Didaktische Fragen zur Elektrizi

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Didaktische Fragen zur Elektrizi Powered By Docstoc
					Vorlesung Freitag, 3.2.06
 1. Didaktische Fragen zur Elektrizitätslehre im SU
 (siehe Folien, die Folien zur Untersuchung von Stork und Wiesner habe ich leider nicht
 mehr als Datei. Ich lege eine Kopie in den Lernwerkstatts-Ordner.)

 2. Fragen zur Klausur
 Was ist ein Kurzschluss?
 Ein Kurzschluss liegt vor, wenn die Pole einer Spannungsquelle miteinander Kontakt
 haben, ohne dass ein nennenswerter Widerstand im Stromkreis vorliegt. In dem Fall fließt
 ein sehr hoher Strom. Wird eine Batterie kurzgeschlossen, „entleert“ sie sich innerhalb
 kurzer Zeit.

 Was geht leer bei einer Batterie?
 Eine Batterie liefert die Energie, die im Stromkreis zum Verbraucher transportiert wird.
 Diese Energie wird umgewandelt (in Licht, Bewegung, Wärme...) und geht der Batterie
 unwiederbringlich verloren. Die Batterie verliert also keinen Strom, aber sie gibt mit
 jedem Einsatz der Batterie Energie ab. Die elektrische Energie wird auf chemische Weise
 erzeugt. Dabei spielt der Zinkmantel der Batterie, die Batteriesäure und der Kohlestab in
 der Mitte der Batterie eine Rolle. Der Zinkmantel wird durch die Verwendung der Batterie
 „aufgefressen“.




 Einen einfachen Versuch zum Aufbau einer Batterie finden Sie hier:
 http://www.physik.uni-kassel.de/did/gs/batterie.htm


 Kann Wasser auch Strom leiten?
 Ja, Wasser kann auch Strom leiten. Der Widerstand von Wasser ist zwar sehr hoch, aber
 bei genügend großer Spannung leitet auch Wasser den Strom. Destilliertes Wasser leitet
 den Strom nicht, weil keine Ionen vorliegen, die den Strom transportieren können.
 Mineral- oder Leitungswasser enthält genügend Salze, um z.B. eine Leuchtdiode mit einer
 Batterie zum Leuchten zu bringen, wenn ein Teil der Stromleitung vom Wasser
 übernommen wird. Zufügen von Salz erhöht die Stromstärke. Salz zerfällt in Ionen, die
 Ladungen transportieren.
Siehe auch:
sos.lgl.lu/Leuchtende%20Versuche.DOC


Wie funktioniert der FI-Schalter?
Der FI-Schalter registriert den Unterschied in der Stromstärke, in der hin- und
zurückführenden Stromleitung. Im Haushalt sind die stromführenden Leitungen die Phase
und der Neutralleiter.




Wie kann es sein, dass Strom auf dem Neutralleiter zurückfließt, aber die Spannung null
ist?
Das zu verstehen, ist tatsächlich nicht leicht!
Bei einer Wechselspannung wie in unserem Haushaltsstromnetz ist auch der Strom ein
Wechselstrom. In dem Neutralleiter fließt dieser Strom zum Elektrizitätswerk zurück. Der
Neutralleiter liegt immer „auf Erde“, d.h. es gibt keine Spannung zwischen dem
Neutralleiter und der Erde. Man kann den Neutralleiter getrost anfassen, ohne dass etwas
passiert. Trotzdem fließt bei angeschlossenem Gerät Strom durch den Neutralleiter, und
zwar in gleicher Stärke wie in dem Kabel, das mit der Phase verbunden ist!

Die Neutralleiter der verschiedenen Räume eines Hauses werden im Haus wieder zu
einem einzigen Neutralleiter zusammengeführt. Man könnte meinen, dass hier die
Stromstärke sehr groß sein müsste, weil ja die Ströme von allen angeschlossenen Geräten
hier zusammen kommen. Tatsächlich ist die Stromstärke jedoch fast null.

Bei der Installation eines Hauses wird darauf geachtet, dass die drei Phasen im Haus
halbwegs gleichmäßig ausgelastet werden. Wenn das der Fall ist, dann fließen auf dem
vereinigten Neutralleiter Ströme halbwegs gleicher Stromstärke zusammen. Da die
Ströme wie die Spannungen der drei Phasen auch zeitlich versetzt schwingen, addieren
sich die Stromstärken im Neutralleiter zu null. Der Neutralleiter, der die Rückverbindung
zum Elektrizitätswerk schafft, führt deshalb so gut wie keinen Strom. Und das ist auch gut
so. Denn jeder Strom verursacht Wärmewirkungen. Das bedeutet Energie“verluste“.
Wenn der Strom im Neutralleiter sich nahezu zu null addiert, dann fallen diese
Energieverluste weg.
Wenn die Stromstärke im Neutralleiter null ist, dann kann man den Neutralleiter auch
problemlos in der Mitte durchschneiden, ohne dass sich etwas ändert. Oder anders gesagt,
man kann dann auf den Neutralleiter auch komplett verzichten. (Das ist zugegeben
ziemlich verrückt!)
Die Bilder von Strommasten unten zeigen, dass das in der Realität auch genau so gemacht
wird. Hier werden nur die 3 Phasen weitergeleitet. Auf den Neutralleiter wird verzichtet.
Da der Neutralleiter ohnehin „auf Erde liegt“ (mit der Erde verbunden ist), kann man sich
–wenn nötig- einen Neutralleiter besorgen, indem man ein Kabel mit der Erde verbindet.




   Wenn man die Kurven addiert, ergibt sich als Summe null.
Was ist der Widerstand?
Wenn man an eine Spannungsquelle unterschiedliche Geräte anschließt, ist die
Stromstärke unterschiedlich groß. Große Stromstärke bedeutet, dass der Widerstand des
Gerätes klein ist. Will man dem widerstand einen Zahlenwert zuordnen, teilt man die
Spannung der Batterie durch die Stromstärke. (Große Stromstärke bedeutet dann auch
kleiner Widerstand.)
In Formeln: R = U/I
Widerstand ist das Verhältnis von Spannung zu Stromstärke


Warum taucht in der Gleichung „Spannung = Energie/Ladung“ kein Widerstand auf?
Die Gleichung gibt an, welche Energie jedes Elektron von der Batterie mitbekommt.
Dieser Wert ist unabhängig davon, welches Gerät angeschlossen wird. Die Spannung
charakterisiert hier also die Spannungsquelle unabhängig davon, wie man sie nutzt.

Wie viel Energie aber insgesamt von der Batterie zum Gerät transportiert wird, hängt von
der Stromstärke ab und die wird wiederum vom Widerstand des Gerätes bestimmt.

Wenn verschiedene Geräte an ein und dieselbe Spannungsquelle angeschlossen werden,
ist die Stromstärke unterschiedlich groß, je nachdem wie groß der Widerstand ist.
Unterschiedliche Stromstärke heißt, es fließen pro Zeit unterschiedlich viele Elektronen an
einer bestimmten Stelle vorbei.
Jedes Elektron erhält von der Spannungsquelle eine bestimmte Energie. Wenn der
Widerstand groß ist, werden wenige Ladungen pro Zeit transportiert. Es wird weniger
Energie pro Zeit zum Gerät transportiert.
Wenn der Widerstand klein ist, wird viel Energie pro Zeit transportiert.
Didaktische Fragen zur Elektrizitätslehre
1. Alltags- und Fehlvorstellungen

Alltag                          Physik
Strom fließt zum Gerät (und     Strom fließt im Kreis. Die
nicht wieder zurück).           Stromstärke ist im gesamten
                                (unverzeigten) Kreis gleich
                                groß.
Strom wird verbraucht. Man      Elektrischer Strom verbraucht
muss dafür bezahlen.            sich nicht.
Ein Akku wird mit Strom         In einer nicht angeschlossenen
aufgeladen. Es ist Strom in/auf Batterie ist kein Strom.
der Batterie.
Strom = elektrische Energie     Strom = Bewegung elektrischer
                                Ladungen

Welchen Fehlvorstellungen soll wie begegnet werden?

Sprachregelungen: Stromverbrauch? Strom – Energie?



2. Wie tief kann/soll man gehen?

Elektronen im Sachunterricht?

Schaltbilder?

Elektrostatik?



3. Welche Methoden?

Flachbatterie? (wird praktisch nur noch in der GS eingesetzt)

Analogien? (was ist hilfreich, was ist schädlich)
Weiterführende Literatur:


Stork/Wiesner: Schülervorstellungen zur Elektrizitätslehre und
Sachunterricht. In: Sachunterricht und Mathematik in der
Primarstufe, 9/1981 (Kopie im Ordner)
http://www.paed.uni-muenchen.de/supra/


Grygier/Günther/Kircher (Hrsg.): Über Naturwissenschaften
lernen. Schneider-Verlag, 2004. Darin Kapitel 4:
Unterrichtseinheit: „Der elektrische Strom – ein
Elektronenstrom“ (Kopie im Ordner)


Marion Thölert: Strom – was ist das eigentlich? Zur Problematik
der Elektronenmodelle im Sachunterricht, Examensarbeit 2003
Vorstellungen von Kindern zum elektrischen
Stromkreis

Eine Zuleitung von der Batterie zur Lampe genügt, damit die
Lampe leuchtet.

Bei zwei Drähten kommt durch beide Drähte Strom zur
Glühlampe (Zweizuführungsvorstellung).

Es gibt zwei Arten von Strom (Plusstrom und Minusstrom), die
sich in der Lampe treffen und dabei das Leuchten verursachen.

Der Strom wird in der Glühlampe vollständig verbraucht
(Nehmen-Schema).

Der Strom fließt in einer Leitung zur Lampe, wird dort teilweise
verbraucht und fließt in der anderen schwächer zurück zur
Batterie (Verbrauchsvorstellung).

Strom ist in der Batterie gespeichert und wird bei Anschluss
eines Gerätes angegeben (Geben-Schema).
I: Wird das Birnchen leuchten, wenn ich es mit diesem Kabel
verbinde?
S: Nein, weil der Stromkreis unterbrochen ist.
I: Ja, wie stellst Du dir das denn vor, kommt hier (Lasche) etwas
heraus?
S: Nein, es kommt hier raus, geht in die Lampe und dann
kommt es nicht weiter, denn nirgends geht der Strom wieder
zurück.
I: Und wenn ich da ein zweites Kabel anschließe, dann kann es
zurück und das Birnchen leuchtet? Du stellst Dir also vor, es
läuft so herum?
S: Ja.
I: Viele Leute denken, dass hier (1. Kabel) und hier (2. Kabel)
etwas hoch kommt.
S: Es ist ja auch da an der Batterie angeschlossen ... oder ich
stell' mir das so vor, dass hier das wieder zurückläuft, damit die
Batterie länger läuft. (Das eigentlich Sinnlose, das
Zurückfließen des elektrischen Stromes zur Batterie muss einen
Sinn haben, hier die längere Betriebsdauer)
I: Was passiert denn mit dem Strom da drin (Birnchen)? Der
kommt an, geht durch das Birnchen, ist der hinter dem Birnchen
noch der gleich wie der, der hinein geht? Oder ändert sich der
im Birnchen? Wird was anderes daraus?
S: Nee, ich glaube nicht, bleibt das Gleiche. Weil der hier an der
Batterie auch gleich angeschlossen ist.
...
S: Der Strom, der läuft dann ganz einfach hier ja durch.
I: Dann wäre er wieder in der Batterie und dann ...
S: Aber von hier kommt auch Strom, weil da (2. Kabel)
wiederum angeschlossen ist.
I: Moment, Du meinst also da kommt aus dem etwas heraus
und ...
S: Aber hier (2. Anschluss) kommt auch etwas durch: Hab‘ ich
vorhin falsch gesagt, da kann nichts von da zurückgehen.
I: Aha, also Du meinst, es kommt von beiden Seiten etwas nach
oben?
S: Ja! Weil’s mit einem vielleicht zu schwach ist.

				
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