E-Motor Neupert_2.3Version - Physikdidaktik Uni Bayreuth

„Das Demoexperiment“ WS 09/10 Elektromotor Tim Neupert 1103951 (uni@t-­‐neupert.com) Johannes Hertrich 1089295 ([email protected]) Inhalt 1. Versuchsbeschreibung ........................................................................................................................2 1.1 benötigtes Material.......................................................................................................................2 1.2 Durchführung ................................................................................................................................3 2. Lernvoraussetzungen ..........................................................................................................................3 3. Lernziele ..............................................................................................................................................4 3.1 Grobziel .........................................................................................................................................4 3.2 Feinziele.........................................................................................................................................4 4. Bezug zu einem übergeordneten Unterrichtsthema...........................................................................4 Ph 9.1 Elektrik (ca. 18 Std.)..................................................................................................................4 5. Modifikation des Demoexperimentes als Gruppenexperiment..........................................................5 6. Unterrichtsverfahren...........................................................................................................................5 6.1 Sozialform......................................................................................................................................5 6.2 Lehrform........................................................................................................................................5 6.3 Lernform........................................................................................................................................5 7. Lernzielkontrolle..................................................................................................................................5 8. Lernzielsicherung.................................................................................................................................6 Der Elektromotor ................................................................................................................................6 9. Prä-­‐ und Misskonzepte........................................................................................................................6 9.1 Präkonzepte ..................................................................................................................................6 9.2 Misskonzepte ................................................................................................................................7 Das Demoexperiment „Elektromotor“ -­‐ Neupert 11. Januar 2010 1. Versuchsbeschreibung Anknüpfend an das Themengebiet elektromagnetische Induktion eignet sich der Elektromotor als praktische Anwendung gut für den Physikunterricht. Ein möglicher schematischer Aufbau des Versuches sieht wie folgt aus: Hierbei verwendet man eine Gleichstromquelle um den Schülern das Prinzip des E-­‐Motors zu erklären. Aufbauend auf den Grundkenntnissen der Schüler zum Themengebiet „elektromagnetische Induktion“ kann zunächst eine einfache Leiterschleife in die Ankerhalterung eingesetzt werden um z. B. an den Versuch „rotierende Leiterschleife im Magnetfeld“ anzuknüpfen. Das verwendete System von Phywe bietet hierbei die Möglichkeit, die Schleifkontakte entweder an durchgehenden Metallkontakten des Ankers (halbe Drehung des Ankers, manuelles Umpolen möglich) oder an unterbrochenen Metallkontakten des Ankers (= Polwender = Kommutator) aufzusetzen. Lehrplaneinordnung: 9. Klasse (G8) Themenkomplex: Elektrik (ca. 18 h) Nach der Behandlung des magnetischen und elektrischen Feldes und der Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter ist die Behandlung des E-­‐Motors im Themenkomplex Elektrik (ca. 18 h) der 9. Klasse G8 vorgesehen. Im Anschluss daran werden weiterführende Themen wie Kräfte auf freie Ladungen im elektrischen und magnetischen Feld, Lorentzkraft und das Themengebiet Induktion behandelt. Quelle: http://www.isb-­‐gym8-­‐lehrplan.de/contentserv/3.1.neu/g8.de/index.php?StoryID=26438 (07.01.2010, 9.40 Uhr) 1.1 benötigtes Material Für diesen Versuch eignet sich gut das Material von Phywe. Benötigt wird: •
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Gleichstromquelle Hufeisenmagnet mit Bohrung Motoraufsatz (siehe nachfolgende Skizze) Diverse Trommelanker (einfache Leiterschleife, 2-­‐fach geteilter Anker, mehrfachgeteilte Anker) Schnurscheibe zur Arretierung des Ankers Tischhalterung (optional) 2 Verbindungskabel (1 mal rot, 1mal blau) Der Motoraufsatz, welcher auf dem Hufeisenmagneten befestigt wird, sieht wie folgt aus: Das Demoexperiment „Elektromotor“ -­‐ Neupert 11. Januar 2010 Abbildung 1: Phywe-­‐Schriftenreihe Physik in Demonstrationsversuchen A/B Mechanik, Der Allstrommotor E 5.4.8, Abb. 2 Die einzelnen Bestandteile des Bausatzes: 1.)
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Achse des Trommelankers Schnurscheibe Lagerbohrung Kohleschleifbürsten des Motoraufsatzes Rändelschrauben Anschlussbuchsen des Motoraufsatzes Rotorspule mit Kommutator bzw. Schleifringen 1.2 Durchführung Nach Verankerung des Hufeisenmagneten auf dem Tisch bzw. der. Halterung wird der Motorhalter auf den Hufeisenmagneten aufgesetzt. Die Achse des Trommelankers wird in die Lagerbohrung eingesetzt und mit Hilfe der Schnurscheibe arretiert. Die Schleifbürsten des Motoraufsatzes werden zuerst auf die Schleifringe der Rotorspule gesetzt und beim zweiten Versuch auf den Kommutator und mit Hilfe der dafür vorgesehenen Rändelschrauben an den Anschlussbuchsen des Motoraufsatzes befestigt. Durch Anlegen einer Spannung können nun verschiedene Ankereinsätze (von der einfachen Leiterschleife bis hin zu mehrfach geteilten Ankern) aufgebaut werden. 2. Lernvoraussetzungen Folgende Themengebiete sollten den Schülern bekannt sein: •
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Kraftwirkung zwischen stromdurchflossenen Leitern (Schüler sollen wissen, dass sich zwei parallele Leiter bei gleicher Stromrichtung anziehen) Magnetischer Feldbegriff (Schüler sollen wissen, dass magnetische Feldlinien vom Nord-­‐ zum Südpol verlaufen und dass die Dichte gezeichneter Feldlinien ein Maß für die Stärke des Magnetfeldes sind, desweiteren sollen Schüler wissen, dass sich Magnetfeldlinien nie schneiden) Lorentzkraft ( Schüler sollen wissen, dass auf einzelne bewegte , elektrisch geladene Teilchen in einem Magnetfeld eine Kraft wirkt.) Das Demoexperiment „Elektromotor“ -­‐ Neupert 11. Januar 2010 3. Lernziele 3.1 Grobziel Die Schüler sollen wissen, dass der Gleichstromelektromotor elektrische Energie in Rotationsenergie umwandelt und selbst in der Lage sein, seine wesentlichen Bestandteile zu benennen, sowie deren Funktionsweise erklären zu können. 3.2 Feinziele FZ 1: Die Schüler sollen die dem Gleichstrommotor zugrunde liegende physikalische Erscheinung erkennen, nennen und erläutern können („Kraft auf stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld“) FZ 2: Die Schüler sollen erkennen, dass auf die Leiterschleife des Ankers im Magnetfeld die Lorentzkraft wirkt. FZ 3: Die Schüler sollen den Aufbau eines Gleichstrommotors beschreiben können („Was wird dafür benötigt?“, „Wie ist der schematische Aufbau eines E-­‐Motors“) FZ 4: Die Schüler sollen die wichtigsten Bestandteile des Motors beschreiben können. (Kommutator, Rotor, Feldmagnet, Kohlebürsten) FZ 5: Die Schüler sollen die Wirkungsweise des Kommutators erklären können („Polwender“). FZ 6: Die Schüler sollen wissen und begründen können, dass sich eine Spule aufgrund der Mehrfachwicklung des Drahtes besser zur technischen Umsetzung eines E-­‐Motors eignet, als eine einzelne Leiterschleife. FZ 7: Die Schüler sollen wissen und begründen können, weshalb drei-­‐ bzw. mehrfachgeteilte Anker technisch besser für den runden Lauf eines Motors geeignet sind, als einfach geteilte Anker. 4. Bezug zu einem übergeordneten Unterrichtsthema Der Lehrplan der 9. Klasse G8 umfasst das Thema Elektrik wie folgt: Ph 9.1 Elektrik (ca. 18 Std.) Der Feldbegriff eröffnet den Schülern eine Möglichkeit, Kraftwirkungen im Raum zu beschreiben. Bei der Einführung der Feldlinien lernen sie eine weitere Art der Modellbildung kennen. Die Jugendlichen verstehen die Funktionsprinzipien technischer Geräte, die auf der Kraftwirkung auf geladene Teilchen in elektrischen und magnetischen Feldern beruhen. Mit der Induktion erschließt sich ihnen ein physikalisches Phänomen, das beim Generator zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt wird. •
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magnetisches und elektrisches Feld o Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld o Elektromotor o Kräfte auf freie Ladungen im elektrischen und magnetischen Feld, Lorentzkraft Induktion o Erzeugen von Induktionsspannungen o Generator und Transformator o Lenz'sche Regel Das Demoexperiment „Elektromotor“ -­‐ Neupert 11. Januar 2010 Quelle: http://www.isb-­‐gym8-­‐lehrplan.de/contentserv/3.1.neu/g8.de/index.php?StoryID=26438 (07.01.2010, 9.40 Uhr) In Hinblick auf ein übergeordnetes Unterrichtsthema, wiederholt man bei der Stunde zum Thema Elektromotor vorangehende Themengebiete (Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter, gekreuzte elektrische und magnetische Felder). Aufgrund der umgekehrten Funktionsweise eines Gleichstromelektromotors (auf den Anker des Elektromotors wird eine Kurbel aufgesetzt und mit einem Oszilloskop wird eine induzierter Spannung sichtbar gemacht) ließe sich die Thematik des Elektromotors mit dem Generator gut kombinieren. 5. Modifikation des Demoexperimentes als Gruppenexperiment Bei ausreichendem Material kann der Versuch auch gut in Schülergruppen durchgeführt werden. Hierfür eignen sich billigere Bausätze (z.B. http://www.eschke.com) bzw. Schülerübungskästen. 6. Unterrichtsverfahren für diesen Typ muss die Liste der Lernziele oben
modifiziert werden, so dass klar wird, wie die
Nacherfindung schrittweise abläuft.
Es handelt sich hierbei um nacherfindenden Unterricht nach Weltner 6.1 Sozialform Unterrichtsgespräch, Lehrer stellt Experiment vor und Beobachtungen/Erklärungen werden gemeinsam erarbeitet. 6.2 Lehrform Impulsgebend, fragend-­‐entwickelnd 6.3 Lernform teils selbstendeckend, aufnehmend 7. Lernzielkontrolle Für die Lernzielsicherung eignen sich gezielte Fragen an die Schüler: „Für was verwendet man mehrfach geteilte Anker?“ „Welche Funktion hat der Kommutator?“ Zu Beginn der nachfolgenden Stunde können nochmals diese Fragen über die Funktionsweise und die Bauteile des behandelten Gleichstrommotors gestellt werden. Das Demoexperiment „Elektromotor“ -­‐ Neupert 11. Januar 2010 die Form der Pole in der Abb. wurde nicht erarbeitet,
daher passt die Abb. so nicht oder es muss die Form
begründet werden.
8. Lernzielsicherung Der Elektromotor Der Gleichstromelektromotor dient zur Umwandlung von elektrischer Energie in Bewegungsenergie (Rotationsenergie). Die hervorgerufene Drehbewegung kann zum Antrieb von Geräten und Anlagen verwendet werden. Die wesentlichen Bestandteile des Motors sind ein feststehender Feldmagnet (Stator), ein drehbar gelagerter Anker (Rotor), der Kommutator (Polwender) und die Kohlebürsten, über die die Stromzufuhr erfolgt. Der einfachste Elektromotor besteht aus einer drehbar gelagerten Leiterschleife. Abbildung 2: Wirkungsweise Gleichstrommotor (Physik 9, Duden Paetec Schulbuchverlag, S.19) Das Magnetfeld besteht zwischen den beiden Polen des Feldmagneten. Fließt ein Strom durch die Leiterschleife, so wirken auf die beiden Drahtstücke senkrecht zum Magnetfeld Kräfte (UVW-­‐Regel). Dieses Kräftepaar bewirkt eine Drehbewegung der Leiterschleife. Bei senkrechter Stellung der Leiterschleife ist die Gesamtkraft null (Totpunkt). Aufgrund der Trägheit bewegt sich die Leiterschleife über diesen Totpunkt weiter. Der Kommutator sorgt dafür, dass der Strom in der Leiterschleife nach diesem Punkt seine Richtung ändert. Er fließt so, dass die Kräfte auf die Leiterschleife in die gleiche Richtung wirken und somit die Drehbewegung in der gleichen Richtung fortgesetzt wird. Dieser Vorgang wiederholt sich ständig. Abbildung 3: Wirkungsweise Gleichstrommotor (Physik 9, Duden Paetec Schulbuchverlag, S.19) 9. Prä-­ und Misskonzepte 9.1 Präkonzepte Mögliches Präkonzept wäre z.B.: Für den Betrieb eines Elektromotors ist kein magnetisches Feld notwendig. Das Demoexperiment „Elektromotor“ -­‐ Neupert 11. Januar 2010 9.2 Misskonzepte Mögliche Misskonzepte sind beim Verständnis des Kommutators gegeben: -­‐
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Warum muss nach jeder halben Drehung (einfach geteilter Anker) umgepolt werden? Die Anzahl der Wicklungen ist maßgeblich ausschlaggebend für das runde Laufen des Motors (nicht die Teilung des Ankers)