt! (D) Das Zweistoff-Verbrauchs-Modell Die Stromquelle hat etwas, und das elektrische Gerät nimmt etwas. Aber von den beiden Polen der Stromquelle strömt verschiedenes weg, das sich im Elektrogerät trifft und dort verbraucht wird. Überlegen Sie, welchen Versuch man mit einer Stromquelle und zwei baugleichen Lämpchen machen kann, dessen Ergebnis einen ernsten Widerspruch zum Zweistoff-Verbrauchs-Modell darstellt! 2.3 Umlaufender Strom Demonstrieren Sie, wie man mit mehreren kleinen Magnetnadeln (kleine Kompasse) zeigen kann, dass der el. Strom überall in einem el. Stromkreis die gleiche Richtung hat! Für alle: Das Stromkreismodell der Physiker Vor der Stromquelle fließt ein einziger Stoff durch die eine Leitung zum Elektrogerät hin, durch dieses hindurch, durch die andere Leitung zur Stromquelle zurück und in der Stromquelle wieder zum anderen Pol. Dabei wird der Stoff nicht verbraucht, sondern es wird ständig der gleiche Stoff im Kreis he umgeführt. Dieser Stoff wird Ladung genannt. Elektrischer Strom ist in diesem Modell also bewegte Ladung. Die Bewegung wird von der Stromquelle in Gang gehalten und vom elektrischen Gerät behindert. Überlegen Sie, wie mit diesem Modell erklärt werden kann, dass ein Kleinmotor anders herumdreht, wenn die beiden Anschlüsse der Stromquelle vertauscht werden, und dass zwei hintereinander geschaltete baugleiche Lämpchen gleich hell leuchten! Erstellen Sie eine Zeichnung, in der der Unterschied zwischen umlaufenden Ladungsstrom und linearem Energiestrom hervorgehoben wird!

4 Seite 4 von 6 GRUPPE 3: WAS BEWEGT SICH IN ELEKTR. LEITERN? - HINFÜHRUNG ZUM LADUNGSBEGRIFF Demonstrieren Sie, dass durch Reiben oder Berühren Körper elektrisch aufgeladen werden können! (z.b. Luftballon an Kleidung reiben, Schreibfolie an einer Schallplatte reiben, Kunststoffstab mit Wolle oder Fell reiben, ) Woran erkennt man, dass die geriebenen Körper geladen sind? 3.2 Zeigen Sie Versuche, die die Bildung der Hypothese von der Existenz von (mindestens) zwei Elektrizitätsarten (Ladungsarten) unterstützen! Solche Versuche können Sie z.b. mit den abgebildeten Materialien oder mit mehreren Plastiktrinkhalmen, einem Glasstab und Reibzeug machen. 3.3 Führen Sie Versuche vor, die geeignet sind zu untersuchen, ob zwei Körper gleich oder unterschiedlich aufgeladen sind! Materialien: Dielektrische Materialien, Reibzeug Geräte: Selbstgebauten Ladungsanzeiger, selbstgebauten Ladungsartenanzeiger, Glimmlampe, Ladungsmesser Wie kann man entscheiden, ob ein Körper positiv oder negativ aufgeladen ist? 3.4 Der Substanzcharakter der elektrischen Ladung Die Versuche sollen zeigen, daß Elektrizität von einem Körper auf einen anderen übertragen werden kann. Sie sollen den Substanzcharakter der Elektrizität unterstreichen. ODER a. Eine Blechdose wird zur Isolierung auf ein Hartschaumstück (z.b. Styropor) gestellt. Die negativ geladene Schallplatte wird an der Dose "abgestreift". Der Ladungszustand nach der Berührung wird untersucht. Der Versuch wird mit der geladenen Folie wiederholt. b. Reiben Sie ein Kunststoffrohr (PVC-Rohr, z.b. Elektroleerrohr) mit Reibzeug (Wollpullover, Serviette, Tempo, geeignetes Hemd) und halten Sie dann die Glimmlampe an einem Metallkontakt fest und berühren Sie mit dem anderen Metallkontakt das Rohr an verschiedenen Stellen! Formulieren Sie Ihre Beobachtung als Wenn-Dann-Beziehung! c. Streifen Sie nun mit dem (erneut geriebenen) Kunststoffrohr an einer Konduktorkugel entlang und berühren Sie dann die Konduktorkugel mit der Glimmlampe an verschiedenen Stellen! Formulieren Sie Ihr Beobachtung als Wenn-Dann-Beziehung! d. Welche Hypothese legen die Beobachtungen in den Versuchen a. und b. nahe! GRUPPE 4: HINFÜHRUNG ZUM LADUNGSBEGRIFF Ein Becherelektroskop wird geladen. Zunächst wird untersucht, ob sich der Ladungszustand ändert, wenn man den Elektroskopbecher mit einem Kunstoffstab, einem Glasstab oder einem anderen Isolator berührt. Anschließend erfolgt die Berührung mit dem Finger, einem metallischen Gegenstand, einem Holzstück, mit Papier, einer wassergetränkten Perlonschnur usw. Um welche Art von Experimenten handelt es sich bei den durchgeführten Versuchen? Formulieren Sie die Versuchsergebnisse sauber sprachlich aus! Regen die Versuchsergebnisse zu Vermutungen an?

5 Seite 5 von Streifen Sie nun mit einem Konduktor (kleine Konduktorkugel) Ladungen von einem geriebenen PVC-Stab und löffeln Sie diese auf den Boden im Inneren des Bechers. Wiederholen Sie diesen Vorgang, bis das Elektroskop einen deutlichen Ausschlag zeigt. (a) Entladen Sie nun den Konduktor durch Berühren mit der Hand vollständig und Berühren Sie anschließend mit ihm den Boden der Blechdose von innen. Wiederholen Sie diesen Vorgang etwa zehn Mal und beobachten Sie dabei den Elektroskopausschlag. Vergessen Sie nicht, den Koduktor vorher immer wieder zu entladen. (b) Führen Sie den Versuch wie in (a) nochmal durch, berühren Sie jetzt aber mit dem entladenen Konduktor die Außenseite des Bechers. Beobachten Sie den Elektroskopausschlag. (c) Formulieren Sie die Ergebnisse in (a) und (b) in Wenn-Dann-Sätzen! Zu welchen Vermutungen können die Ergebnisse in (a) und (b) führen? Was lässt sich aus den Versuchsergebnissen in (a) und (b) schließen? Wie kann man die Ergebnisse aus (a) und (b) erklären? Wo kann man die Ergebnisse aus (a) und (b) mit Erfahrungen aus dem Alltag und Anwendungen in der Technik in Verbindung bringen? 4.3 Influenz Überzeugen Sie sich zunächst mit Hilfe einer Glimmlampe, daß die Konduktorkugel nicht geladen ist. a. Halten Sie ein geriebenes Kunststoffrohr in die Nähe einer Konduktorkugel ohne sie zu berühren und berühren Sie dann mit der Glimmlampe in der andern Hand die Koduktorkugel. b. Entfernen Sie nun zuerst die Glimmlampe und dann das Kunststoffrohr von der Konduktorkugel. Berühren Sie dann den Konduktorkugel nochmal mit der Glimmlampe. Beschreiben und erklären Sie die Beobachtungen aus den Experimenten a. und b.! c. Überzeugen Sie sich wieder, dass die Konduktorkugel nicht geladen ist. Nähern Sie das geladene Kunststoffrohr dem Konduktor auf ca. 3cm und entferenen Sie es dann wieder. Überlegen Sie, ob die Konduktorkugel geladen ist und überprüfen Sie das mit einer Glimmlampe! Was folgern Sie aus diesem Versuch? d. Streifen Sie mit dem (neu) geladenen Kuststoffrohr an der Konduktorkugel entlang und berühren Sie diese einmal und dann noch ein zweites Mal mit der Glimmlampe! Formulieren und erklären Sie Ihre Beobachtung! Erklären Sie den wesentlichen Unterschied zwischen den Versuchen a., b. und d.! Berührung mit der Hand e. Zwei Blechdosen (Konservendosen mit abgemanteltem Papier) werden zur Isolierung jeweils auf ein Hartschaumstück (z.b. Styropor) gestellt. Man stellt die Dosen so nebeneinander, daß sie sich berühren und weist nach, daß sie ungeladen sind. Dann bringt man die Schallplatte bis auf wenige Zentimeter in die Nähe einer der beiden Dosen. Keinesfalls soll die Schallplatte die Dosen berühren. Auch darf keine Elektrizität durch Funkenüberschläge von der Platte auf die Dose übergehen. Während sich die Schallplatte dicht bei einer der beiden Dosen befindet, werden diese am Isoliersockel auseinander gezogen. Nun entfernt man die Schallplatte und weist mit dem Elektrizitätsartenzeiger (oder mit der Glimmlampe) den Ladungszustand der Dosen nach. Der Versuch wird wiederholt, wobei die Schallplatte gegen die Klarsichtfolie ausgetauscht wird.

6 Seite 6 von 6 f. Laden Sie ein Kunststoffrohr auf, streuen Sie Styroporchips (Isolator!) auf den Tisch und halten Sie das geladene Kunststoffrohr darüber. Führen Sie den Versuch noch mal mit Aluminiumschnipsel (Leiter!)l durch! Beschreiben Sie Ihre Beobachtung und erklären Sie das Phänomen! Wie wird sich ein dünner Wasserstrahl verhalten, wenn man den geladenen Kunststoffstab daneben hält? Überprüfen Sie Ihre Antwort! Dem Nordpol einer Magnetnadel wird ein elektrisch positiv geladener Körper genähert. Wie verhält sich die Magnetnadel? Was ist die Ursache? Für alle: Demonstration physikalischer Grundlagen des el. Stromkreises anhand eines Elektrophors! Studieren Sie das Handout zum Elektrophor! GRUPPE 5: GRUNDLAGEN DES MAGNETISMUS 5.1 Demonstrieren Sie in einem geeigneten Versuch, dass es magnetische, ferromagnetische und nicht magnetische Materialien gibt! 5.2 Führen Sie einen Versuch vor, der zeigt, wo die Kraftwirkung eines Stabmagneten am stärksten ist? Wie kann man das Ergebnis benutzen, um bei zwei stabförmigen Körpern zu entscheiden, welcher ein Magnet und welcher ein Ferromagnet ist? 5.3 Führen Sie Experimente vor, die darauf hinführen, dass es zwei verschiedene Magnetpole gibt! Demonstrieren Sie, wie in der Physik festgelegt wurde, welcher der beiden Pole eine Magneten der Nordpol ist! 5.4 Führen Sie mit Hilfe eines Stabmagneten und einer Magnetnadel einen Modellversuch vor, in dem das Magnetfeld der Erde plausibel gemacht wird! Demonstrieren Sie, was man unter dem Inklinationswinkel und dem Deklinationswinkel des Erdmagnetfelde versteht und messen Sie den Inklinationwinkel des Erdmagnetfeldes mit Hilfe des abgebildeten Gerätes! 5.5 Führen sie einen Modellversuch vor, der den Aufbau und die Funktion eines Weicheiseninstruments zur Strommessung demonstriert!