Magnetismus, Elektrizität und Elektromagnetismus

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Inhaltsverzeichnis

CD-Zusatz

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Vorwort

Editierbare Anleitungen / Vorlagen:

Gefährdungsbeurteilung, Protokoll-Vorlage, Multimeter, Excel-Baukästen,

Aufgaben zum Weiterdenken 6

1. Einfache Stromkreise (Kl. 5 – 7)

6 Didaktisch-methodische Hinweise Editierbare Gefährdungsbeurteilungen

6 Themeneinstieg Excel-Baukästen

7 Versuche Hilfen

9 Highlight-Versuch Lösungen der Versuche

Editierbarer Test (mit Lösungen)

Aufgaben zum Weiterdenken (mit Lösungen)

12

2. Dauermagnete (Kl. 5 – 7)

12 Themeneinstieg Hilfen

13 ^Versuche Lösungen der Versuche

21 Highlight-Versuch Editierbarer Test (mit Lösungen)

22

3. Elektromagnetismus – Stromstärke (Kl. 7/ 8)

22 Didaktisch-methodische Hinweise Editierbare Gefährdungsbeurteilung

23 Versuche Hilfen

29

4. Gefahren des elektrischen Stroms (Kl. 7/ 8)

30 ^Versuche Lösungen der Versuche

34

5. Elektrische Ladungen (Kl. 8 / 9)

35 Versuche Hilfen

37, 42 Highlight-Versuche Lösungen der Versuche

Inhaltsverzeichnis

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4 Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis

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6. Spannung (Kl. 8)

44 ^Versuche ^Hilfen

44, 46 Highlight-Versuche Lösungen der Versuche

49

7. Widerstände und Halbleiter (Kl. 8 – 10)

Editierbare Gefährdungsbeurteilung 49 Didaktisch-methodische Hinweise Excel-Baukästen „Widerstände“

51 Versuche zum Thema „Widerstände“ Lösungen der Versuche „Widerstände“

56 Highlight-Versuch „Widerstände“ Editierbarer Test (mit Lösungen)

59 Versuche zum Thema „Halbleiter“ Informationsmaterial „Halbleiter“

61 Highlight-Versuch „Halbleiter“ Excel-Baukasten „Halbleiter“

Lösungen der Versuche „Halbleiter“

63

8. Motoren und Generatoren (Kl. 9/10)

63 Didaktisch-methodische Hinweise Editierbare Gefährdungsbeurteilung

64 Versuche Lösungen der Versuche

73

9. Induktion und Transformatoren (Kl. 9/10)

74 Versuche Hilfen

Anhang

Bildungsstandards

Sicherheitsbestimmungen Quellenverzeichnis

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Dietrich Hinkeldey: Physik kontextorientiert Gymnasium: Magnetismus, Elektrizität und Elektromagnetismus © Auer Verlag

Vorwort

Ein neues Arbeitsbuch zu den Themen Magnetismus, Elektrizität und Elektromagnetismus – sind da nicht schon genug auf dem Markt? Das vorliegende Buch bietet Ihnen die Möglichkeit, all diese Themengebiete mit Schülerversuchen in Partner- oder Kleingruppenarbeit zu erarbeiten. Nur an den Stellen, bei denen es sicherheitstechnisch nicht möglich ist, wurde auf Lehrer-Demonstrationsversu- che zurückgegriffen.

Denn in der heutigen Zeit lassen sich jede Menge Animationen zu physikalischen Versuchen im Inter- net fi nden, die man den Jugendlichen präsentieren könnte. Das sieht alles perfekt aus und ist leicht zu handhaben. Aber es bleibt eine „second-life-Erfahrung“. Die Schüler begreifen die Zusammenhän- ge nicht unmittelbar. Sie werden dabei nicht selbst tätig und erfahren die Naturgesetze nicht durch selbst durchgeführte Versuche.

Schülerversuche erfordern gewiss etwas mehr Zeit als eine gleichartige Lehrerdemonstration. Aber der Erkenntnisgewinn ist umso nachhaltiger.

Das vorliegende Buch mit CD-ROM bietet daher Ihnen als Lehrkraft und Ihren Schülerinnen und Schülern¹ in neun Ka piteln:

앫 den Physikstoff bis zum Mittleren Bildungsabschluss;

앫 einen Überblick zu Beginn eines jeden Kapitels zu Zeitbedarf , Klassenstufe , Ziel , beson- derem Material , Sozialformen , Präsentationsformen und Stolpersteine , ggf. Informa- tionen ;

앫 einen motivierenden Einstieg und erste Fragen zu dem jeweiligen Themenkomplex, die am Ende des Kapitels beantwortet werden können;

앫 Anleitungen zu Schülerversuchen;

앫 Lehrer-Demonstrationsversuche erscheinen nur, wenn sie aus Sicherheitsgründen notwendig sind;

앫 zu jedem Kapitel mindestens einen Highlight-Versuch ;

앫 jedes Kapitel endet mit dem Rückblick , der auf die ersten Fragen verweist;

앫 jeweils ein Test, mit dem Sie den Lernfortschritt Ihrer Schüler überprüfen können;

앫 Aufgaben zum Weiterdenken für die schnellen und guten Schüler.

Die Versuche enthalten:

앫 eine allgemeine Einordung des Versuchs zu Beginn mit einem Verweis auf die Bildungsstandards der KMK (vgl. Anhang auf CD) und dem jeweiligen Kontextbezug (mit Bild);

앫 den klassischen Aufbau eines Versuchsprotokolls (Material, Anleitungen, Beobachtungen usw.);

elektrische Leitungen bzw. das genaue Stativmaterial werden normalerweise nicht extra aufgeführt;

앫 immer wieder Excel-Baukästen für die Schaltskizzen (auf der CD);

앫 immer wieder Verweise auf Hilfestellungen (auf der CD) zur Stärkung des selbstständigen Arbeitens;

Auf der beigefügten CD fi nden Sie zu jedem Kapitel:

앫 editierbare Anleitungen und Vorlagen, u. a. Blanko-Protokoll für alle Versuche;

앫 Gefährdungsbeurteilungen, soweit nötig, in editierbarer Form;

앫 Excel-Baukästen für die Schaltskizzen, in editierbarer Form;

앫 alle Hilfen zum Ausdrucken;

앫 den Test in editierbarer Form (Aufgabenversion und Lösungen);

앫 Aufgaben zum Weiterdenken zur Differenzierung (mit Lösungen), ebenfalls mit Bezug zu den Bil- dungsstandards.

Dietrich Hinkeldey

1 Aufgrund der besseren Lesbarkeit ist in diesem Buch mit Schüler auch immer Schülerin gemeint, ebenso verhält es sich mit Lehrer und Lehrerin.

Vorwort

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6 1. Einfache Stromkreise

1. Einfache Stromkreise

Didaktisch-methodische Hinweise

8 Stunden 5 – 7

einfache Stromkreise selbst aufbauen, überprüfen und mit Schaltplänen ab- strahieren; häusliche Beleuchtungssitua- tionen mit verschiedenen Schaltern und Glühlampen nachbauen sowie eine erste Modellvorstellung von Stromfl uss ent- wickeln

verschiedene Schalter aus dem Baumarkt;

1 zerlegbares Fahrradlicht; 1 Blumentopf mit Erde; Computer mit Excel; Zusatz- material auf beiliegender CD (u. a. Excel- Baukasten, Hilfen, Lösungen und Test)

Experimentiergruppen mit 3 (max. 4) Schülern

Gruppenpräsentation von eigenen Schal- tungen

Mögliche Fehlvorstellungen der Schüler: Der Stromkreis muss trotz seiner Benennung nicht kreisrund sein. Der Stromfl uss selbst ist nicht sichtbar, nur die Wirkungen sieht man. Der „Ka- belwechsel“ bei einem Doppelschalter zählt als ein Schaltvorgang. Bei der Fahrradschaltung ist der Rückleiter am Masseanschluss angeschlossen. Der Umgang mit Excel ist den Schülern ggf.

unbekannt.

Themeneinstieg

Komplexe Schaltung in einer „Black box“:

Die Schüler sehen nur die Schalter, Glühlampen und Motoren (sich drehende Scheiben). Die dahinterliegende Schaltung ist verborgen. Sie testen, was welcher Schalter bewirkt.

Mögliche Schaltung: Schüleransicht:

Möglicher Einleitungssatz: Sicher hast du schon einmal die Begriffe „Stromkreis“ oder

„Schaltkreis“ gehört oder auch schon selbst welche hergestellt; z. B. mit einer Batterie, einem Schalter und einer Glühlampe. Aber auch wenn es „Stromkreis“ heißt, ist dieses Gebilde nicht kreisrund, wie du es aus der Geometrie kennst. Der Blutkreislauf oder der Wasserkreislauf sind das ja auch nicht.

Forscherfragen:

Aus welchen Teilen besteht ein Stromkreis? Ein Stromkreis besteht aus Spannungsquelle /Strom- quelle / Transformator / Batterie, Leitungen und elektrischen Bauteilen.

Woran kann man erkennen, dass elektrischer Strom fließt? Dass in einem Stromkreis elek trischer Strom fließt, erkennt man an seinen Wirkungen: v. a. Wärme- und Lichtwirkung, aber auch magne- tische und chemische Wirkung.

Was passiert in einem Draht, wenn durch ihn elektrischer Strom fließt? Die freien Elektronen (elektrische Ladungen) bewegen sich alle in die gleiche Richtung.

Können Elektronen in jedem Stoff fließen? Elektronen (elektrische Ladungen) können sich in Metallen und Kohle sehr gut bewegen, in anderen Stoffen schlechter, in manchen kaum.

Wie kann man einen Stromkreis zeichnen? Es gibt für jedes Bauteil ein Schaltsymbol. Die Leitun- gen werden mit zusammenhängenden waagerechten und senkrechten Strichen dargestellt. So entsteht ein Schaltplan.

M M

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1. Einfache Stromkreise 7

Versuch 1.1: Einfacher Stromkreis

Bildungsstandards: F1; E5, E7; K5

Kontextbezug: Beleuchtung von Modelleisenbahnanlagen; Puppenhaus;

Weihnachtskrippe u. ä.

Material: 1 (Flach-)Batterie 4,5 V; 1 Glühlampe 4 V; 1 zerlegbares Fahrradlicht Anleitung:

a) Haltet die Glühlampe in verschiedenen Positionen an die Anschlussklemmen der Batterie. Notiert, wann die Glühlampe leuchtet.

b) Vom Dynamo eines Fahrrads (Stromquelle) führt nur ein Kabel zum Vorderlicht und eines zum Rücklicht. Wie verläuft hier der Stromkreis? Zerlegt vorsichtig das Fahrradlicht, untersucht ein Fahr- rad und notiert eure Beobachtungen (mit einer Schaltskizze).

Beobachtung: Notiert eure Beobachtungen in der Protokoll-Vorlage.

a) Nutzt diese Satzanfänge:

Die Glühlampe leuchtet, wenn …

Verbindet man die Pole einer Batterie mit einem Kabel direkt, also ohne Lampe (oder einem anderen „Verbraucher“), ist dies ein …

b) Übernehmt diesen Versuchsaufbau:

s. Hilfe 1.1 a

s. Hilfe 1.1 b

Information: Elektrische Schaltungen werden vereinfacht mit Schaltsymbolen dargestellt, wobei man alle Leitungen nur waagerecht oder senkrecht zeichnet und für die verschiedenen elektrischen Teile unterschiedliche Symbole verwendet.

Schalter Leitungs-T Leitungskreuz

Glühlampe

allgemeiner Anschluss Batterie

Eine Batterie hat einen Pluspol und einen Minuspol. In dem Schaltzeichen ist der Pluspol der längere Strich.

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8 1. Einfache Stromkreise

Versuch 1.2: Welche Stoffe leiten elektrischen Strom?

Kontextbezug: Isolierung von stromführenden Leitungen

Material: 1 (Flach-)Batterie 4,5 V; 1 Glühlampe mit Fassung;

2 Krokodilklemmen; verschiedene Gegenstände (1 beidseitig gespitzter Bleistift, 1 Kohlestab,

1 Blumentopf mit Erde, 1 Becherglas mit Wasser, Salz, 1 Löffel) Anleitung:

a)Baut einen einfachen Stromkreis mit einer Batterie, einer Glühlampe und dem zu untersuchenden Gegenstand auf.

b)Klemmt nun weitere Stoffe zwischen die beiden Krokodil- klemmen und prüft anhand der Glüh lampe, ob elektrischer Strom fl ießt. Mögliche Stoffe: Kunststoff, Glas, verschiedene Metalle, Bleistiftmine, Kohlestab, nasse Erde, Wasser, Salzkristall, Salzwasser, usw.

Beobachtung: Notiert eure Beobachtungen in der Protokoll-Vorlage. Übertragt diese Tabelle:

elektrischer Leiter schlechter Leiter Nichtleiter

Zusammenfassung:

Gute elektrische Leiter sind: .

Gute Isolatoren (elektrische Nichtleiter) sind: .

Modellvorstellung: Ein elektrischer Leiter besteht aus Atomen mit freien, beweglichen elek- trischen Ladungen (Elektronen). Wird eine Stromquelle angeschlossen, bewegen sich die freien Elektronen in eine Richtung. Das nennt man Stromfl uss.

Ein Nichtleiter (Isolator) besteht zwar auch aus Atomen mit Elektronen, diese sind aber nicht frei sondern fest an das Atom gebunden. Deshalb ist hier kein Stromfl uss möglich.

Wenn sich Salz in Wasser löst, spaltet es sich in Moleküle, die zu viele oder zu wenig Elektro- nen haben. Das sind Ionen. Sie sind elektrisch geladen und können sich frei bewegen. Ionen sind die Ladungsträger in Salzwasser. Ein trockener Salzkristall leitet elektrischen Strom nicht.

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1. Einfache Stromkreise 9

Versuch 1.3: Demo: Luft und Glas leiten doch!

Bildungsstandards: F1, F4; E1; K4, K5

Kontextbezug: Gewitter; Hochspannungsleitungen

Material: 1 Personenschutzschalter; 1 Transformator mit 600 Wdg.

und 12 000 Wdg.; 2 Isolierstützen; 2 Blitzbügel; 1 Warnschild

„Achtung Hochspannung!“; 1 Feuerzeug; 1 Spannungsquelle 230 V~; 1 Glühlampe 230 V / 100 W; 2 Nägel; 1 Glasröhrchen;

1 Bunsenbrenner; 1 Schalter; 1 feuerfeste Unterlage Anleitung:

a) Lehrerversuch: Raum abdunkeln und Versuch wie abgebildet aufbauen. Warnschild aufstellen.

Blitzbügel auf Isolierstützen montieren und in ca. 1 cm Abstand anordnen. Den Transformator einschalten und vorsichtig die Blitzbügel so lange einander nähern, bis ein Funke entsteht, der nach oben klettert und dort abreißt. Hält man nun die Flamme eines Feuerzeuges unter die Blitzbügel zündet der Funke erneut.

220 V ~

600 12 000

b) Lehrerversuch: Raum abdunkeln und Versuch wie abgebildet aufbauen. Man schiebt das Glas- röhrchen über die beiden Nägel, die von den Isolierstützen gehalten werden. Die Nägel sollten im Glasröhrchen einen Abstand von ca. 0,5 cm zueinander haben, sich also nicht berühren. Die feuerfeste Unterlage unter das Glasröhrchen legen für den Fall, dass Glas abtropfen sollte. Nach dem Einschalten wird das Glasröhrchen in der Mitte langsam erhitzt bis es rot glüht. Wenn die Glühlam- pe aufl euchtet, entfernt man den Bunsenbrenner.

220 V ~

220 V/ 100 W

Beobachtung: Beschreibe in der Protokollvorlage, wie die Versuche durchgeführt wurden und notie- re, was du beobachtet hast. Vergleiche deine Aufzeichnungen mit deinem Nachbarn und ergänze, wenn nötig, deine Notizen.

Notiere auch die Zusammenfassung in der Protokoll-Vorlage. Nutze diesen Satzanfang:

Unter extremen Bedingungen werden auch Isolatoren …

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28 3. Elektromagnetismus – Stromstärke

Versuch 3.8: Projekt: Bau eines Wassermodells des Stromkreises

Kontextbezug: anschauliche Erklärungen von Phänomenen in Reihen- und Parallelschaltungen

Information: Da man die Vorgänge im elektrischen Stromkreis nicht direkt beobachten kann, werden hier die Vorgänge im Stromkreis mit einem Wasserstromkreis verglichen. Der Wasserstromkreis ist also ein Modell für den elektrischen Stromkreis.

Die beiden Glasröhrchen mit den Engstellen stellen die Glühlampen dar, die ja auch einen ganz dünnen Glühdraht enthalten.

Material: 1 Holzbrett als Montageunterlage; durchsichtige PVC-Schläuche; 2 T-Schlauch- verbinder; 2 Zylinder mit unterem Einlauf; 1 Wasserpumpe; 2 Glasröhrchen mit Engstellen; Kabelschellen zum Befestigen der Schläuche; 4 Durchfl ussmesser Anleitung:

a) Baut zuerst mit dem Material den Stromkreis aus Versuch 3.7 (Teil 2) nach.

b) Baut anschließend die vier Durchflussmessgeräte ein und ergänzt damit die Skizze von Schritt a).

c) Befüllt nun die Anlage mit (gefärbten) Wasser.

d) Beschreibt, was ihr an den vier Durchflussmessern beobachtet.

Beobachtung: Notiert eure Beobachtungen in der Protokoll-Vorlage.

Zusammenfassung:

a) Beschreibt, welche Bauteile aus dem elektrischen Stromkreis und dem Wasserstromkreis einan- der entsprechen: Leitungen; Transformator; Glühlampe; Stromstärkemesser.

b) Gebt an, wie man im Wassermodell die Größe der „Stromstärke“ angeben würde.

c) Begründet, warum die Stromstärke nicht weniger werden kann, wenn das Wasser durch die Engstelle durchgeflossen ist.

Rückblick: Beantwortet die Forscherfragen vom Beginn der Einheit.

Erstellung einer Lernkartei

Schreibt das Wichtige von dieser Unterrichtseinheit auf verschiedene Karten einer Lernkartei zusammen. Verwendet dazu Kärtchen im Format DIN A7 (halbe Postkarte). Auf die Vorderseite schreibt ihr eine Frage, auf die Rückseite die richtige Antwort dazu. Wenn jeder seine Karten mit den wichtigen Fragen geschrieben hat, tauscht diese untereinander aus und prüft, ob ihr die Fragen der anderen auch beantworten könnt.

Beispiel:

In welcher Einheit misst man die elektrische Stromstärke?

Die elektrische Strom- stärke wird in Ampere angegeben.

(Vorderseite) (Rückseite)

s. Hilfe 3.8 a)

b)

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4. Gefahren des elektrischen Stroms 29

Mann stürzt nach Stromschlag vom Zugdach

Osnabrück (dpa/lni) – Nach einem Stromschlag aus einer 15 000-Volt- Leitung ist ein Mann in Osnabrück von einem Güterzug gestürzt und schwer verletzt worden. Der 24-Jährige war aus ungeklärten Gründen in der Nacht zum Samstag auf einen abgestellten Güterzug im Hauptbahnhof gestiegen.

Dabei kam er der Oberleitung nach Po- lizeiangaben so nahe, dass es zu einem Stromüberschlag kam. Der Schwerst- verletzte stürzte ins Gleisbett und wurde danach in eine Spezialklinik nach Hannover gefl ogen. Durch die knapp einstündige Sperrung verspäteten sich sechs Züge.

4. Gefahren des elektrischen Stroms

Didaktisch-methodische Hinweise

8 Stunden 7/ 8

Gefahren im Umgang mit elektrischem Strom kennen und benennen, sowie sich angemessen verhalten; die Hauselektrik in groben Zügen kennen

1 LED (2 mA / 1,7 V); 1 Stück frisches Fleisch;

1 Gewürzgurke; 1 dünner Alumi niumstreifen (Lametta); 1 feuerfeste Unterlage; 1 Schutz- kontaktsteckdose; 1 Schutzkontaktstecker;

1 Lampenfassung; 1 Kabelschalter; 3 dreiadrige Kabel; 1 geöffneter Sicherungsauto- mat; ggf. Computer mit Internet; Zusatz- material auf beiliegender CD (u. a. Hilfen, Lösungen und Test)

Experimentiergruppen mit 3 (max. 4) Schülern; Rechercheaufgaben (Versuche 4.4 / 4.6) in Part nerarbeit

Plakat gestalten: „Verhalten im Umgang mit elektrischem Strom“

Die Faszination von Versuchen mit 220 V darf nicht zum Nachahmen führen. Ebenso muss der, durch den Unterricht angeregte, Drang nun verschiedenste Geräte und Installationsteile aufzu- schrauben, in sichere Bahnen gelenkt werden.

Themeneinstieg

Zeitungsartikel:

Forscherfragen:

1. Was passiert im Menschen, wenn er mit Strom in Berührung kommt? Die Körperzellen leiten den elektrischen Strom. Sie werden erhitzt, kochen und zerplatzen. Es entstehen Giftstoffe, das Blut verklumpt und die Muskeln werden gelähmt.

2. Ab wann wird elektrischer Strom gefährlich? Unter 25 V ist elektrischer Strom nicht lebensge- fährlich, es sind aber lokale Verbrennungen bei großer Stromstärke möglich.

3. Wie funktionieren Sicherungen und was sollte man selbst beachten? Ist die Stromstärke im Stromkreis zu groß, schmilzt ein dünner Draht (Fein- und Schmelzsicherung) oder ein Elektro- magnet öffnet den Stromkreis. Man sollte nur geprüfte Geräte und Leitungen verwenden und nicht selbst an der Stromanlage hantieren!

4. Was ist ein Schutzleiter? Es ist ein zusätzlicher Leiter, mit dem die Gehäuse von Geräten geer- det werden.

5. Wie entstehen Kabelbrände? Durch schadhafte Isolierung oder durch überlastete Leitungen können diese schmoren und dann auch brennen.

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30 4. Gefahren des elektrischen Stroms

Versuch 4.1: Der Mensch als elektrischer Leiter

Kontextbezug: Elektrotherapie; Reizströme (Schmerzlinderung, Herzschritt- macher); Stromschlag

Material: 1 Batterie (9 V); 1 empfi ndliche LED (2 mA, 1,7 V);

2 Krokodilklemmen; 1 empfi ndliches Stromstärkemessgerät Anleitung:

a) Baut eine Reihenschaltung mit Batterie und LED auf, die an einer Stelle unterbrochen ist. Schließt nun den Stromkreis, indem ihr die beiden Leitungsenden mit je einem Finger einer Hand schließt.

b) Ersetzt die LED durch das empfi ndliche Stromstärkemessgerät.

Notiert eure Beobachtungen in der Protokoll-Vorlage.

c) Befeuchtet die Fingerkuppen und wiederholt den Versuch.

Versuch 4.2: Demo: Fleisch unter Steckdosenstrom

Bildungsstandards: F1, F4; E1; K5; B3

Kontextbezug: Stromunfälle (z. B. „(S-)Bahn-Surfen“ / „Zugklettern“) (Beispiel: https://www.

focus.de/regional/berlin/tragisches-unglueck-in-fuerstenwalde-maedchen- stirbt-nach-toedlichem-stromschlag-aus-einer-oberleitung_id_5297983.html (18.02.2016))

Material: 1 Transformator (230 V ~ / 20 V =); 1 Stück frisches Fleisch; 1 Steckdose mit Schal- ter; 1 Glühlampe; 2 Isolierstützen; 2 Metallstifte; 1 Gewürzgurke; ggf. Computer mit Internet

Anleitung:

a) Lehrerversuch: Eine Reihenschaltung aus Transformator (230 V ~), Schalter, Lampe und Isolierstützen wird aufgebaut. Das Stück Fleisch wird auf die beiden Metallstifte gespießt, ohne dass diese sich berühren. Dann wird der Schalter geschlossen. Das Ergebnis kann fotografiert werden.

b) Lehrerversuch: Nun wird das Stück Fleisch durch eine Gewürzgur- ke ersetzt. Diesmal liefert der Transformator Gleichspannung (0 – 20 V). Die Spannung wird langsam erhöht. Das Ergebnis kann fotografiert werden.

Information:

Dieser Versuch zeigt, was passiert, wenn wir einen Stromschlag bekommen würden.

Haut (besonders verschwitzte) und Blut sind gute elektrische Leiter. Fließt elektrischer Strom durch organisches Material, wird dieses heiß. Die Zellen kochen und zerplatzen, das Blut verklumpt, Giftstoffe entstehen im Gewebe und Muskeln verkrampfen. Dies ist lebensbedrohlich! Nur bis 25 Volt ist der Kontakt mit elektrischem Strom ungefährlich!

Nur bis 25 Volt (Effektiv-)Wechselspannung oder 60 V Gleichspannung ist der Kontakt mit elektrischem Strom ungefährlich. Eine Stromstärke von 30 mA darf dabei nicht überschritten werden.

Reaktion des Menschen auf verschiedene Stromstärken:

ab 1 mA Reizschwelle, an den Kontaktstellen leichtes Prickeln ab 3 mA Prickeln weitet sich in benachbarte Gelenke aus

ab 8 mA Muskelkontraktionen, Loslassen nur noch schwer möglich ab 15 mA Muskelkrampf, Muskellähmung, Loslassen geht nicht mehr ab 30 mA Gefahrenschwelle

ab 50 mA Todesschwelle, Herzfl immern

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Versuch 4.3: Sicherungen schützen

Bildungsstandards: F1, F3; E7, E8; K5

Kontextbezug: Sicherungskasten; Gerätesicherungen Material: 1 Transformator; 2 Isolierstützen;

1 kleine Glühlampe mit Fassung;

1 Aluminiumstreifen (Breite 2 mm, Länge 20 cm, Lametta); 1 breiter Schrauben- dreher; Kupferdraht (Durchmesser 0,2 mm, Länge 20 cm); 1 Stromstärkemess- gerät oder Multimeter; 1 gefaltetes Papierstück; 1 feuerfeste Unterlage

Anleitung:

a) Baut eine Reihenschaltung aus dem Transformator, der Glühlampe und einem Alumi- niumstreifen, der zwischen die Isolierstützen gespannt wird. Schließt zusätzlich zwei Leitungen vor und hinter der Glühlampe an und legt sie einander so gegenüber, dass

sie sich nicht berühren. Bringt nun die Glühlampe zum Leuchten. Schließt dann die Glühlampe kurz, indem ihr die beiden Kontakte mit dem Schraubendreher verbindet. Fertigt die Schaltskizze an.

b) Ersetzt den Aluminiumstreifen durch den dünnen Kupferdraht, auf den ihr das gefaltete Papier- stück legt. Legt unter das Papier die feuerfeste Unterlage. Schaltet zusätzlich ein Stromstärkemess- gerät in Reihe. Bringt nun wieder die Glühlampe zum Leuchten. Schließt die Glühlampe wieder kurz, indem ihr die beiden Kontakte verbindet.

s. Hilfe 4.3 Aufgaben:

Notiert jeweils fünf Situationen, …

a) … in denen der Umgang mit elektrischem Strom lebensgefährlich ist.

b) … in denen der der Umgang mit blanken elektrischen Leitungen ungefährlich ist.

c) … in denen der Umgang mit elektrischem Strom möglicherweise lebensgefährlich ist.

Information: Sicherungen verhindern, dass die Stromstärke in einem Stromkreis zu groß wird und Leitungen durchschmoren und zu brennen anfangen. Es gibt verschiedene Arten:

앫 Feinsicherungen sind in Geräte eingebaut und schützen diese. Autosicherungen sind auf die verschiedenen elektrischen Stromkreise im Auto abgestimmt.

앫 Sicherungsautomaten im Hausschaltkasten sichern die verschiedenen Stromkreise einer Wohnung ab.

앫 Panzersicherungen werden vor den sogenannten „Stromzählern“ eingebaut und schüt- zen alle Stromkreise eines Hauses.

Aufgaben:

Notiert eure Lösungen in der Protokoll-Vorlage.

1) Sucht diese unterschiedlichen Sicherungen (s. Infokasten), fotografiert sie und erklärt, wie sie funktionieren.

2) In einem Sicherungsschrank eines Einfamilienhauses gibt es verschiedene Sicherungen:

앫 Flur, Außenbeleuchtung, Garten 16 A 앫 Kinderzimmer, Schlafzimmer 16 A 앫 Wohnzimmer, Esszimmer 16 A

앫 Küche, Dachboden 16 A

앫 Elektroherd 25 A

앫 Bad 16 A

앫 Waschmaschine, Trockner 25 A

앫 Keller 16 A

Begründet, warum man so viele getrennte Stromkreise in einem Haus einrichtet.

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32 4. Gefahren des elektrischen Stroms

Versuch 4.4: Schutz durch Schutzkontaktleitung

Bildungsstandards: F1, F3; E7; K4, K5; B3 Kontextbezug: Stromkabel mit drei Adern

Material: 1 Schutzkontaktsteckdose und / oder Schutzkontaktstecker; 1 Lampenfassung;

1 Kabelschalter; 3 dreiadrige Kabel; Werkzeug (1 passender Schraubendreher, 1 Seitenschneider, Werkzeug zum Abisolieren, 1 Polprüfer)

Achtung: Schraubt niemals selbst an Wandsteckdosen herum; ihr begebt euch so in Lebensgefahr!

Das muss ein Fachmann machen.

Zieht zuerst den Stecker, bevor ihr Geräte und Stecker aufschraubt!

Ein Fachmann sollte kontrollieren, was repariert wurde.

Anleitung:

Öffnet die Steckerdose / den Stecker / die Lampenfassung / den Kabelschalter und schließt das Stück Kabel richtig an. Ergänzt (hier) in den Bildern die Kabel.

Beobachtung: Notiert eure Beobachtungen in der Protokoll-Vorlage. Nutzt diese Bilder:

Steckerdose Stecker Lampenfassung Kabelschalter

s. Hilfe 4.4 a

s. Hilfe 4.4 b Aufgaben:

Notiert eure Lösungen in der Protokoll-Vorlage.

1) Hier seht ihr eine geöffnete Kaffeemaschine. Sie steht auf dem Kopf und die Bodenplatte ist abschraubt. Im mittleren Bild ist die Heizplatte geerdet, im rechten nicht. In beiden Fällen hat sich der elektrische Kontakt der Heizung gelöst und berührt die metallische Bo- denplatte.

Schreibt auf, was passieren würde, wenn ihr jeweils die Bodenplatte berühren würdet.

2) Recherchiert, wie eine Glimmlampe funktioniert und welches Schaltzeichen man dafür verwendet.

Das Stromkabel berührt die Bodenplatte

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Ausschalter

Versuch 4.5: Sicherungsautomat von innen

Kontextbezug: Sicherungskasten (Verteilerkasten) im Haus / in der Wohnung Material: 1 geöffneter Sicherungsautomat

Anleitung: Der Sicherungsautomat hat seine beiden Anschlüsse oben und unten an den großen Schrauben. Er hat zwei unterschiedliche Mechanismen zum Auslösen.

Erklärt mithilfe der Bilder wie der Automat funktioniert.

Versuch 4.6: FI-Schutzschalter

Bildungsstandards: F1, F3; E1, E6; K3, K4. K5 Kontextbezug: Sicherheitsschaltungen im Bad Material: ggf. 1 FI-Schutzschalter

Anleitung: In Feuchträumen ist die Leifähigkeit des Menschen besonders hoch. Deswegen sollte dort auch ein kleiner elektrischer Strom nicht von einem Gerät über den Mensch abfl ießen können, ohne dass die Sicherung herausspringt. FI-Schutzschalter bieten hier Sicherheit. Recherchiert im Internet, wie er funktioniert und erklärt es anhand der Schaltskizze.

s. Hilfe 4.5

s. Hilfe 4.6 Information:

Eine Steckdose hat normalerweise rechts einen stromfüh- renden Kontakt, der linke ist der Rückleiter, der nicht unter Strom steht. Mit einem Phasenprüfer kann man den strom- führenden Pol schnell ermitteln.

Berührt man das Ende des Phasenprüfers mit einem Finger, fl ießt ein schwacher elektrischer Strom über einen Schutz-

widerstand und eine Glimmlampe im Phasenprüfer und dann über den Finger und den Körper zur Erde. Das Leuchten der Glimmlampe zeigt an, dass dieser Pol stromführend ist.

Im Alltag ist u. a. das VDE-Zeichen ein wichtiger Hinweis. Elektrogeräte, die dieses Zeichen tragen, sind sicherheitsmäßig geprüft.

Rückblick: Beantwortet die Forscherfragen vom Beginn der Einheit.

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60 7. Widerstände und Halbleiter

Versuch H.2: Transistorschaltung

Bildungsstandards: F1, F3; E3, E4, E7; K4, K5

Kontextbezug: Transistoren in alten Radios u. a. Geräten

Material: 1 npn-Transistor; 2 Stromstärkemessgerät; 1 Spannungsmessgerät;

2 regelbare Spannungsquellen (0 – 12 V / max. 2 A / =); 1 Basiswider- stand (abhängig vom Transistortyp)

Anleitung: Baut die folgende Transistorschaltung auf. Wählt für UCE 9 V und regelt UBE langsam hoch. Messt jeweils die Kollektorstromstärke. Tragt die Werte dann in eine Grafi k ein und verbindet sie zu der Kennlinie des Transistors.

I_C U_CE

Emitter E Basis B Kollektor C

U_BE

I_B R_B

Beobachtung: Notiert eure Beobachtungen und Ergebnisse in der

Protokoll-Vorlage. Übertragt für die Messwerte diese Tabelle:

UBE [V]

IC [mA]

Information: Ein Transistor besteht aus drei Halbleiterschichten: entweder pnp oder npn.

pnp-Transistor:

p-Halbleiter n-Halbleiter p-Halbleiter

E C

B

npn-Transistor:

n-Halbleiter p-Halbleiter n-Halbleiter

E C

B

Im Wassermodell kann man sich dies wieder mit Schleusenklappen vorstellen:

Fließt kein Basisstrom, dann ist die CE-Strecke gesperrt. Schwankt der Basisstrom, dann wird im gleichen Maße der große Kollektor-Emitter-Strom gesteuert. Der Transistor arbeitet so als Verstärker.

B C B

C

E E

Information:

U_BE: Spannung zwischen Basis und Emitter U_CE: Spannung

zwischen Kollektor und Emitter

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7. Widerstände und Halbleiter 61

Versuch H.3: Glühlampe „anzünden“ und „ausblasen“

Bildungsstandards: F3; E1, E7; K4, K5 Kontextbezug: Elektrischer Zaubertrick

Information: Der LDR ist ein Fotowiderstand. Er ist bei Dunkelheit sehr groß (100 kΩ bis 1 MΩ), bei Beleuchtung wird er jedoch sehr klein.

Material: Streichhölzer (mit Anzünder); 1 Bausatz „Das-Laempchen-zum-Anzuenden- und-Ausblasen-Bausatz-45-VDC“ (z. B. http://www.conrad.de/ce/de/pro-

duct/299022/Conrad-Das-Laempchen-zum-Anzuenden-und-Ausblasen-Bausatz- 45-VDC; Preis ca. 10 €)

Anleitung:

a) Baut die Batterie und die Bauteile entsprechend der folgenden Schaltung auf. Nur die Zuleitung und die Glühlampe sind sichtbar, alle übrigen Schaltteile befinden sich unsichtbar im Kasten.

Schaltskizze: Aufbau:

b) Führt den Versuch durch und erklärt ihn.

Versuch H.4: Dämmerungsschalter

Bildungsstandards: F1, F3; E1, E7; K4, K5

Kontextbezug: Dämmerungsbeleuchtung bei Häusern und Straßen Material: 1 npn-Transistor; 1 LDR-Widerstand; 25 kV Potentiometer;

Widerstände mit 1 kV / 100 V; 1 Glühlampe 4 V / 0,04 A mit Fassung; 1 Netzgerät für Halbleiter; 1 Taschenlampe

Anleitung: Baut die folgende Schaltung auf und stellt den Potentiometer so ein, das die Glühlampe bei Beleuchtung des LDR nicht leuchtet. Erklärt den Zusammenhang von Transistor und LDR.

25 kΩ 100 Ω

Beobachtung: Notiert eure Beobachtungen in der Protokoll-Vorlage.

10 kΩ

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(16)

62 7. Widerstände und Halbleiter

Versuch H.5: Fotodiode

Bildungsstandards: F1, F3; E7; K5

Kontextbezug: Belichtungsmesser; Sensoren in Digitalkameras;

Sensoren bei Lichtwellenleitern

Material: 1 Spannungsquelle (0 – 10 V ~); 1 Spannungsmessgerät; 1 Stromstärkemessgerät (0,1 mA); 2-Kanal-Oszilloskop; 1 Fotodiode

Anleitung:

a) Baut die Schaltung zunächst ohne Fotodiode auf und vergleicht die beiden Signale.

b) Baut dann die Fotodiode ein und dunkelt sie ab. Vergleicht wieder die beiden Signale.

c) Beleuchtet nun die Fotodiode und vergleicht wieder die beiden Signale.

Versuch H.6: Die Zener-Diode

Bildungsstandards: F1, F3; E1, E7; K5

Kontextbezug: Spannungsbegrenzung; Überlastschutz; Spannungsstabilisierung

Material: 1 Z-Diode (Typ ZF4,7,DB); 2 Multimeter; 1 Widerstand mit 100 V; 1 Spannungs- quelle (+/– 6 V =); 1 Glühlampe 4 V / 0,04 A mit Fassung

Anleitung:

a)Baut die Schaltung auf und messt anschließend Spannung und Stromstärke im Bereich –5 V bis +1 V. Geht dabei v. a. im positiven Bereich sehr kleinschrittig vor. Erstellt aus den Messwerten die Kennlinie der Diode.

V

A

+/– 6 V=

100 Ω

b)Anwendung der Z-Diode als Spannungsstabi- lisator: Baut die folgende Schaltung auf und regelt die Spannung in kleinen Schritten bis 18 V (Gleichspannung). Messt jeweils die Spannung an der Z-Diode.

a) Erstellt für die Messwerte diese Tabelle:

U [V] –5,1 –5,0 –4,5 –4,0 –2,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,75 0,8 0,83 0,85 0,9 I [mA]

b) Erstellt für die Messwerte diese Tabelle:

U [V] 0 2 3 4 6 7 8 9 10 12 14 16 17 18

U_Z [V]

V

Oszilloskop Kanal 2

Oszilloskop Kanal 1 A

10 V~

V

100 Ω

0 –18V=

a)

b)

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8. Motoren und Generatoren 63

8. Motoren und Generatoren

Didaktisch-methodische Hinweise

16 Stunden 9 / 10

zunehmend selbständig experimentieren, Versuche planen und Versuchsprotokoll erstellen; beim Eigenbau eines Motors aus einfachsten Mitteln erfahren, dass ohne eine gewisse Sorgfalt und Präzision alltägliche Ge- räte nicht funktionieren können; den Zusam- menhang von Motor und Generator erfahren

Elektromotor-Bausätze, z. B. Bausätze von Eschke und von Opitec; 1 Styroporplatte^® ca. 10 x 10 cm; Werkzeug (Hammer, Messer, kleine Rundzange usw.); 1 Reifenläufer-Dy- namo zum Zerlegen; 1 Dynamot-Maschine;

1 Schnurscheibe; µV-Spannungsmesser (Skala 1-0-1); 1 (Mehrkanal-)Oszilloskop;

Computer mit Internet Experimentiergruppen mit 3 (max. 4)

Schülern; Recherche in Einzel- und Partnerarbeit

Vortrag (mit eigenem Plakat), Vorstellung des selbstgebauten Motors

Die Feinmotorik mancher Jugendlicher stößt beim Bau der Motoren gelegentlich an Grenzen.

Andererseits ist ein laufender Motor eine große Motivationsquelle. Der Begriff der Leistung ist den Jugendlichen im umgangssprachlichen Sinn vertraut, muss aber auf die Fachsprache hin präzisiert werden; dies geschieht in Kapitel 9.

Themeneinstieg

Generator = Motor:

a) Ein Fahrrad-Dynamo wird an einem Reifen angetrieben (oder mit einem Elektromotor) und betreibt eine Glühlampe.

b) Dann wird der gleiche Fahrrad-Dynamo an eine Spannungsquelle angeschlossen und läuft als Motor.

Aufbau:

Fahrrad-Dynamo Fahrrad-Dynamo als Motor

Material:

1 Fahrrad-Dynamo;

1 Fahrradreifen; 1 Elektro- motor; 1 Glühlampe 6 V

Forscherfragen:

1. Wie erzeugt der Dynamo elektrischen Strom? Werden Ladungsträger (Elektronen) in einem Magnetfeld bewegt, entsteht durch die Lorentz-Kraft Induktionsspannung.

2. Wie kann elektrischer Strom den Dynamo drehen? Wird ein Dynamo an eine Spannungsquelle angeschlossen, ist er ein Elektromotor und funktioniert auch so.

3. Wie ist ein Dynamo / ein Elektromotor aufgebaut? Dieses Gerät besteht aus einem Stator und einem beweglichem Rotor. Der eine Teil erzeugt ein Magnetfeld (ggf. mithilfe eines Dauermag- neten), der andere besteht aus Spulen.

4. Liefert der Fahrrad-Dynamo Gleich- oder Wechselspannung? Ein Fahrraddynamo liefert Wechselspannung, da sich ein Dauermagnet in einer Spule dreht.

5. Wie funktionieren die großen Generatoren in Kraftwerken? Große Generatoren funktionieren nach dem gleichen Prinzip wie ein Dynamo. Man treibt über eine Turbine die Achse des Gene- rators an, der auf 50 Umdrehungen pro Sekunde stabilisiert wird. Sie erzeugen ihr eigenes Magnetfeld.

6. Kann man mit einem Motor einen Dynamo antreiben, der dann den elektrischen Strom für den Motor liefert? Das ist möglich, jedoch gibt es bei jeder Umwandlung Leistungsverluste.

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64 8. Motoren und Generatoren

8.1 Leiterschaukel

Bildungsstandards: F1; E1, E5, E7; K5

Kontextbezug: Elektromotor (Ventilator, Mixer, Föhn usw.);

magnetohydrodynamischer Antrieb;

Teilchenbeschleuniger

Material: 1 Hufeisenmagnet; 1 Leiterschaukel; 1 Netzgerät (0 – 2 V =); 1 Spannungsmessge- rät (mit Messbereich µV und 1-0-1-Anzeige); 1 Isolierstab; Stativmaterial

Anleitung:

a) Befestigt die Leiterschaukel so, dass sie frei im Hufeisenmagnet schwingen kann und schließt sie an das Netzgerät an. Schaltet es ein und beobachtet. Polt

dann um und beobachtet wieder.

b) Ersetzt nun die Spannungsquelle durch das Spannungs- messgerät. Bewegt nun die Leiterschlaufe nach außen, wieder in die Mitte, dann nach innen und schließlich wieder in die Mitte. Beobachtet dabei den Ausschlag des Messgerätes. Wendet die sogenannte „Rechte-Hand-Re- gel“ (oder auch U-V-W-Regel (Ursache, Vermittlung, Wir- kung)) an, um dieses Phänomen zu erklären.

c) Wiederholt Versuch b). Bewegt diesmal statt des Leiters den Magneten und beobachtet wieder das Messgerät.

Beobachtung: Notiert eure Beobachtungen in der Protokoll- Vorlage.

Information:

Die Kraft, die die Leiterschaukel verschiebt, entsteht, weil sich ein stromdurchfl ossener Leiter im Magnet- feld befi ndet. Sie heißt Lorentzkraft. Mit der „Rech- ten-Hand-Regel“ kann man die Richtung dieser Kraft ermitteln. Daumen, Zeigefi nger und Mittelfi nger der rechten Hand stehen senkrecht aufeinander und bilden die Achsen eines Koordinatensystems.

Der Daumen zeigt in Richtung der Ursache, also der Stromstärke I (vom Plus- zum Minuspol). Der Zei- gefi nger zeigt in Richtung der Vermittlung, also des Magnetfeldes (der Magnetfeldstärke) B (vom Nord- zum Südpol). Schließlich zeigt der Mittelfi nger in Richtung der Wirkung, der Lorentzkraft F^.

Zusammenfassung: Ergänzt diese Sätze.

Stromfl uss und Magnetfeld können erzeugen ( ).

Bewegung und Magnetfeld können erzeugen (

). Diesen Vorgang nennt man Induktion. An den Enden des Leiters liegt nun spannung an.