Versuch: Relais und elektrische Klingel

Das Demonstrationsexperiment WS 2008/2009 Versuch: Relais und elektrische Klingel Udo Somaruga 19.11.2008

Inhaltsverzeichnis 1. Versuchsbeschreibung Seite 3-6 1.1 Benötigtes Material Seite 3 1.2 Vorarbeiten Seite 3 1.3 Beschreibung Seite 5 1.4 Mögliche Aufbau und Bedienfehler Seite 6 2. Lernvoraussetzung Seite 6 3. Lernziele des Demonstrationsexperiments Seite 7 3.1 Grobziele Seite 7 3.2 Feinziele Seite 7 4. Übergeordnetes Unterrichtsthema Seite 7 5. Experimentelle Alternativen Seite 7 6. Schülerversuch Seite 8 7. Unterrichtsverfahren Seite 8 + 9 7.1 Sozialformen Seite 8 7.2 Lehr- bzw. Lernform Seite 9 7.3 Motivation/Stundeneinstieg Seite 9 8. Sicherung der Lernziele Seite 9 9. Lernzielkontrolle Seite 10 10. Prä- und Misskonzepte Seite 11 2

1. Versuchsbeschreibung 1.1 Benötigtes Material 1 Stativfuß groß 1 Stativstange 40cm 3 Doppelmuffen 2 Isolierstützen 1 Kontaktstift 1 Anker mit Feder 1 Spule 1200 Windungen 1 Spulenhalter 1 Eisenkern kurz 1 Glockenschale 1 Schalter 6 Experimentierkabel 1 Blocknetzgerät 0-12V regelbar 1 Birnchen mit Fassung 1.2 Versuchsaufbau i) Klingel 3

Der Aufbau der elektrischen Klingel erfolgt nach der obigen Abbildung. An der im Stativfuß vertikal gehalterten Verteilerstütze ist der Anker mit Feder festgeschraubt. Die zweite Verteilerstütze ist horizontal an der Stativstange, l = 400mm, angebracht und hält den Kontaktstift so, dass dieser mit seiner Spitze den Kontakt der Feder berührt und diese etwas herunterdrückt. An der Stativstange ist außerdem mit einer Doppelmuffe der Spulenhalter befestigt; auf diesen ist eine Spule mit 1200 Windungen aufgelegt. In der Öffnung der Spule steckt ein Eisenkern. Die Spule ist so befestigt, dass Oberkante Kern und Unterkante Anker etwa 1cm Abstand voneinander haben. Die Glockenschale stellt man so ein, dass der an der Feder befindliche Klöppel beim Anziehen des Ankers auf ihren Rand anschlägt. Die Spule wird über den Ruhekontakt und den Ausschalter an die Stromversorgung 8V- angeschlossen. ii) Relais 4

Mit ein paar Handgriffen kann die Klingel zu einem Relais mit einem Birnchen im Laststromkreis, ähnlich wie im obigen Bild, umgebaut werden. Hierfür wird als erstes die Glockenschale abmontiert und die Spule direkt über den Schalter mit der Stromquelle verbunden. Für den Laststromkreis werden beide Verteilerstützen an eine zweite Stromquelle mit 6V- angeschlossen. Einem Anschluss wird noch das Birnchen vorgeschaltet, das einfach nur auf dem Tisch steht, also nicht an der Stativstange befestigt wird. 1.3 Beschreibung i) Klingel Man schließt mit dem Schalter den Stromkreis und beobachtet die Klingel: Fließt ein Strom durch die Spule des Elektromagneten, so wird der Anker auf der Feder von diesem angezogen. Dabei schlägt der an der Feder befestigte Klöppel an die Glockenschale. Die über den Ruhekontakt an die Stromversorgung angeschlossene Spule wird bei Anziehen des Ankers stromlos, da der Ruhekontakt geöffnet wird. Das Magnetfeld bricht also zusammen. Danach bewirkt die Rückstellkraft der Feder, dass der Anker in seine Ausgangslage zurückkehrt. Dadurch wird der Stromkreis wieder geschlossen. Der beschriebene Vorgang beginnt erneut, so dass schließlich laufend der Stromkreis durch Selbstunterbrechung geöffnet und geschlossen wird. ii) Relais Bei diesem Relais handelt es sich um ein Ruhestromrelais, das Birnchen brennt folglich bei offenem Schalter. Schließt man den Schalter, so fließt Strom durch die Spule des Elektromagneten und dieser zieht den Anker an. Dies unterbricht den Laststromkreis und das Birnchen erlischt. 5

1.4 Mögliche Aufbau und Bedienfehler i) Klingel & Relais Nicht ausreichend gewährleisteter Kontakt zwischen Anker und Kontaktstift. Der fließende Strom darf 1A nicht überschreiten, da sonst die Spule Schaden nehmen könnte. Der Abstand zwischen Spulenkern und Anker darf nicht zu groß sein, da dieser sonst nicht angezogen wird. Wenn am Versuch umgesteckt oder verändert wird ist die Spannungsquelle abzuschalten, vor allem wenn Schüler zusehen (Vorbildwirkung!). ii) Klingel speziell Der Abstand zwischen Spulenkern und Anker darf nicht zu klein sein, da der Anker sonst am Spulenkern anstoßt, bevor der Klöppel die Glockenschale trifft. 2. Lernvoraussetzungen Das wahrscheinlich Elementarste, das die Schüler wissen müssen, ist, dass Strom in den in der Stunde aufgebauten Stromkreisen nur fließt, wenn diese geschlossen sind. Darüber hinaus müssen sie Aufbau und Wirkung eines Elektromagneten, also magnetische Wirkung einer stromdurchflossenen Spule und evtl. Verstärkung dieser durch einen ferromagnetischen Eisenkern, kennen. Auch, dass die Blattfeder sich aufgrund einer Kraftwirkung verbiegt muss geklärt sein. 6

3. Lernziele des Demonstrationsexperiments 3.1 Grobziele Die Schüler sollen den Aufbau und die Funktionsweise von Relais und Klingel kennen lernen. 3.2 Feinziele 1. Die Schüler sollen den Aufbau der elektrischen Klingel kennen. 2. Die Schüler sollen wissen, dass die Schwingung der Feder den Stromkreis öffnet und schließt und die Auswirkung dessen auf das Magnetfeld der Spule kennen. 3. Die Schüler sollen wissen, dass die Federschwingung auf der elektromagnetischen Anziehung der stromdurchflossenen Spule und der Rückstellkraft der Feder beruht. 4. Die Schüler sollen das Schaltbild einer Klingel skizzieren können. 5. Die Schüler sollen den Begriff des Relais und dessen Aufbau kennen. 6. Die Schüler sollen das Schaltbild eines Relais skizzieren können. 7. Die Schüler sollen wissen, dass sich dieses normalerweise auf die Situation mit nicht gespannter Feder bezieht. 4. Übergeordnetes Unterrichtsthema Das Thema wird im G8 in der 9. Jahrgangsstufe im Fach Physik im Themenbereich Magnetische Wirkung des elektrischen Stroms behandelt. Diesem Thema geht eine Stunde über den Elektromagneten voraus. 5. Experimentelle Alternativen Als Ersatz oder zur Vertiefung des einfachen Relais mit der Glühbirne im Arbeitskreis gibt es mehrere Möglichkeiten das Experiment realitätsnäher und damit auch interessanter zu gestalten. Man kann z.b. die Funktionsweise einer einfachen Alarmanlage nachstellen. Hierfür kann im ersten Schaltkreis der Schalter etwa durch 7

eine Klammer, die einen zu sichernden Gegenstand hält, ersetzen. Wird der Gegenstand entfernt berühren sich die Klammerseiten und der Stromkreis wird geschlossen. Im Arbeitskreis könnte eine Klingel als Alarmsignalgeber eingebaut sein. Anstatt der Klammer könnte auch ein leitender Gegenstand das zu sichernde Objekt darstellen. In diesem Fall hätte das Entfernen des Gegenstands die Unterbrechung des Stromes im ersten Stromkreis zur Folge. Als zweiter Realitätsbezug bietet sich der Aufbau eines vereinfachten Morsegeräts an. Hierzu kann man einfach den normalen Schalter durch einen Tastschalter ersetzen und das Birnchen als Empfänger lassen. Kurzes oder langes Drücken des Schalters führt also zum jeweiligen Aufleuchten des Birnchens. Aufwendiger, aber auch deutlich eindruckvoller wäre es das Birnchen durch einen weiteren Elektromagneten zu ersetzen, der bei Stromfluss einen Stift auf ein Papier setzt, was in ähnlicher Weise wie das Schlagen des Klöppels bei der Klingel, also auch durch ein Relais, funktionieren kann. Das Papier könnte aufgerollt sein und von einem Elektromotor abgerollt werden. So würde das Signal direkt aufgezeichnet. 6. Schülerversuch Grundsätzlich wäre der Einsatz der Klingel zum Einstieg auch als Schülerexperiment denkbar, falls die nötigen Bauteile oder besser vorgefertigte Baukästen in genügender Anzahl vorhanden sind. Dies wäre auch für das Verständnis förderlich, da die Schüler den Aufbau leichter nachvollziehen können, wenn sie ihn selbst durchführen würden und somit auch noch direkt vor sich hätten. Es ist jedoch zu beachten, dass die Klingel im G8 laut Lehrplan zu Beginn der Elektrik vorgesehen ist und die Schüler daher noch wenig Erfahrung mit elektrischen Schaltungen besitzen. Deswegen ist kritisch zu überlegen, ob sich dieser Versuch zu diesem Zeitpunkt eignet. 7. Unterrichtsverfahren 7.1 Sozialformen Frontalunterricht, bei Demonstrationsexperiment mit Unterrichtsgespräch 8

7.2 Lehr- bzw. Lernform Nachvollziehend verstehendes Lernen 7.3 Motivation/Stundeneinstieg Für einen praktischen Einstieg führt man zu Beginn der Stunde die Klingel vor. Diese Methode soll bei den Schülern auf jeden Fall Aufmerksamkeit erzeugen und deren Interesse für dieses Thema verstärkt dadurch, dass ein Beispiel für eine einfache, aber im Alltag durchaus gebräuchliche Anwendung des Relais gegeben wird, motivieren. Die Schüler sollen dann anhand des Aufbaus den Stromkreis und seine Funktion erkennen und versuchen diese nachzuvollziehen. 8. Sicherung der Lernziele Die Lernziele werden in einem Hefteintrag festgehalten, der als Schwerpunkt die beiden Schaltbilder der vorgeführten Versuche, die als Kopie ausgeteilt und eingeklebt werden, enthält: 1. Die Klingel Schalter schließen (*) Strom fließt Spule wird magnetisch Feder wird angezogen Stromkreis wird unterbrochen Spule verliert 9

magnetische Wirkung Anker kehrt wegen Federspannung in Ausgangsstellung zurück zurück zu (*) 2. Das Relais Schalter schließen Strom fließt Spule wird magnetisch Feder wird angezogen Stromfluss im zweiten Stromkreis wird unterbrochen Birnchen erlischt Das Schaltbild eines Relais bezieht sich immer auf die Situation mit nicht gespannter Feder. 9. Lernzielkontrolle Die Feinziele 1 3 werden noch nach dem vorführen der Klingel in der Unterrichtstunde durch direktes Fragen kontrolliert: Vollziehe den Stromkreis nach, bzw. von wo nach wo fließt in der Anordnung der Strom. Warum bewegt sich die Feder? Was ändert sich am Elektromagneten, wenn die Feder schwingt? Welche verschiedenen Schritte hat das Schließen des Schalters zur Folge? Darüber hinaus bekommen die Schüler die Hausaufgabe den Aufbau einer einfachen Alarmanlage inklusive Schaltbild zu skizzieren. Diese soll über 10

einen Stolperdraht einen Schalter betätigen, der den Stromkreis eines Relais schließt, über das eine Klingel eingeschaltet wird. Mit dieser Hausaufgabe werden durch eine weitere, durchaus interessante Anwendung, die beiden im Unterricht behandelten Schaltbilder und damit Feinziel 4 und 6, wiederholt. In der folgenden Stunde könnte man dann z.b. einen Schüler seine Lösung vorstellen lassen. Ist diese unzureichend kann dies auch an der Musterlösung, die z.b. auf Folie vorgefertigt ist, geschehen. Eine anschließende Abfrage sollte noch einmal die Feinziel 2 und 3 bzw. 5 und 7 kontrollieren. Es kann ähnlich wie in der Stunde gefragt werden, was die verschiedenen Schritte, die nach Berühren des Stolperdrahtes bzw. schließen des Schalters ablaufen, sind, welche Abfolge sie haben und welchen Zustand ein Musterschaltbild normalerweise zeigt. Musterlösung: 10. Prä- und Misskonzepte Die Feder bewegt sich nicht aufgrund der elektromagnetischen Wirkung der Spule sondern aufgrund des Stroms, der sie durchfließt (evtl. wie Erwärmung eines Leiters). Verwendete Literatur: PHYWE-Schriftreihe, Physik in Demonstrationsversuchen, A/B Mechanik, Industrie- Druck GmBH, Göttingen 11