Energietransport mit Hilfe von Stromkreisen

Seminar/Übung
Fachdidaktik II
Prüfung H06
Thema Nr.2
Johannes Spörl
Datum: 30.05.2008
Energietransport mit Hilfe von
Stromkreisen
1
Thema Nr.2
Energietransport mit Hilfe von Stromkreisen
1. Schülervorstellungen zum Stromkreis
Beschreiben Sie zwei weit verbreitete Fehlvorstellungen von Schülern zum elektrischen
Stromkreis.
Zeigen Sie, wie man experimentell diesen Fehlvorstellungen begegnen und ein fachlich
korrektes Konzept entwickeln kann.
2. Skizzieren Sie einen Analogieversuch, der den Aufbau der physikalischen Vorstellung,
dass im elektrischen Stromkreis ein Energietransport von der Quelle zum Elektrogerät
stattfindet, unterstützt!
Erstellen Sie eine Tafelskizze zur Darstellung dieser Modellvorstellung!
3. Skizzieren Sie eine Unterrichtseinheit zum Thema „Verlustarme Übertragung elektrischer
Energie über weite Strecken“!
Nennen Sie erforderliche Lernvoraussetzungen, formulieren Sie geeignete Lernziele und
beschreiben Sie die eingesetzten Medien, insbesondere die geplanten Experimente!
2
1. Schülervorstellungen
1.1. „Stromverbrauch“
Schüler sehen elektrischen Strom als eine Substanz an, die mengenartigen Charakter besitzt,
die dann im Verbraucher „verbraucht“ wird. Sie denken, der elektrische Strom sei in der
Quelle gespeichert (z.B. in einer Batterie) und werde bei Bedarf an ein Gerät abgegeben und
dort in Wärme oder Arbeit umgesetzt.
Gründe für das Zustandekommen dieser Fehlvorstellung:
Den Schülern ist zu einen aus dem Alltag die Notwendigkeit des geschlossenen
Stromkreislaufes nicht bewusst. Um ein elektrisches Gerät zu betreiben muss nach ihren
Erfahrungen nur ein Kabel in die Steckdose gesteckt werden, die Stromleitung führt nur zum
Gerät und keine Leitung mehr weg. Zum anderen wird in der Alltagssprache oft auf
fälschliche Weise vom „Stromverbrauch“ gesprochen.
Experimentelle Behebung der Fehlvorstellung:
Nach dem Schülermodell des „Stromverbrauches“ müsste die Stromstärke hinter einem
Widerstand (z.B. einer Glühbirne) absinken, da der Strom „verbraucht“ wird. Mit einem
Strommesser kann die konstante Stromstärke vor und hinter einer Lampe im Unterricht
gezeigt werden. Das Ergebnis des Experimentes führt zu einem Widerspruch mit dem
Schülermodell und zeigt, dass der Strom, der in den Leitungen fließt, nicht verbraucht wird.
Außerdem kann den Schülern der Aufbau einer Stromleitung gezeigt werden (Erde, Masse,
Nullleiter, deren Farbkennungen).
1.2. „Schnelle Elektronen“
Schüler glauben, Elektronen bewegen sich im Leiter mit Lichtgeschwindigkeit bzw.
„unendlich schnell“.
Gründe für das Zustandekommen dieser Fehlvorstellung:
Die Schüler wissen aus dem alltäglichen Leben, ein elektrisches Gerät fängt sofort (oder nach
sehr kurzer Zeit) zu arbeiten an, wenn es angeschaltet wird. Wird z.B. eine Glühlampe an den
Stromkreis angeschlossen, leuchtet sie unmittelbar danach. So sie schon wissen, dass sich
Elektronen bei Stromfluss im Leiter bewegen, schließen sie daraus, dass sich Elektronen mit
sehr großer Geschwindigkeit im Leiter bewegen.
Experimentelle Behebung der Fehlvorstellung:
Nach der Schülervorstellung der sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegenden Elektronen,
dürften diese in der Stromleitung nicht abgebremst werden, um diese Geschwindigkeit zu
halten. Anhand einer Glühbirne, die den größten Widerstand eines Stromkreises darstellt und
deren Draht deswegen nach Schließen des Stromkreises zum Leuchten gebracht wird, sowie
der dabei entstehenden, fühlbaren Wärme, wird gezeigt, dass die Elektronen „aufgehalten“
werden, indem sie durch Zusammenstöße mit den Gitteratomen das Gitter des Leiters zum
Schwingen anregen, wodurch der Draht immer heißer wird und letztendlich glüht. In diesem
Zusammenhang kann den Schülern der Unterschied zwischen der Geschwindigkeit eines
Elektrones (die z.B. in Kupfer bei 100V angelegter Spannung etwa 0,43m/s beträgt) und der
Geschwindigkeit des Stromes durch Impulsfortpflanzung (Driftgeschwindigkeit des
Elektronengases von etwa 100.000m/s) beigebracht werden. Außerdem kann erwähnt werden,
dass Elektronen auch dann Geschwindigkeit besitzen, wenn keine Spannung anliegt, die
Nettodrift dabei aber null beträgt, da sich die Elektronen ungeordnet in alle Richtungen
bewegen.
3
2. Analogieversuch
Unter einer Analogie wird eine „Entsprechung“, eine „Gleichheit von Verhältnissen“
verstanden. In der Schule können Analogien als Lernhilfen eingesetzt werden, mit denen ein
neues Lerngebiet für den Schüler leichter verständlich wird, indem ein „Umweg“
eingeschlagen wird. Im analogen Gebiet müssen dabei entsprechende Gegenstände, Abläufe
und Gesetze wie im eigentlichen Lerngebiet vorliegen, damit die Inhalte des primären
Bereiches dem Schüler hinreichend bekannt und vertraut werden. Eine Analogie kann auch
eine Form der Elementarisierung, d.h. der erlaubten Vereinfachung, sein.
Analogieversuch zum elektrischen Stromkreis:
Das Modell des Wasserkreislaufes als Analogie für den Stromkreislauf bietet einen
weitgehend zutreffenden Analogieversuch, um den Energietransport von der Quelle des
Stromkreises zum Elektrogerät zu veranschaulichen. Eine Wasserpumpe wird über Schläuche
mit einem Wasserrad verbunden. Durch die von der Pumpe erzeugte Druckdifferenz wird das
Wasser in den Schläuchen angetrieben und der Wasserwiderstand versetzt das Wasserrad in
Bewegung. Für die Schüler sollte der Vergleich des fließenden elektrischen Stromes in den
Leitungen zum in den Wasserschläuchen fließenden Wasser und dessen Wasserstromstärke
genau dargestellt werden. Dies geschieht, indem zu Beginn die entsprechenden Objekte des
analogen und primären Lerngebietes miteinander in Beziehung gesetzt und verglichen werden
(Wasserschlauch  Leitungen; Pumpe  Batterie; Wasserhahn  Schalter; Wasserrad 
Glühbirne/Verbraucher). Die Entsprechungen werden anschließend auch bei den
physikalischen Größen fortgeführt (Unterschied des Wasserdrucks Δp  Spannung U;
Wasserstromstärke J  Elektrische Stromstärke I). Auch beim Experiment werden die
Begriffe verglichen (Je größer die von der Pumpe erzeugte Druckdifferenz, desto größer die
Wasserstromstärke  Je größer die von der Batterie erzeugte elektrische Spannung, desto
größer die elektrische Stromstärke; Das Wasserrad verbraucht kein Wasser, sondern entnimmt
dem Kreislauf Energie und senkt somit die Druckdifferenz lokal  Die Lampe verbraucht
keinen Strom, sondern entnimmt dem Stromkreis Energie und sorgt für einen
Spannungsabfall am Verbraucher). Anhand einer Tafelskizze wird die Analogie beider
Stromkreise noch einmal gegenübergestellt:
Tafelskizze [MAI]:
a Batterie (+/-) / A Pumpe (Druck/Sog)
b Leitung / B Wasserrohr
c Glühbirne / C Wasserrad
d Schalter / D Ventil
4
3. Unterrichtseinheit
3.1. Lernvoraussetzungen
LV1: Kenntnis der physikalischen Definition von elektrischem Widerstand und elektrischer
Leistung
LV2: Prinzip (Aufbau, Funktion) des Transformators
LV3: Die Spannungsübersetzung beim unbelasteten Transformator
3.2. Lernziele
GZ: Die Schüler sollen erkennen, dass nur bei Hochspannung eine relativ verlustarme
Energieübertragung über weite Strecken möglich ist
FZ1: Die Schüler sollen Größenordnungen von Spannungs- und Widerstandswerten in
Hochspannungs- und Überlandleitungen kennen lernen
FZ2: Die Schüler sollen den Demonstrationsversuch zur verlustarmen Energieübertragung
kennen lernen, sowie qualitativ und rechnerisch nachvollziehen können
FZ3: Die Schüler sollen verstehen, dass die Leistungsverluste über weite Strecken von der
Stromstärke abhängig sind
FZ4: Die Schüler sollen die erweiterten technologischen Möglichkeiten, aber auch die
Gefahren erkennen, die durch die Nutzung von Hochspannung und Wechselstrom über weite
Strecken entstehen
3.3. Medien/Experimente
M1: Film aus dem Jahr 2004: „Mission X: Der Stromkrieg“ (ZDF)
M2: Experiment zur Demonstration der wesentlich geringeren Leistungsverluste durch
Hochspannung (notwendiges Material: zwei Transformatoren mit Übersetzungsverhältnissen
1:20 und 20:1; zwei Widerstände z.B. je 500Ω; eine Glühbirne 3,5V/0,20W; mehrere
Verbindungsleitungen)
M3: Internetseite des ZDF (www.zdf.de/ZDFde/inhalt/1/0,1872,2151297,00.html?dr=1):
Stromkrieg zwischen Thomas Alva Edison (1847-1931) und George Westinghouse (18461914) bzw. Nicola Tesla (1856-1943) mit interaktiven Versuchen zum Vergleich
Gleichstrom/Wechselstrom
3.4. Unterrichtseinheit
Beschreibung des Experimentes
Mittels eines Demonstrationsversuches soll den Schülern die Notwendigkeit des Einsatzes
von Hochspannung zur Spannungsübertragung über weite Strecken bewusst werden. Der
Versuch wird zur Sicherheit (Hochspannung!) nur vom Lehrer durchgeführt. Zunächst soll
eine Lampe mit den Betriebsdaten U = 3,5V und P = 0,20W über eine Fernleitung betrieben
werden. Die Fernleitung wird simuliert durch zwei große Widerstände R (je ca. 500Ω ), die in
Reihe an eine Spannungsquelle mit 3,5V Gleichspannung angeschlossen werden. Die Schüler
beobachten, dass die Lampe nicht leuchtet. Im zweiten Versuchsteil wird der analoge Aufbau
verwendet, nur wird vor die „Fernleitung“ ein Hochspannungstransformator
(Übersetzungsverhältnis
nP:nS
1:20)
und
hinter
der
Fernleitung
ein
Niederspannungstransformator (Übersetzungsverhältnis nP:nS 20:1) in die Schaltung eingebaut
sowie eine Wechselspannung von 3,5V angelegt.
5
Versuchsaufbau [PHY]:
Oben ohne, unten mit Transformatoren
Schaltungen [GKL]:
Links ohne Transformation: Lampe leuchtet nicht
Rechts mit Transformation: Lampe leuchtet
Im Unterrichtsgespräch sollen nun die Beobachtungen erläutert werden. Da zu deren
Verständnis ein formelmäßiges Betrachten der physikalischen Zusammenhänge wichtig ist,
kann eine Beispielrechnung zu den Leistungsverlusten in der Fernleitung zusammen mit den
Schülern durchgeführt werden. Es werden die Abhängigkeit der Leistungsverluste PV von der
Stromstärke I (PV = U*I = R*I2) und damit die Notwendigkeit für das Prinzip, den Strom über
weite Strecken auf hohe Spannungen zu transformieren, verdeutlicht.
Artikulationsschema nach Mothes
Artikulationsstufe
Unterrichtsverlauf
(Lehrer-/
Schülerverhalten)
Lehr-/Lernform,
Sozialform
Lernziel, Medien
Motivation
L zeigt Film über den
Stromkrieg
Frontalunterricht
M1
darbietend
S schauen Film,
machen sich Gedanken
Problemfrage
L: Warum ist es
notwendig
Unterrichtsgespräch
6
Hochspannung zur
Spannungsübertragung fragend, anreizend
über weite Strecken zu
verwenden?
Meinungsbildung
S diskutieren über die
Antwort
Unterrichtsgespräch
fragend, erörternd
S geben Hypothesen:
- Leistungsverlust
- Widerstände
- Wärmefreisetzung
- Anwendung von
Transformatoren
Versuchsplanung
L: Kann der
Sachverhalt überprüft
werden?
Unterrichtsgespräch
fragend, entwickelnd
S: Nachstellen des
Aufbaues in einem
Versuch, Vergleich
von Schaltung mit und
ohne Transformatoren
Versuchsdurchführung L baut den Versuch
auf und führt in aus
Sicherheitsgründen
selbst durch
Lehrerversuch
M2
darbietend
S beobachten den
Aufbau und halten
Sicherheitsabstand
Gesetz
L fragt, was
beobachtet wurde
Unterrichtsgespräch
S stellen fest, dass nur
bei Verwendung eines
Transformators die
Lampe leuchtet
L fragt S, wie sich
Strom und Spannung
beim Transformieren
verhalten
FZ1
S nennen
Zusammenhänge
7
(Spannung steigt,
Strom sinkt)
FZ2
L fragt nach
möglichen
Zusammenhängen
zwischen Strom und
Spannung
FZ3
S nennen Ohm`sches
Gesetz (U=R*I)und
Leistung (PV=U*I)
L verweist auf
Elemenierung der
Spannung U
S erkennen
Zusammenhang
(PV=R*I²)
Rückkehr zur
Erlebniswirklichkeit
L fragt, ob jemand
Unterrichtsgespräch
erklären kann, warum
Hochspannungsleitung fragend, erläuternd
einen relativ kleinen
Durchmesser haben
S erklärt, dass
aufgrund der
Hochspannung keine
dickeren Kabel
notwendig sind
Ergänzung des Stoffes L geht auf Gefahren
Unterrichtsgespräch
des el. Stromes bzw.
der Hochspannung ein erläuternd
S suchen am Rechner Gruppenarbeit
die Internetseite auf
und vertiefen den Stoff ergänzend
FZ4
M3
4. Quellen
[GKL] Geipel-Kreisel-Leopold – PHSYIK 10, S.70
[MAI] www.numerik.mathematik.uni-mainz.de, 20.05.2008
[PHY] PHYWE – Physik in Demonstrationsversuchen A/B, Elektrizität 2, Versuch E 7.4.8.
8