Elektrizität im Stromnetz
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Vortrag zur Vorlesung „Angewandte Fachdidaktik II“ Elektrizität im Stromnetz Bearbeitung: Dozentin: Dr. Weber 1. a) fachdidaktische Gesichtspunkte, die für die Behandlung der Elektrizitätslehre im Pysikunterricht sprechen - es soll ein Einblick in die im täglichen Leben allgegenwärtigen Anwendungen der Elektrizität und Verständnis der wesentlichen Vorgänge geschaffen werden - es soll ein Beitrag zur Umweltbildung geleistet werden - es soll das erforderliche Wissen vermittelt werden, um im täglichen Umgang mit Anwendungen der Elektrizität Unfälle zu vermeiden - es soll eine Brücke von der Grundlagenwissenschaft der Physik zur Erlebens- und Erfahrungswelt der Schüler geschlagen werden, um so das Interesse am Unterricht zu fördern UNVOLLSTÄNDIG! b) Beispiele aus der Elektrizitätslehre für die Einbeziehung der Alltagserfahrungen der Schüler in den Physikunterrricht - Reihenschaltung: Wenn man eine Birne aus der Christbaumbeleuchtung herausnimmt, gehen alle Lichter aus (Stromkreis wurd unterbrochen). Die Aufschrift auf der Glühbirne lautet z.b.: 25V, 10W, und zehn Birnen sind in Reihe geschaltet. Somit kann die Schaltung ohne Verwendung eines Trafos an Hausnetz mit U=230V angeschlossen werden. - geschlossener Stromkreis: Elektrischer Strom fließt nur, wenn der Stromkreis geschlossen ist. Der Vogel kann sich auch eine Hochspannungsleitung setzen, ohne daß er beeinflußt wird. Die Spannung besteht in diesem Fall zwischen Leitung und Erde bzw. zwischen Leitung und anderer Leitung (anderer Phase). Zwischen Leitung und Vogel besteht keine Spannung und somit fließt auch kein Strom. Aber: warum ist man tot, wenn man auf den Mast klettert und an eine Leitung greift? Antwort: Weil man über den Mast mit der Erde verbunden ist und der Stromkreis mit dem Körper geschlossen wird (Leitung ist am Mast isoliert aufgehängt). - Kapazität/Kondensator: Warum bekommt man häufig einen Stromschlag, wenn man aus dem Auto aussteigt? Antwort: das Fahrzeug lädt sich durch Reibungsvorgänge (z.B. zwischen Gummi der Reifen und Straße) elektrostatisch auf (wie ein Kondensator) und kann die Ladung nicht mehr an die Erde abgeben, da die Gummireifen isolieren. Wenn man aussteigt und die Füße auf die Erde setzt, ist man mit der Erde verbunden. Greift man nun an die Tür (aus Metall, dadurch leitend), so kann die Ladung über den Körper abfließen. Deshalb sind manche Autos mit einem Erdungsband ausgerüstet, das auf der Erde schleift. In diesem Fall kann sich das Auto nicht mehr aufladen. -1- Vortrag zur Vorlesung „Angewandte Fachdidaktik II“ Elektrizität im Stromnetz Bearbeitung: Jürgen Böckl Dozentin: Dr. Weber - Geschlossener Stromkreis: Bei der Modelleisenbahn liegt zwischen den beiden Schienen eine elektrische Spannung an. Durch die Lok wird der Stromkreis geschlossen. Somit kann Strom durch den Antriebsmotor der Lok fließen und die Lok antreiben. - Geschlossener Stromkreis: Durch das Durchbrennen einer Sicherung wird der Stromkreis unterbrochen. Das Leitungsnetz bzw. ein Gerät wird so gegen Überlastung geschützt. - Wärmewirkung des el. Stroms: Der Tauchsieder ist ein Beispiel dafür, wie elektrische Energie mit Hilfe eines Widerstandes in Wärmeenergie umgewandelt wird. 2. Brandgefahr, ausgehend von den Leitungen der Hausinstallation bei der Nutzung elektrischer Geräte a) zu großer Strom fließt durch die Leitung - Leitung im Hausnetz ist zu hoch oder nicht abgesichert Aufnahmeleistung eines Gerätes wird zu groß (Gerät hat normal geringe Aufnahmeleistung und ist somit mit schwächerem Netzkabel ausgestattet, durch einen Defekt steigt die Aufnahmeleistung, eine zusätzliche Sicherung im Gerät ist nicht vorhanden oder wurde durch eine zu große ersetzt, Folge: Zuleitung ist überlastet und wird heiß, während die Sicherung im Hausnetz noch nicht auslöst, da der Strom dazu noch zu gering ist) - Kurzschluß zwischen zwei Leitern (z.B. infolge einer Beschädigung der Isolierung) b) zu großer Widerstand in bestimmten Stellen der Leitung - Leitung ist zu schwach ausgelegt - schlechter Kontakt an Verbindungen zwischen Leitungen (z.B. falscher Stecker) - Beschädigung einer Leitung mit Folge einer Querschnittsverkleinerung c) Funken-/Lichtbogenbildung - durch schlechten Kontakt - durch Spannungsspitzen (z.B. Blitzschlag, Trennen des Stromkreises mit einer Spule) - Schaltvorgänge (z.B. Zu- und Wegschalten einer Last mit hohem Anlaufstrom [z.B. Motor]) - Überschlag zwischen zwei Leitern durch zu geringen Abstand -2- Vortrag zur Vorlesung „Angewandte Fachdidaktik II“ Elektrizität im Stromnetz Bearbeitung: Jürgen Böckl Dozentin: Dr. Weber Modellversuch: Trafo Leitung Querschn. 0,1 mm2 U + I - U I R U = 12V (konst.) R = 100 Ohm Der Strom I wird ausgehend von Null erhöht bis zum Durchbrennen der schwachen Leitung. Schutzmaßnahme: Einbau einer passenden Sicherung in den Stromkreis Leitung Querschn. 0,1 mm2 U + I - U I=500 mA I R -3- Vortrag zur Vorlesung „Angewandte Fachdidaktik II“ Elektrizität im Stromnetz Bearbeitung: Jürgen Böckl Dozentin: Dr. Weber 4. Unterrichtseinheit zum Thema: „Personenschutz durch den Schutzleiter“ Lernvoraussetzungen: Kenntnis des prinzipiellen Aufbaus des Stromnetzes (eine Leitung für Phase, Erde als zweite Leitung) Kenntnis der theor. Grundlagen für Strom, Spannung, Widerstand Kenntnis des Funktionsprinzips der Sicherung Kenntnis, daß Strom nur bei einer Potentialdifferenz fließen kann Grobziel: Feinziele: Kenntnis des Zwecks des Schutzleiters in elektrischen Anlagen und dessen Funktionsweise FZ1 Die Schüler sollen erkennen, daß von el. Geräten bei Auftreten von Fehlern Gefahr ausgehen kann FZ2 Die Schüler sollen erkennen, daß Gehäuse und Schutzleiter verbunden sein müssen FZ3 Die Schüler sollen erkennen, daß ein durch den Schutzleiter geerdetes Bauteil keine Spannung gegen die Erde mehr führen kann FZ4 Die Schüler sollen wissen, daß schon relativ geringe Ströme und kurze Einwirkungsdauern von Strömen den Körper erheblich gefährden können -4- Vortrag zur Vorlesung „Angewandte Fachdidaktik II“ Elektrizität im Stromnetz Bearbeitung: Jürgen Böckl Artikulationsstufe Motivation Dozentin: Dr. Weber geplante Lehrertätigkeit Lehrer zeigt den Schülern ein geöffnetes elektrisches Gerät, bei dem eine aufgescheuerte Leitung Kontakt zum Gehäuse hat. erwartetes Feinziele Schülerverhalten Sozialform; Lehr-/ Lernform -Betrachten das Gerät Frontalunterricht -Machen sich Gedanken darbietend fragend -vermuten Gefahr Frage wird entwickelt: Problemfrage Unterrichtsgespräch Was passiert, wenn eine Spannungsführende Leitung mit dem Metallgehäuse in Berührung kommmt? anreizend Schüler diskutieren das Problem Meinungsbildung Unterrichtsgespräch erörternd Wie könnten wir das Problem untersuchen? Versuchsplanung 1 Versuchsdurchführung 1 Wir verwenden beim Versuch eine niedrigere Spannung, die zu keiner Gefährdung führen kann und untersuchen, was passiert Wir stellen die Situation mit einem Versuchsaufbau nach -Schüler stellt mit Spannungsprüfer fest, daß Gehäuse unter Spannung steht -Schüler erkennen, daß bei Berührung Strom über den Körper fließen würde -5- Unterrichtsgespräch entwickelnd Erarbeitung von FZ 1 Lehrerversuch darbietend Vortrag zur Vorlesung „Angewandte Fachdidaktik II“ Elektrizität im Stromnetz Bearbeitung: Jürgen Böckl Versuchsauswertung 1 TA 1 Schüler formulieren Ergebnis (siehe TA1) Ist der Umgang mit el. Geräten im richtigen Leben wirklich so gefährlich? Schüler überlegen Vorbereitung auf FZ 2 Schüler bringen Vorschläge: Wie kann man dieses Problem lösen? -Sicherung (L: haben wir schon eingebaut) -Isoliertes Gehäuse (L: ältere Geräte haben oft Metallgehäuse) - FISchutzschalter (L: Auslösestrom ist bei älteren Geräten so hoch, daß man Stromschlag nicht überleben würde) - Schutzleiter Finden der Gesetzmäßigkeit 1 Versuchsplanung 2 Wir untersuchen, was passieren würde, wenn ein Schutzleiter vorhanden wäre. Wo muß ein Schutzleiter angeschlossen werden, damit ein Effekt erzielt werden kann? Versuchsdurchführung 2 Auswertung 2 Finden der Gesetzmäßigkeit 2 Dozentin: Dr. Weber Schüler überlegen Erarbeitung und machen von FZ 2 Vorschläge Unterrichtsgespräch fragendentwickelnd Unterrichtsgespräch entwickelnd Schüler Versuchsaufbau 1 wird um beobachten, was einen Schutzleiter ergänzt passiert TA2 Sicherung von FZ 1 Diskussion der Beobachtungen Formulierung des Ergebnisses -6- Erarbeitung von FZ 3 darbietend Sicherung von FZ 2 Unterrichtsgespräch erörternd Vortrag zur Vorlesung „Angewandte Fachdidaktik II“ Elektrizität im Stromnetz Bearbeitung: Jürgen Böckl Finden der Gesetzmäßigkeit 3 Ergänzung des Stoffes Dozentin: Dr. Weber Was bewirkt der Schutzleiter? Diskussion der Beobachtungen TA3 Formulierung des Ergebnisses darbietend 1. Was kann passieren wenn Schutzleiter beschädigt ist und FI hohen Auslösestrom hat? Motivation und zugleich Ergänzung des Stoffes 2. Was kann passieren, wenn Schutzleiter in Ornung ist und Stromkreis ordnungsgemäß abgesichert ist, auch wenn kein FI vorhanden wäre? Schüler sollen antworten: fragend Erarbeitung von FZ 4 darbietend 2. Nichts kann passieren Wirkungen des elektrischen Stroms auf den Körper 2.Kann man einen Stromschlag bekommen, wenn man die Pole einer Autobatterie berührt? Kontrolle von FZ 1-3 1. Stromfluß durch den Körper kann Menschen töten, bevor FI auslöst TA 5: Sicherung von FZ 4 1.Warum wird eine Modelleisenbahn mit 12 V betrieben? LZ – Kontrolle 2 Unterrichtsgespräch erörternd TA 4 mündl. Verständnisfragen: LZ - Kontrolle 1 Sicherung von FZ 3 1. Um eine Gefährdung auszuschließen, da Spannungsführende Teile nicht abgedeckt sind 2. Nein, da Spannung nur 12 Volt beträgt -7- Kontrolle von FZ 4 Vortrag zur Vorlesung „Angewandte Fachdidaktik II“ Elektrizität im Stromnetz Bearbeitung: Jürgen Böckl Dozentin: Dr. Weber Tafelanschriften: TA 1: Bei einem mangelhaften Gerät kann das Gehäuse gefährliche Spannung führen TA 2: Schutzleiter verbindet Erde um Gehäuse TA 3: Der Schutzleiter sorgt dafür, daß zwischen Erde und Gehäuse keine Spannung liegen kann. Die Sicherung fällt bei Gehäuseschluß. Für den Menschen besteht keine Gefahr mehr. TA 4: In allen elektr. Anlagen muß ein FI-Schutzschalter eingebaut sein, der zusätzlich zu den anderen Sicherungsmaßnahmen den Strom abschaltet, sobald ein bestimmter Fehlerstrom zur Erde fließt (aber: FI nicht immer für Personenschutz ausgelegt). TA 5: Wirkungen des elektrischen Stroms auf den Körper: Loslassgrenze bei ca. 10mA (vgl. Taschenlampenbirne 3V, 3W => 1A) Widerstand des Körpers (Hand-Fuß) ca. 1KOhm Zeit-Stromstärke-Diagramm: Je größer der Strom, desto geringer ist der erträgliche Zeitraum - Gefährlicher als der eigentliche Stromschlag sind oft Sekundärunfälle - Medien elektr. Netzteil zur Demonstration des Gehäuseschlusses Versuchsaufbau Tafelanschrift Broschüren -8- Vortrag zur Vorlesung „Angewandte Fachdidaktik II“ Elektrizität im Stromnetz Bearbeitung: Jürgen Böckl Dozentin: Dr. Weber 4. a) Energieumwandlungsketten bei der Gewinnung elektrischer Energie Dampfkraftwerk Quelle: http://www.udo-leuschner.de/basiswissen/SB105-002.htm (Diese Darstellung dient nur zum Verständnis. In der Prüfung wäre eine einfachere Darstellung wie folgt ausreichend) Energieumwandlungskette : Chemische Energie Dampfkessel Wärmeenergie Mechanische Energie Turbine -9- Elektrische Energie Generator Vortrag zur Vorlesung „Angewandte Fachdidaktik II“ Elektrizität im Stromnetz Bearbeitung: Jürgen Böckl Dozentin: Dr. Weber Laufwasserkraftwerk Quelle: http://www.udo-leuschner.de/basiswissen/SB107-002.htm (Diese Darstellung dient nur zum Verständnis. In der Prüfung wäre eine einfachere Darstellung wie folgt ausreichend) Energieumwandlungskette : Potentielle u. Kinetische Energie Turbine Mechanische Energie Elektrische Energie Generator - 10 - Vortrag zur Vorlesung „Angewandte Fachdidaktik II“ Elektrizität im Stromnetz Bearbeitung: Jürgen Böckl Dozentin: Dr. Weber b) Energiegewinnung als indirekte Nutzung der Sonnenenergie Wasserkraftwerke: Durch die Sonneneinstrahlung verdunstet das Wasser auf der Erd- bzw. Meeresoberfläche und steigt auf (Gewinn an potentieller Energie). In der Atmosphäre kondensiert das Wasser und kommt als Niederschlag wieder auf die Erde. Der Anteil des Wassers, der dabei auf höher gelegene Regionen der Erde fällt, hat eine höhere Potentielle Energie als das Wasser in niedriger gelegenen Regionen. Aus dieser Potentialdifferenz läßt sich beim Ablauf des Wassers in niedrigere Regionen nutzbare Energie gewinnen. Wärmekraftwerke: Die fossilen Brennstoffe, die der Beheizung von Wärmekraftwerken dienen, lassen sich alle auf pflanzliche und tierische Biomasse aus der Urzeit zurückführen. So besteht Erdöl z.B. weitgehend aus ehemals tierischer, Braunkohle aus überwiegend pflanzlicher Substanz. Das urzeitliche Wachstum dieser Pflanzen und Tiere wurde nur ermöglicht durch die Sonneneinstrahlung. Fossile Brennstoffe sind also eine Form gespeicherter Sonnenenergie. - 11 - Vortrag zur Vorlesung „Angewandte Fachdidaktik II“ Elektrizität im Stromnetz Bearbeitung: Jürgen Böckl Dozentin: Dr. Weber Tafelbild 1: - 12 - Vortrag zur Vorlesung „Angewandte Fachdidaktik II“ Elektrizität im Stromnetz Bearbeitung: Jürgen Böckl Dozentin: Dr. Weber Tafelbild 2: - 13 -
