04_Generator_Gabriel_unfertig

Physikdidaktik-Seminar WS 09/10
Thema: Der Wechselspannungsgenerator
(Simon Gabriel, Christian Seibold)
21.12.09
1. Lehrplaneinordnung:
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9. Klasse (G8)
Themenkomplex: Elektrik (ca.18 Std.)
Teilgebiet: Induktion
Einbettung in Themenkomplex: Wir würden mit dieser Stunde den Themenkomplex Elektrik
abschließen und abrunden. Die Stunde soll den Schülern anhand eines vereinfachenden
Modells vermitteln, wie heutzutage Strom erzeugt wird (alle modernen Kraftwerke besitzen
als Herzstück ein Dampfturbine gekoppelt mit einem Generator; Quelle: wikipedia, Artikel:
Kraftwerke)
2. Lernvoraussetzungen: Die Schüler sollen…
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…wissen, welche Kräfte auf Elektronen in mag. und elektr. Feldern wirken.
…wissen, dass die Ursache für die Lorentzkraft die Bewegung von Ladungsträgern in einem
Magnetfeld ist.
 …die Drei-Finger-Regel zur Lorentzkraft kennen und anwenden können.
 …das Grundprinzip auf dem ein Elektromotor beruht kennen. (Umwandlung von Ee in Ekin)
 …wissen, wie man Induktionsspannung erzeugt.
 …wissen, dass die Induktionsspannung mit der Lorentzkraft zu erklären ist.
 …das Spulen mit N Windungen N-mal soviel Induktionsspannung erzeugen wie eine einzige
Leiterschleife.
 …die Lenzsche Regel kennen und wissen, was sie aussagt.
 …wissen, dass Eisenkerne ein mag. Feld verstärken.
 …wissen, was Wechselspannung ist.
 …sollen mit den Begriffen Frequenz und Amplitude vertraut sein.
3. Lernziele: Die Schüler sollen…
 ...wissen, dass der Generator Ekin in Ee umwandelt.
 …erkennen, dass er den Prozess des Elektromotors umkehrt.
 …wissen, dass das öffentliche Stromnetz mit 50 Hz und das Bahnnetz mit 16,7 Hz betrieben
wird.
 …wissen was die Vorteile von elektr. Energie sind.
4. Unterrichtsverfahren:
4.1. Sozialform: Unterrichtsgespräch, das mit Lehrer- bzw. Schülerdemonstrationen durchsetzt
ist
4.2. Lehrform: impulsgebend, fragend-entwickelnd
4.3. Lernform: teils selbstentdeckend, teils aufnehmend
5. Unterrichtsvorbereitung:
Aufbau des Generatormodells (siehe unten) auf einem fahrbaren Tisch
6. Stundenskizze
6.1. Einstiegssituation: Lehrer bringt per Hand betriebenes Handy-Aufladegerät mit und fragt die
Schüler, was man mit diese Gerät macht.
6.2. Gemeinschaftliche Entwicklung der technischen Umsetzung eines
Wechselspannungsgenerators mit Hilfe von Demonstrationsexperimenten:
 Spule in der Nähe eines frei drehbaren Stabmagneten:
Material: kleine Spule (N=400 R=3Ω, I=1A,
L=3mH), 2 Kanal-Oszilloskop, frei drehbarer
Stabmagnet mit „Nadelfuß“ (auf den Magnet
aufgesetzt werden kann), 2 Leitungen
In der Nähe eines frei drehbaren Stabmagneten
wird eine Spule plaziert, welche über 2 Leitungen
mit dem Oszilloskop verbunden ist, womit die in
die Spule induzierte Spannung aufgezeichnet wird.
Einstellungen am Oszilloskop:
Frage an Schüler: Was muss ich machen um auf
dem Oszilloskopen-Schirm ein Wechselspannung aufzuzeichnen.
Nun wird entweder die Spule oder der Stabmagnet bewegt und die
Induktionsspannung beobachtet und analysiert (rein qualitativ).
Frage an Schüler: Möglichkeiten um eine höhere Induktionsspannung (höhere
Amplitude) zu erreichen.
 Bewegung eines Stabmagneten im Inneren einer kleinen Spule:
Material: kleine Spule (N=400 R=3Ω, I=1A, L=3mH), 2 Kanal-Oszilloskop, Stabmagnet
(z.B.: 15cm*2cm), 2 Leitungen
Problem (das auch die Schüler erkennen sollen): Um Wechselspannung in die Spule zu
induzieren, muss der Stabmagnet nach jedem herausziehen um gedreht werden. Dies
ist per Hand sehr umständlich zu lösen.
Einstellungen am Oszilloskop:
Überleitung zum folgenden WS-Generatormodell: Statt den Magneten im Inneren
einer ortsfesten Spule zu drehen, könnte man ja auch ein Spule im Inneren eines
homogenen Magnetfeldes (Hufeisenmagnet) bewegen. Lehrer schiebt fahrbaren Tisch
mit dem Modell ins Klassenzimmer.
 Vereinfachtes Schulmodell (Außenpolgenerator) eines WS-Generators aus
Hufeisenmagnet, Motoraufsatz, Doppel-T-Anker und Kurbel (sehr unharmonische
Schwingung):
Material:
 Digitales Oszilloskop
 kleine Spule (wie oben)
 Hufeisenmagnet
 Schraubzwinge (mit Holzbrett)
 Motoraufsatz (Abb. 2, 4-6)
 Doppel-T-Anker (Abb. 2, 1+7)
 Schnurscheibe (Abb. 2, 2)
 Kurbel (Abb. 2, 2a)
 Glühlämpchen: 3V, 0,2A
 Koaxialadapter

4 Leitungen (2-mal rot, 2-mal schwarz)
Die gezeigt Apparatur ist von der Lehrkraft aufgebaut (ohne Kurbel und ohne Stativ für
Lampe). Dann holt der Lehrer einen Schüler heraus, gibt ihm die Kurbel in die Hand
und lässt in kurbeln. Dabei wird der Spannungsverlauf sowie das Glühlämpchen
beobachtet und analysiert (qualitativ und quantitativ).
Einstellungen am Oszilloskop:
 Wäschetrockner (Blackbox) zur Demonstration einer harmonischeren Schwingung:
Material: alter Wäschetrockner, 2 Leitungen, 2 Krokoklemmen
Der Elektromotor wird anders herum betrieben und erzeugt aus mech. Energie
elektrische. Die Induktionsspannung wird wieder mit dem Oszilloskop aufgezeichnet.
Einstellungen am Oszilloskop:
6.3 Lernzielsicherung: AB mit Lückentext (Lücken sind fett und unterstrichen)
Stromerzeugung in Deutschland
Brasilien – Chaos nach Stromausfall
Ein Stromausfall hat in Brasilien Chaos ausgelöst. Die Städte Sao Paulo und Rio de Janeiro
blieben stundenlang komplett ohne Strom, kurzzeitig fiel auch in Paraguay der Strom aus.
Angst und Chaos entstanden auch in den öffentlichen Verkehrsmitteln der brasilianischen
Städte, als U-Bahnen wegen des Stromausfalls plötzlich in den Tunneln stehen blieben.
Quelle: http://www.focus.de/panorama/vermischtes/stromausfall-brasilien-chaos-nachstromausfall_aid_453205.html ; nur oberste Schlagzeile; Datum 28.12.2009
Immer wieder berichten die Medien über Stromausfälle auf der ganzen Welt. Auch hier in
Deutschland kann es uns treffen und die Folgen wären ähnlich schlimm. Wir sehen also, dass
ein intaktes Stromnetz von existenzieller Bedeutung für das Funktionieren eines Landes ist.
Deshalb gibt es jetzt ein paar Informationen zur Stromerzeugung und welche Vorteile
elektrische Energie gegenüber anderen Energieträgern hat.
Definition: Unter Stromerzeugung versteht man die Umwandlung von anderen Energiearten
aus verschiedenen Energiequellen (Wind, Wasser, Sonne, radioaktives Material) in
elektrische Energie. Dabei basieren die Kraftwerke heutzutage beinahe ausnahmslos auf dem
Generatorprinzip, dh. sie wandeln mech. Energie in elektr. Energie um. Hierbei dient meist
Wasserdampf als Energiequelle. Es wird also lediglich der Elektromotor umgekehrt.
Allgemeines: Schon zu Beginn der Industrialisierung (Mitte des 19. Jahrhunderts) erkannte
man, dass sinusförmiger Wechselstrom am einfachsten zu erzeugen ist. Heutzutage wird das
öffentliche Netz in Deutschland und sogar der gesamten EU mit Wechselstrom mit einer
Frequenz von 50 Hz betrieben. Parallel dazu existiert das Stromnetz der Deutschen Bahn
(DB), bei dem eine Netzfrequenz von 16,7 Hz verwendet wird.
Hier eine Übersicht über die Mixtur der deutschen Stromerzeugung 2008:
Vorteile:
 Einfacher und verlustarmer Transport
 Leicht und verlustarm umwandelbar
Quellenangaben für Arbeitsblatt: wikipedia; Artikel: Stromerzeugung; Datum 28.12.2009
6.4 Lernzielkontrolle: kurze Abfrage in der nächsten Stunde
7. Alternativen:
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Man könnte auf den ersten und den letzten Versuchsteil verzichten und stattdessen am Ende
noch eine Diskussion über den Ausbau der regenerativen Energien anfügen.
Dieser Versuch kann nicht als Schülerexperiment durchgeführt werden, weil normalerweise
nur ein bis zwei Motoraufsätze in der Schule vorliegen.