Sicherheit im Physikunterricht II Beispiele zu Experimenten aus der Praxis Dr. Matthias Theis Seminar Stuttgart Achtung: Photonen!
Sicherheit im Physikunterricht Seminar für Didaktik und Lehrerbildung Stuttgart Lehrbeauftragter für Physik theis@seminar-stuttgart.de Regierungspräsidium Stuttgart Fachberater für Physik RP Stuttgart Die Informationen in diesen Vorträgen basieren unter anderem auf der Richtlinie zur Sicherheit im Unterricht (RiSU), auf Lehrerfortbildungen des RP Stuttgart und auf Aussagen der Unfallkasse Baden-Württemberg. Für die Korrektheit der Informationen kann keine Gewähr übernommen werden, auch wenn sie sehr sorgfältig zusammengetragen wurden. 2
Überblick Experimente in der Mechanik Typische mechanische Gefährdungen Experimente in der Optik Vorgeschriebene Maßnahmen Experimente mit elektrischer Energie Besonders: berührungsgefährlicher Spannung Verschiedene Experimente Wie würden Sie diese Experimente einschätzen? 3
Regelungen und Vorgaben zur Physik: Besonders relevante Abschnitte der RiSU 2016 Teil I (Regelungen): I-0 bis I-2: Allgemeine Regel I-4.5: Weichlöten I-5: Druckgasflaschen, Gasanlagen I-8, I-9: Strahlenschutz I-10: Optische Strahlung I-11: Elektrische Energie Teil II (Hinweise und Ratschläge): II-1: Allgemeine Hinweise II-4: Hinweise und Ratschläge Physik Teil III (Anhang zur I und II): III-1: Anforderungen an Fachräume III-5-6: Optische Strahlung, Elektrische Energie III-8: Prüfungen und Prüffristen 4
Experimente Wobei geschehen die meisten Schadensereignisse? 5
Experimente in der Mechanik Die meisten Verletzungen gibt es in der Mechanik. Gefährdungsquellen: Fuß-/ Beinverletzungen durch fallende Gegenstände mit größerer Masse (ab ein paar 100 g) Kippende/ instabile Versuchsaufbauten, z.b. bei fehlender Befestigung am Tisch Massestück + Feder = potenzielles Geschoss Ungesicherte Wurfbahn bei Wurfversuchen Umherfliegende Teile bei rotierenden Aufbauten Schülertische vor Experimenten nicht ausreichend freigeräumt 6
Experimente in der Mechanik Experimente zu Kreis- und Rotationsbewegungen Keine Metallkörper kreisen lassen; softe Objekte kleiner Masse wählen Achtung: erhöhte Gefährdung bei rotierenden Geräten: lose Objekte sind gefährlich ggf. Schutzscheiben verwenden Gefährdungsbeurteilung (GBU) erstellen 7
Experimente in der Mechanik Beispiel: Fallrohr Fall in Luft und im Vakuum Implosionsgefahr bei evakuierten Glasgefäßen beachten Sicherheitsmaßnahmen: Schutzbrillen für die SchülerInnen oder Splittersichere Röhren bzw. Gefäße nutzen oder Schutzscheiben nutzen Nur als Lehrerversuch GBU erstellen 8
Mechanische Gefährdungen Schriftliche GBU nur bei nennenswerter Gefährdung Gefahr durch umherfliegende Gegenstände: Rotationsbewegungen, Würfe Bewegungen großer Massen Splitterbildung beim Zusammenstoß starker Magnete Zug-/Druckspannungen (Federn, Bolzensprenger, ) Gefahr durch Quetschung: Stativaufbauten Beteiligung großer Massen Hantieren mit starken Magneten (Supermagnete) 9
Mechanische Gefährdungen Gefahr durch Stürze: Anbringen von Geräten/ Dingen an Decken und Wänden Hinweis: Nutzung von größeren Leitern ist nicht erlaubt Hohe Experimentieraufbauten Flaschenzüge mit Personeneinsatz Aufbauten oder Schultaschen in den Laufwegen des Raums 10
Experimente in der Optik Experimente mit künstlicher optischer Strahlung Erstellen einer schriftlichen GBU vorgeschrieben Einige Lichtquellen können ohne besondere optische Schutzmaß-nahmen genutzt werden: Haushaltslampen, LED (Risikoklasse 0 und 1), Natrium-Lampen, Kerzenflamme, Blitzlichtgeräte, UV-Geldscheinprüflampen Einsatz von anderen Lichtquellen: Substitutionsprüfung geeignete Schutzmaßnahmen 11
Experimente in der Optik Beispiel: Schülerversuche mit 12-V-Lampen, Sammellinsen, Schriftliche GBU nötig Hinweis an SchülerInnen: Lampengehäuse wird heiß Nur mit nicht berührungsgefährlicher Spannung arbeiten RiSU konform 12
Experimente in der Optik Beispiel: Schülerexperiment mit 12-V-Lampen via Wahlpole Trafo am Pult RiSU-konform? 13
Experimente in der Optik Beispiel: Demonstrationsversuch mit Laser an der Magnettafel Warnschild, Laserbereich gegen Betrete sichern Laserklasse des Lasers? Max. Klasse 2, 2M erlaubt. Substitutionsprüfung in der GBU dokumentieren Hinweise an die SchülerInnen zu Gefahren und Verhaltensweisen unerwünschte Reflexionen vermeiden, Strahlengang nicht auf Augenhöhe
Experimente in der Optik Neue Schullaser Klasse 1 Eine mögliche Alternative? Substitutionsprüfung in der GBU dokumentieren Laserklasse 2, 2M: Schülerexperimente nur unter direkter Aufsicht Reflexionen beachten 15
Experimente in der Optik Spektrum einer Spektrallampe durch ein Gitter beobachten 16
Experimente aus der Optik Experimente mit Spektrallampen (und UV-Lampen) Lampen mit U < 5 kv wählen. (Bei Spannungen über 5 kv entsteht Röntgenstrahlung nur für Strahlenschutzbeauftragte erlaubt.) Falls UV-Licht auftreten kann z.b. Hg-Lampen oder Cd-Lampen: Nicht direkt in den Strahlengang schauen oder sich darin aufhalten. Schutzmaßnahmen auch gegen seitlich zum Strahlengang austretendes Streulicht zwingend notwendig: Abschirmung des Streulichtes durch Schutzscheiben (z. B. aus Polycarbonat, Plexiglas, Glas, Verbundglas). Arbeitsbereich abgrenzen, mit dem Hinweisschild W27 und Text Vorsicht! Ultraviolette Strahlung kennzeichnen. Nur unter unmittelbarer Aufsicht der Lehrerin oder des Lehrers. Betriebsanweisungen beachten, Gebrauchsanleitung lesen 17
Experimente in der Optik Physikwochenende einer Schule für Besucher: 18
Experimente mit elektrischer Energie Beispiel: Sicheres Löten Gefahrenquelle: Aufschmelzen der 230 V-Netzleitung Lötstationen mit Niedervolt-Lötkolben bevorzugen Nur bleifreies Lötzinn verwenden Lüften und Händewaschen Vor Brandverletzungen an der heißen Lötspitze warnen Betriebsanweisung beachten 19
Experimente mit elektrischer Energie Nur Experimentiersteckdosen nutzen (Not-Aus, FI-Schalter,...) und keine anderen Steckdosen (z.b. für Reinigungsgeräte) 20
Experimente mit elektrischer Energie Mit berührungsgefährlicher Spannung experimentieren 21
Experimente mit elektrischer Energie Nicht berührungsgefährliche Spannung (Definition nach GUV-SI 8040, Hinweis: fehlerhafte Definition in der RiSU) U 25 V AC (60 V DC) oder U > 25 V AC (60 V DC) und Kurzschlussstrom I 3 ma AC (12 ma DC) oder U > 25 V AC (60 V DC) und elektrische Entladungsenergie 350 mj U = Leerlaufspannung: gemessen mit einem Messgerät mit einem Innenwiderstand > 50 kω Kurzschlussstrom: gemessen an einem 2 kω Widerstand 22
Experimente mit elektrischer Energie Regeln zum Umgang mit berührungsgefährlicher Spannung: Fachkunde erforderlich: (Lehramts-)Studium der Physik oder spezielle Schulung Vor dem Experimentieren müssen Sicherheitseinrichtungen auf Funktion geprüft werden: FI-Schalter (RCD), Not-Aus-Schalter Warnschild aufstellen gefährliche Spannung Sicherheitsexperimentierleitungen verwenden Kabel vor jeder Nutzung auf Schäden prüfen Soweit möglich Berührschutz herstellen (Basisisolierung) 23
Experimente mit elektrischer Energie Regeln zum Umgang mit berührungsgefährlicher Spannung: Umbauen (auch Messgeräte) nur im spannungsfreien Zustand Tipp: Netzstecker ziehen und sichtbar auf den Tisch legen Wenn möglich muss Schutz durch SELV/ PELV genutzt werden: SELV: Sicherheitskleinspannung (Safety Extra-Low Voltage) PELV: Funktionskleinspannung d.h. Kleinspannung mit Erdung (Protective Extra-Low Voltage) Wann liegt SELV/ PELV vor? Basisisolation der gesamten Schaltung, d. h. kein elektrischer Leiter kann berührt werden. Spannung maximal 50 V AC (120 V DC) Netzgerät mit Sicherheitstransformator nach EN 61558-2-6 und mit doppelter/ verstärkter Isolierung des Primärstromkreises 24
Experimente mit elektrischer Energie Unterschied zwischen SELV und PELV PELV: Erdung der Sekundärseite SELV: Keine Erdung der Sekundärseite (daher sicherer als PELV) 25
Experimente mit elektrischer Energie Experimente mit berührungsgefährlicher Spannung Alle Experimentiereinrichtungen müssen mit Sicherheitsbuchsen ausgestattet sein. (BG/GUV-SI 8040, Seite 33) Alte Geräte müssen umgerüstet werden! Adapter (bis 1000 V): Leybold-Didactic 50095, 50096 Conatex 2060350 26
Experimente mit elektrischer Energie Wo kommen berührungsgefährliche Spannungen vor? Beispiele: Alle Netzgerät ohne Sicherheitstransformator (auch wenn U 25 V) Experimente, bei denen berührungsgefährliche Spannungen durch Induktion oder Kondensatorentladung vorkommen kann Experimente mit 230-V-Netzspannung Hinweis: Abgreifen von 230-V-Netzspannung nur mit Sicherheitsadapter und Sicherheitskabeln 27
Experimente mit elektrischer Energie Mit Schutz durch SELV/PELV-Systeme: mehrere Schülerexperimente gleichzeitig möglich Not-Aus direkt am Arbeitsplatz nicht notwendig Lehrer überprüft jeden Aufbau der Schüler vor Spannungsfreigabe Schüler über Gefahren und Schutz informieren Ohne Schutz durch SELV/PELV-Systeme: erhebliche Gefährdung nur ein Experiment unter unmittelbarer Aufsicht des Lehrers möglich Not-Aus direkt am Arbeitsplatz notwendig Lehrer überprüft jeden Aufbau der Schüler vor Spannungsfreigabe Schüler über Gefahren und Schutz informieren Spannungsfreigabe ankündigen Experiment am Pult: 1,2 m Abstand zum ersten Schülertisch oder Schutzscheibe verwenden 28
Experimente mit elektrischer Energie Überblick: Prüfungen zum Einsatz elektrischer Spannungen Kann ich Lernziel mit nicht berührungsgefährlicher Spannung erreichen? Ja Nicht berührungsgefährliche Spannung muss verwendet werden. Schülerexperimente in allen Klassenstufen erlaubt Nein Kann ich Lernziel mit Schutz durch SELV/PELV-System erreichen? Ja SELV/PELV-System muss verwendet werden. Schülerexperimente nur ab Kl. 11 Nein Ohne Schutz durch SELV/PELV unter Einhaltung weiterer Vorgaben erlaubt. Schülerexperimente nur ab Kl. 11 Empfehlung: In allgemeinbildenden Schulen ganz auf Schülerexperimente mit berührungsgefährlicher Spannung verzichten.
Experimente mit elektrischer Energie Bandgeneratoren, Influenzmaschinen sollten wie elektrische Quellen mit berührungsgefährlicher Spannung behandelt werden. Spannungen sind ggf. berührungsgefährlich Vorsicht bei externen Kapazitäten Dann wird die Spannung schnell berührungsgefährlich. Zum Beispiel bei 200 kv ab C ges =17,5 pf: Konduktorkugeln mit C=15pF, zusätzlich erlaubt: < 2,5 pf Keine Schülerexperimente bis einschließlich Kl. 10! Hochspannungsnetzgeräte Alte Geräte liefern häufig berührungsgefährliche Spannungen. Aktuelle Hochspannungsnetzgeräte erzeugen oft keine berührungsgefährliche Spannungen: Bedienungsanleitung des Herstellers lesen. Vorsicht beim Anschluss zusätzlicher externer Kapazitäten. [Foto: Jared C. Benedict. CC BY-SA 3.0, Wikipedia] 30
Experimente mit elektrischer Energie Spule ausschalten bei U 60 V DC 31
Experimente mit elektrischer Energie Spule ausschalten bei U 60 V DC Messergebnisse (geschlossener Eisenkern, R 1 = R 2 ): Spule n U 0 I max E mag R 1 LD Praktikum 59083 500 4,1 V 1,1 A 35 mj 3,7 Ohm LD Praktikum 59084 Phywe 06513-01 Phywe 06514-01 Phywe 06515-01 1000 10,5 V 0,5 A 40 mj 21,0 Ohm 300 3,3 V 4 A 260 mj 0,8 Ohm 600 4,6 V 2 A 230 mj 2,3 Ohm 1200 11,3 V 1 A 240 mj 11,3 Ohm 32
Experimente mit elektrischer Energie Hinweise zu Experimenten mit Spulen: Kleine Praktikumsspulen sind mit Gleichspannung i. A. auch für SchülerInnen unbedenklich (vgl. Tabelle). Schülerexperimente mit leistungsfähigen Spulen sind bis einschließlich Klassenstufe 10 nicht zu empfehlen. Parallelschaltung von leistungsfähigen Spulen kann zu berührungsgefährlichen Spannungen führen. Versuche mit Spulen und Stromunterbrechern (z. B. Modell einer elektrischen Klingel, Funkeninduktor, ) können evtl. berührungsgefährliche Spannungen erzeugen. 33
Experimente mit elektrischer Energie Experimente mit (evtl.) berührungsgefährlicher Spannung Welche Spule darf es sein? 34
Experimente mit Spulen Schülerexperimente zum Transformator mit Spulen: Nur dann, wenn sich auch beim Vertauschen der Spulen keine höhere Spannung als 25 V ergibt. Möglichkeit 1: Kleinspannungstrafo mit maximal 12 V, Spulen mit Windungsverhältnissen 1:1 und 1:2 Möglichkeit 2: Die Lehrkraft stellt über die Energieverteilung eine Spannung von 6 V an den Schülertischen zur Verfügung. Verwendung von Windungsverhältnissen 1:1, 1:2 und 1:4 [Foto: Lizenzfreie Bilder zum Lehrerband Impulse Physik, 7-10,Klett-Verlag 2009] 35
Experimente mit elektrischer Energie Experimente an Schülerinnen und Schülern Nicht mit Geräten, die an das elektrische Netz angeschlossen sind Direkter Kontakt mit elektrischen Schaltungen nur mit nicht berührungsgefährlichen Spannungen Beispiele: Messen des elektrischen Widerstands von Hand zu Hand Spannungen bei Muskelkontraktion messen (bzw. EKG) Keine SchülerInnen mit Induktionsstromstößen elektrisieren (Weidezaun) 36
Verschiedene Experimente Kondensatoren: E max = ½ C U² = 8 J berührungsgefährliche Spannung U < 5,5 V nicht berührungsgefährlich 37
Verschiedene Experimente Experiment zur Veranschaulichung el. Felder mit Grießkörnern RiSU-konform Spannung ist nicht berührungsgefährlich 38
Verschiedene Experimente Spule ausschalten 39
Verschiedene Experimente Fadenstrahlröhre berührungsgefährliche Spannung 40
Verschiedene Experimente Wärmelehre Bolzensprenger Gefahr durch Splitterflug Schutzbrille/ Schutzscheibe Schriftliche GBU nicht als Schülerexperiment Glasbruchgefahr beim Einschieben des Glasrohrs Glasrohr nicht durch SchülerInnen einsetzen lassen 41
Verschiedene Experimente Wärmelehre Umgang mit Chemikalien: GBU zu jedem Experiment nötig Fehlende Fachkunde: Chemiker muss GBU erstellen Tipp: Wasser mit Lebensmittelfarbe färben Umgang mit Gasbrennern: Regeln beachten (nächste Folie) 42
Kartuschenbrenner Kartuschen nur mit fest integriertem Ventil verwenden. Maximal 8 Kartuschenbrenner bei Schülerversuchen Festinstallierte Gasanlagen sind Kartuschenbrennern vorzuziehen. Aufbewahrung nur in Schränken mit Öffnungen in Bodennähe Unbeabsichtigtes Lösen der Druckgaskartuschen muss bauartbedingt unmöglich sein. Keine unzulässige Erwärmung Richtige Gebrauchslage beachten: Gas darf nicht auslaufen Nach Benutzung auf geschlossene Ventile und Mängel kontrollieren. Nur die Lehrerin/der Lehrer darf die Druckgaskartuschen auswechseln. 43
Verschiedene Experimente Wecker im Vakuum Implosionsgefahr beachten: Schutzkorb/ Schutzfolie oder splittergeschützte Glasglocke oder Schutzscheibe/ Schutzbrillen schriftliche Gefährdungsbeurteilung Schülerexperimente nicht erlaubt 44
Sicher Experimentieren Im Physikunterricht gibt es sehr viele schöne und lohnende Experimente mit Sicherheit. Bei Fragen oder Zweifeln die Kollegen fragen. theis@seminar-stuttgart.de 45
Quellen, Literaturhinweise und Links RiSU 2016 GUV-SI 8070 Richtlinien zur Sicherheit im Unterricht GUV-SI 8040 Sicher experimentieren mit elektrischer Energie in Schulen Naturwissenschaften im Unterricht Physik, Heft 80/81, Friedrich Verlag 2004 GUV-V B2 "Laser" Unfallverhütungsvorschrift, aktualisiert April 2007 Merkblätter des RPK: Merkblatt StrlSchV, zur Strahlenschutzverordnung vom 20. Juli 2001, zuletzt geändert durch Gesetz vom 24.02.2012, Umgang mit radioaktiven Stoffen im Schulunterricht http://www.km-bw.de/,lde_de/startseite/schule/bildungsplanaktuell?querystring=bildungsplan+aktuell+26 https://www.ls-bw.de/,lde/startseite/service/sicherheit+im+unterricht http://www.gefahrstoffe-schule-bw.de Vorträge und Gespräche: StD Markus Ziegler (RP Freiburg), Hans-Joachim Wachter (Unfallkasse BaWü) und Marco Häberlen (RP Stuttgart) 46