Das Thema „Ladung“ im naturwissenschaftlichen … · Die Entdeckung der Elektrostatik begann im...

Hausarbeit im Rahmen der Ersten Staatsprüfung für das Lehramt an Haupt- und Realschulen

Das Thema „Ladung“

im naturwissenschaftlichen Unterricht -

Konzeption einer fächerverbindenden

Unterrichtseinheit

für die Sekundarstufe I

Vorgelegt von: Gunnar Herrmann

1. Gutachterin:

Braunschweig,

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung.............................................................................................1

2 Ladung.................................................................................................1

2.1 Erklärung des Begriffs „Ladung“...................................................1

2.1.1 SI-Einheiten...........................................................................2

2.2 Größen und Einheiten..................................................................3

2.2.1 Ladung ..................................................................................3

2.2.2 Stromstärke...........................................................................4

2.2.3 Spannung .............................................................................4

2.2.4 Elektrisches Feld...................................................................5

2.3 Elektrostatik..................................................................................6

2.3.1 Aufladung..............................................................................7

2.3.2 Das Energiebändermodell.....................................................7

2.3.3 Faktoren für die elektrostatische Aufladung..........................8

2.3.4 Triboelektrische Reihe...........................................................9

2.3.5 Polarisation..........................................................................11

2.3.6 Influenz................................................................................11

3 Fächerübergreifender und fächverbindender Unterricht...................12

3.1 Begriffserklärung.........................................................................12

3.2 Fächerübergreifende Aspekte im bisherigen Unterricht.............13

3.3 Gründe für fächerübergreifenden und fächerverbindenden

Unterricht ..........................................................................................15

3.4 Kritik am fächerübergreifenden und fächerverbindenden

Unterricht...........................................................................................16

3.5 Gründe für einen fächerverbindenden Unterricht in Biologie,

Chemie und Physik............................................................................17

3.6 Koppelung der Fächer Physik und Chemie................................19

3.7 Fächerkoppelung Biologie und Chemie.....................................20

4 Unterrichtseinheit: Ladung im fächerverbindenden

naturwissenschaftlichen Unterricht........................................................23

4.1 Begründung................................................................................26

4.2 Modul 1 - Einführung in die Elektrostatik....................................29

4.2.1 Lernziele..............................................................................29

4.2.2 Didaktisch-methodische Überlegungen.............................29

3

4.2.3 Möglicher Verlauf ...............................................................32

4.3 Modul 2 - Elektrostatik durch bewegte Ladungen......................43

4.3.1 Sachanalyse........................................................................43

4.3.2 Lernziele..............................................................................44

4.3.3 Didaktisch-methodische Überlegungen..............................44

4.4 Modul 3 – Welche Richtung hat der Strom?...............................54

4.4.1 Sachanalyse........................................................................54

4.4.2 Lernziele..............................................................................55


4.5 Modul 4 – Vertiefung Strom: Definitionen, Größen, Einheiten...63

4.5.1 Sachanalyse........................................................................63

4.5.2 Lernziele..............................................................................64


4.6 Modul 5 – Elektrolyse von Wasser ............................................73

4.6.1 Sachanalyse........................................................................73

4.6.2 Lernziele..............................................................................74


4.7 Modul 6 – Strom und der tierische Körper..................................82

4.7.1 Sachanalyse........................................................................82

4.7.2 Lernziele..............................................................................83


4.8 Modul 7 - Gefahren des Stroms.................................................87

4.8.1 Sachanalyse........................................................................87

4.8.2 Lernziele..............................................................................88

4.8.3 Didaktisch-methodische Analyse........................................88

5 Anmerkungen zu den Versuchen......................................................89

5.1 Anmerkungen zu Overhead-Folie..............................................89

5.2 Anmerkung zum Luftballon.........................................................91

5.3 Anmerkungen zur Luftfeuchtigkeit..............................................91

5.4 Entsorgung der Chemikalien......................................................92

6 Fazit....................................................................................................92

7 Tabellen.............................................................................................94

8 Bauanleitungen..................................................................................96

8.1 Glimmlampe................................................................................96

4

8.2 Elektroskop.................................................................................97

9 Literatur..............................................................................................99

1

1 Einleitung

Das Wort LADUNG kommt vom Althochdeutschen ladan, was soviel

bedeutet wie hinbreiten, aufschichten. Hierbei handelt es sich um einen

Begriff, der von vielen Menschen regelmäßig mit unterschiedlichen Be-

deutungen verwendet wird. Transportunternehmen versenden Ladun-

gen; Juristen verschicken Ladungen, damit andere Personen an be-

stimmten Orten erscheinen; Jäger verwenden verschiedene Ladungen

für die Patronen ihrer Waffen und jeder ist „geladen“, wenn er wütend

ist. In den drei Disziplinen der Naturwissenschaften - Biologie, Chemie,

Physik – wird der Begriff „Ladung“ als Ursache für verschieden Sach-

verhalte verwendet.

In meiner Arbeit stelle ich eine Unterrichtsreihe vor, die zum Ziel hat,

den Begriff „Ladung“ aus verschiedenen naturwissenschaftlichen Per-

spektiven darzustellen und die die damit verbundenen spezifischen In-

halte der Fächer Biologie, Chemie und Physik zu vermitteln. Um dies

zu erreichen, wird der herkömmliche Fachunterricht aufgegeben und

ein Unterrichtsverlauf entworfen, bei dem die Grenzen zwischen Biolo-

gie-, Chemie- und Physikunterricht fließend sind. Die Reihe hat ver-

ständlicherweise fachspezifische Schwerpunkte, dennoch sind Ver-

knüpfungen zu den anderen Fächern an diesen Stellen gegeben.

2 Ladung

2.1 Erklärung des Begriffs „Ladung“

In einem Lexikon finden sich mehrere Erklärungen für Ladung, die aus

den Bereichen Güterverkehr, Recht, Waffentechnik und der Physik

stammen. In der Physik gibt es ebenfalls verschiedene Ladungen wie

zum Beispiel die baryonische Ladung, leptonische Ladung, Hyperla-

dung und Charms1. Diese Begriffe werden in der Elementarteilchen-

und Quantenphysik benutzt und sind daher für die Sekundarstufe 1

nicht relevant.

2

Ladung bedeutet erst einmal, dass Teilchen ein elektromagnetisches

Feld erzeugen. Der Begriff elektrische Ladung oder auch Elektrizitäts-

menge ist eine skalare Größe, welche die Menge an Elektrizität angibt.

Elektrische Ladung ist immer an Materie gebunden, d.h. sie kann nicht

ohne Teilchen existieren.

Elektrische Ladungen sind der Ursprung für eine der vier großen Kräfte

in der Physik: die elektromagnetische Kraft. Kernkräfte und Beta-Zerfall

spielen aufgrund ihrer geringen Reichweite von ~ 10-15m und 2*10-18m

im Alltag keine Rolle2 und gehören in den Bereich der Kernphysik. Gra-

vitation und elektromagnetische Kräfte sind bedingt durch ihre Reich-

weite auch im Alltag durch ihre Auswirkungen wahrzunehmen.

Es existieren zwei verschiedene Arten der elektrischen Ladung: Willkür-

lich wurden sie mit den Vorzeichen (+) oder positiv und (–) oder negativ

belegt. Die Vorzeichen liefern keine quantitativen Angaben, obwohl die-

ser Eindruck entstehen könnte: Negative Ladungen sind nicht weniger

geladen als positive Ladung. Die kleinste Ladung ist die sogenannte

Elementarladung, diese beträgt 1,602176462 x 10-19C. Ein Proton hat

eine positive Elementarladung, das Elektron eine negative Elementarla-

dung.3

Elektrische Ladung wird mit dem Formelzeichen Q gekennzeichnet und

mit der abgeleiteten SI-Einheit Coulomb [C] angegeben. Die Einheit [C]

ist nach dem französischen Physiker Charles Augustin de Coulomb (ge-

boren 1736, gestorben 1806) benannt.

2.1.1 SI-Einheiten

SI-Einheiten sind genau definierte Einheiten, die international gelten. SI

ist die Abkürzung der französischen Bezeichnung Le Système interna-

tional d'unités, zu Deutsch Internationales Einheitensystem. SI-Einhei-

ten werden durch die Generalkonferenz für Maß und Gewichte festge-

legt und regelmäßig auf ihre Aktualität entsprechend den geltenden wis-

senschaftlichen Theorien überprüft und gegebenenfalls angepasst.

Die sieben Einheiten Meter, Kilogramm, Sekunde, Ampère, Kelvin, Mol,

3

Candela wurden willkürlich als Basiseinheiten definiert. Einheit, die

durch Multiplikation oder Division zweier Basiseinheiten mit dem Wert

1 berechnet wird, werden als abgeleitete Einheit bezeichnet.4

In der Schule sind laut Rahmenrichtlinien5 die SI-Einheiten zu verwen-

den. Da sowohl im Alltag als auch in der Wissenschaft zusätzlich zu

den SI-Einheiten andere Einheiten für dieselbe Größe gebräuchlicher

sind, sollte diesem Sachverhalt unbedingt Rechnung getragen werden.

Im Hinblick auf die Lebenswelt der Schüler* und die damit verbundenen

Verknüpfungsmöglichkeiten sollten übliche Einheiten im Unterricht den

gleichen Stellenwert wie die SI-Einheiten erhalten. Exemplarisch für

diesen Sachverhalt ist die Einheit der elektrischen Ladung. Die SI-Ein-

heit Coulomb ist im Alltag selten, stattdessen wird die Einheit Milliampe-

restunde [mAh] verwendet, um die Ladungsmenge von Batterien oder

Akkus zu kennzeichnen: So geben beispielsweise Hersteller von batte-

riebetriebenen Geräten die Kapazität der zu verwendenden Batterien

oder Akkus in Milliamperestunden an.

Bevor die Einheiten 1960 durch die 1. Generalkonferenz für Maß und

Gewicht festgelegt wurden, existierten schon annehmbare Definitionen.

Da die aktuellen7 Definitionen abstrakt und in der Schule nicht experi-

mentell zu bestimmen sind, werden im Folgenden klassische Definitio-

nen für die Einheiten Ampere und Coulomb vorgestellt.

2.2 Größen und Einheiten

2.2.1 Ladung

Die Einheit [C] wird über folgende Gleichung definiert:

1Coulomb=1 Ampère⋅1Sekunde.

1 Coulomb ist die Ladungsmenge, die sich innerhalb einer Sekunde

durch den Querschnitt eines Leiters bei einer Stromstärke von einem

* Aus Übersichtsgründen verwende ich die Bezeichnung Schüler sowohl für

Schülerinnen als auch männliche Schüler.

4

Ampère bewegt. 6 ٠1018 Elektronen bilden eine Ladung von 1 Coulomb.

In einer älteren Definition wurde die Einheit 1 Coulomb definiert als die

Ladungsmenge, die bei der Elektrolyse von Wasser unter Normalbedie-

nungen 0,19cm2 Knallgas entstehen lässt.

2.2.2 Stromstärke

Die Stromstärke gibt an, wie viele Ladungen innerhalb einer bestimm-

ten Zeiteinheit bewegt werden. Hierfür gilt folgende Formel:

Die Einheit Ampère ist nach dem französischen Physiker André-Marie

Ampère (geboren 1776, gestorben 1836) benannt.

Definition 1 Ampère: „Das Ampère ist die Stärke eines konstanten

elektrischen Stromes, der, durch zwei parallele geradlinige, unendlich

lange und im Vakuum im Abstand von einem Meter voneinander ange-

ordnete Leiter von vernachlässigbar kleinem, kreisförmigem Querschnitt

fließend, zwischen diesen Leitern je einem Meter Kabellänge die Kraft 2

*10−7 Newton hervorrufen würde.“6

Im Jahr 1898 wurde die Einheit 1 Ampère als die Stromstärke definiert,

welche bei der Elektrolyse einer Silbernitratlösung innerhalb einer Se-

kunde 1,118mg Silber abscheidet.

2.2.3 Spannung

Die elektrische Spannung mit dem Formelzeichen U (lat. Urgere:

drängen, drücken) gibt an, wie viel Arbeit verrichtet werden muss, um

eine elektrische Ladung zu bewegen:

U=WQ

I=Q t

5

Die Einheit Volt ist eine abgeleitete SI-Einheit aus dem Quotienten von

Joule und Coulomb.

Folgenden Aussagen lassen sich über Ladungen machen:

Gleiche Mengen an positiven und negativen Ladungen führen zu einer

neutralen Ladung.

Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab, ungleichnamige Ladungen zie-

hen sich an.

2.2.4 Elektrisches Feld

Das elektrische Feld ist neben dem magnetischen Feld ein spezieller

Fall des Feldes. Es gibt für jeden Punkt den Betrag und die Richtung

der Kraft, die auf eine Probeladung wirken. Jede Ladung erzeugt ein

elektrisches Feld. Das nicht sichtbare Feld lässt sich durch seine Wir-

kung auf andere Ladungen nachweisen; zu ihrer Darstellung verwendet

man Feldlinien. Die gedachten Linien haben eine Orientierung: Die

Kraft ist von der positiven Ladung weg- und hin zur negativen Ladung

gerichtet. Je dichter die Feldlinien, desto größer ist die Kraft, welche auf

eine (Probe)Ladung innerhalb des Feld einwirkt. Für die Ladung und die

Probeladung gilt das Coulomb'sche Gesetz:

Q sind die beiden Ladungen in [c]

ε0 ist die Dielektrizitätskonstante des Vakuums 8,854187817*10-12 F*m-1

r ist der Abstand zwischen den Ladungen in [m]

F ist die resultierende Kraft

Die elektrische Feldstärke wird definiert als der Quotient aus anliegen-

der Spannung und Abstand der Elektroden mit der Einheit [V/m]:

E=Ul

F= 140

∗Q1Q2

r2

6

Alternativ wird sie auch als Quotient aus der Kraft, die auf die Probela-

dung wirkt, und dem Betrag der Probeladung mit der Einheit [N/C] defi-

niert:7

2.3 Elektrostatik

Der Begriff suggeriert, dass es bei der Elektrostatik um unbewegte (sta-

tische) Elektronen geht. Wir werden im Folgenden noch sehen, dass

dies nicht der Fall ist. Elektrostatik lässt sich am sinnvollsten als die Be-

schäftigung mit Ladungstrennung, Ladungsverschiebung und den Kräf-

ten zwischen Ladungen beschreiben.

Die Entdeckung der Elektrostatik begann im antiken Griechenland 600

v. Chr. mit Thales von Milet. Er entdeckte, dass Bernstein nach dem

Reiben in der Lage war, Vogelfedern anzuziehen. Das Wort Elektron

hat hier seinen Ursprung: Der Bernstein heißt auf griechisch ηλεκτρον

oder in lateinischen Buchstaben Elektron. Als William Gilbert, der sich

mit Magnetismus und Elektrostatik beschäftigte, um 1600 das Buch „De

Magnete“ schrieb, begann die Zeit der Elektrizität8. Die Elektrostatik

Abbildung 1: Elektrische

Feld zwischen zwei

Elektroden

Abbildung 2: Elektrische

Feld einer positiven Ladung

E=FQP

7

führte danach lange Zeit ein Schattendasein, erst im 20. Jahrhundert

wurde sie erneut bedeutungsvoll. Auf der einen Seite war sie verant-

wortlich für schwere Unfälle wie die Explosion der Hindenburg, Explo-

sionen in Getreidemühlen oder in jüngerer Vergangenheit die Explosion

der Pershing-Rakete (1985), den Absturz eines Jumbo-Jets (1996) und

die Rückrufaktionen bekannter Autohersteller (1995, 1997)9. Auf der an-

deren Seite ist es der Elektrostatik zu verdanken, dass es Stromgene-

ratoren, Fotokopierer und Laserdrucker gibt.

2.3.1 Aufladung

Im Umfeld der Elektrostatik gibt es mehrere Begriffe, die immer wieder

verwendet werden: elektrostatische Aufladung, Reibungselektrizität, tri-

boelektrische Elektrizität, Berührungselektrizität. Diese Begriffe meinen

allen den gleichen Sachverhalt: Berühren sich zwei Körper, erfolgt aus

thermodynamischen Gründen an der Berührungsstelle ein Elektronen-

übergang. Reibung ist dafür nicht notwendig, sie unterstützt nur den

Vorgang. Die genauen Vorgänge, insbesondere bei der Berührung

zweier Kunststoffe, sind allerdings noch nicht vollständig geklärt.

2.3.2 Das Energiebändermodell

Die Leitfähigkeit von Metallen lässt sich mit Hilfe der Bändertheorie er-

klären. Elektronen sind besonders beweglich, wenn ein Leitungsband

unvollständig besetzt ist oder sich ein vollbesetztes Valenzband mit ei-

nem leeren überschneidet. In diesem Fall ist wenig Anregungsenergie

nötig, um das Elektron auf ein höheres Energieniveau anzuheben.10 Die

Energie, die notwendig ist, um ein Elektron aus dem obersten Band zu

entfernen, bezeichnet mal als Elektronenaustrittsarbeit; sie wird defi-

niert als „Differenz der potenziellen Energie eines Elektrons zwischen

Fermi- und Vakuum-Niveau“.11 Das Fermi-Niveau bezeichnet die Höhe

des Energieniveaus mit einer Aufenthaltswahrscheinlichkeit an Elektro-

nen von 0,5. Beim Kontakt zweier Metalle gleichen sich die Fermi-Nive-

aus aus, indem sich die Bänder gegeneinander verschieben. Bei idea-

len Isolatoren ist die Besetzungswahrscheinlichkeit des Leistungsban-

8

des gleich Null. In diesem Fall sind weder Leitfähigkeit noch die Mög-

lichkeit zur elektrostatischen Aufladung möglich. Bei realen Nichtleitern

sind jedoch Energiezustände vorhanden, die es ermöglichen, dass

Elektronen aufgenommen oder abgegeben werden.

2.3.3 Faktoren für die elektrostatische Aufladung

Mehrere Faktoren sind für eine (erfolgreiche) elektrostatische Aufladung

verantwortlich:

1) Leitfähigkeit der beiden Materialien,

2) Leitfähigkeit der Luft,

3) Elektronenaffinität der beiden Materialien,

4) Oberflächenstruktur: glatt oder rau,

5) Reibungsgeschwindigkeit,

6) Geschwindigkeit, mit der die Materialien getrennt werden.

Je geringer die Leitfähigkeit eines Materials, desto größer ist die Mög-

lichkeit der elektrischen Aufladung. Bei Metallen werden aufgrund ihrer

guten Leitfähigkeit die Ladungsunterschiede, die bei der Berührung ent-

standen sind, mit dem letzten Berührungspunkte beider Metalle ausge-

glichen. Bei Kunststoffen oder anderen Nichtleitern ist dies nicht mehr

möglich; sie bleiben ungleich geladen.

Die Leitfähigkeit der Luft ist dafür verantwortlich, dass erzeugte La-

dungsunterschiede nicht aufrecht erhalten werden können. Die Leitfä-

higkeit der Luft wird von der relativen Luftfeuchtigkeit beeinflusst. So-

wohl hydrophile als auch hydrophobe Stoffe adsorbieren an ihrer Ober-

fläche Wasser. Németh geht im Jahr 2003 davon aus, dass sich selbst

an „ausgeprägt unpolare Kunststoffe[n]“ Wasser anlagern kann.12 Auch

wenn es zu diesem Zeitpunkt noch keine Modelle gab, welche die ge-

naue Wirkung des adsorbierten Wassers der Luftfeuchtigkeit auf die

Aufladung erklären, kann man sagen, dass die Luftfeuchtigkeit den

Oberflächenwiderstand herabsetzt. Niemöller konnte zeigen, dass eine

erhöhte relative Luftfeuchtigkeit die Ladungshöhe aufgrund der erhöh-

9

ten Leitfähigkeit reduziert.13 Gibson und Lloyd bzw. Gibson und Harper

konnten experimentell zeigen, dass die Aufladung von Polyethylen (PE)

mit Wolle bis φ=40% unabhängig von der Luftfeuchtigkeit war, bei mehr

als 40% relativer Luftfeuchtigkeit fiel die Ladungshöhe rapide.14

Je unterschiedlicher die Elektronenaffinität der beteiligten Stoffe ist, de-

sto größer ist die elektrostatische Aufladung. Die Elektronenaffinität gibt

an, wie viel Energie notwendig ist, um ein Elektron an sich zu binden.

Ihr gegenüber steht die Elektronenaustrittsarbeit.

Je rauer die Oberflächenstruktur ist, desto mehr Berührungspunkte bie-

tet sie für die Elektronenübergänge. Eine raue Oberfläche bedeutet

auch gleichzeitig eine größere Oberfläche, was bei erhöhter Luftfeuch-

tigkeit dazu führt, dass der Oberflächenwiderstand weiter herabgesetzt

wird als bei glatten Oberflächen.

Die Reibegeschwindigkeit entscheidet über die Anzahl der Kontakte

zwischen den Stoffen. Je stärker gerieben wird, desto größer ist die An-

zahl der Kontakte zwischen den Stoffen. Die entstehende Reibungswär-

me führt auch zu einer Trocknung der Oberfläche, wodurch der Oberflä-

chenwiderstand verringert wird.

Eine schnelle Trennung der Stoffe verringert die Chance, dass sich die

Ladungen wieder ausgleichen.

2.3.4 Triboelektrische Reihe

Das Wort Tribos ist griechischer Herkunft und bedeutet Reibung, die

Triboelektrizität ist also das Gleiche wie die Reibungselektrizität. Die tri-

boelektrische Reihe gibt die Elektronenaffinität eines Stoffes an. Je nä-

her ein Stoff am positiven Ende der Liste steht, desto leichter gelingt die

Abgabe von Elektronen an einen Stoff, der sich näher am negativen

Ende befindet, also an einen Stoff mit höherer Elektronenaffinität. Es

gibt keine allgemein gültige Reihe, stattdessen gibt es mehrere triboe-

lektrische Reihen, die sich teilweise stark unterscheiden.15 Der Grund

liegt in der Komplexität der Stoffe, die in dieser Reihe aufgeführt wer-

den. Bei Materialien wie Glas und Baumwolle ist offensichtlich, dass sie

10

keine chemisch reinen Stoffe sind. Glas besteht zwar primär aus SiO2

(Quarzglas), enthält aber auch verschiedene andere Komponenten wie

Netzwerkbilder, Netzwerkwandler und Stabilisatoren. Industriell herge-

stelltem Glas werden noch weitere Stoffe hinzugefügt, die die Eigen-

schaften (Lichtabsorption, Brechungsindex, Festigkeit etc.) des Glases

entsprechend ihrem Verwendungszweck verbessern. Die Elektronenaf-

finität wird durch diese Modifikation ebenfalls verändert, so dass eine

genaue Angabe für Glas kaum möglich ist. Selbst bei Kunststoffen wie

Polystyrol oder Polyethylen kann man nicht von reinen Stoffen spre-

chen. Zur Verbesserung ihrer Eigenschaften werden bei der Herstellung

Additive hinzugefügt, die die Elektronenaffinität verändern. Als zweiter

wichtiger Faktor, der eine allgemein gültige triboelektrische Reihe

schwierig macht, ist die Oberflächenstruktur zu nennen. Je nach Ober-

flächenbeschaffenheit der beiden beteiligten Stoffe ist die Anzahl der

Berührungspunkte unterschiedlich groß. Um zwei Stoffe hinsichtlich ih-

rer triboelektrischen Aufladefähigkeit zu beurteilen, müsste man stan-

dardisierte Oberflächen verwenden oder sie entsprechend der Oberflä-

chenstruktur mehrmals aufführen.16 Als Faustregel gilt, je weiter zwei

Stoffe in einer Tabelle - oder besser in mehreren Tabellen - auseinan-

der liegen, desto wahrscheinlicher ist eine elektrostatische Aufladung.

An dieser Stelle erwähne ich die Coehn'sche Aufladungsregel. Sie sagt

aus, dass sich der Stoff mit der größeren Dielektrizitätskonstante positiv

und der mit der niedrigeren negativ auflädt. Die einheitenlose SI-Größe

Dielektrizität gibt an, wie viel durchlässiger ein Stoff für elektromagneti-

sche Felder im Vergleich zum Vakuum ist, welches den Wert 1 per Defi-

nition erhält.

Mit Hilfe verschiedener bereits existierender Tabellen und der durchge-

führten Experimente habe ich eine neue Tabelle erstellt (siehe Tabelle

3), die neben dem Inhaltsstoff, der für die elektrostatische Aufladung

verantwortlich ist, auch typische Objekte beinhaltet. Die Tabelle ermög-

licht es, das Ladungsverhalten gängiger Haushaltsgegenstände festzu-

stellen.

11

2.3.5 Polarisation

Die dielektrische Polarisation entsteht durch das Einwirken eines elek-

trischen Feldes auf einen Nichtleiter, wobei es zu einer Ladungsver-

schiebung kommt. Ladungsverschiebung bedeutet nicht, dass sich die

Elektronen frei bewegen, da es sich in diesem Fall um einen Leiter han-

deln würde. Stattdessen wird der Ladungsschwerpunkt innerhalb der

Atome an der Oberfläche des Nichtleiters verschoben. Der Begriffe

„Oberfläche“ bezeichnet hier einen Bereich bis max. 30nm Materialtie-

fe.17 Die Elektronen werden abhängig von der Ladungsart des Ur-

sprungs angezogen oder abgestoßen; die Folge ist, dass das Material

nach außen hin geladen erscheint. Es werden keine Elektronen aufge-

nommen oder abgegeben, die Zahl der Ladungen bleibt also gleich.

2.3.6 Influenz

Influenz hat die gleiche Ursache wie die dielektrische Polarisation: Eine

Ladung wirkt über das elektrische Feld. Der Unterschied besteht in den

Materialien, welche die Wirkung erfahren. Von Influenz wird gespro-

chen, wenn das Feld auf einen Leiter wirkt, in dem im Gegensatz zum

Nichtleiter die Elektronen frei beweglich sind. Die Elektronenkonzentra-

tion verschiebt sich über das ganze Material: Abhängig davon, ob die

Ursprungsladung positiv oder negativ geladen ist, erfolgt die Bewegung

Abbildung 3: Verschiebung des

Ladungsschwerpunktes innerhalb

des Atoms

12

in gegensätzliche Richtungen. Die Anzahl der Ladungen wird nicht ver-

ändert, allerdings bildet der Gegenstand aufgrund der Ladungsver-

schiebung eine Potenzial gegenüber seiner Umwelt auf.

3 Fächerübergreifender und fächverbindender Unterricht

3.1 Begriffserklärung

Die Begriffe „fächerübergreifend“ und „fächerverbindend“ werden in der

Literatur häufig synonym verwendet und bezeichnen damit beide einen

Unterricht, in dem die fachlichen Grenzen eines Unterrichtsfaches

überschritten werden. Dennoch ist es sinnvoll, zwischen

fächerübergreifendem Unterricht und fächerverbindendem Unterricht

zu differenzieren, da sowohl der fachliche Schwerpunkt als auch die

Voraussetzungen unterschiedlich sind.

Beckmann bezeichnet fächerübergreifenden bzw. fächerverbindenden

Unterricht als „die (unterrichtliche) Beschäftigung mit einem Gebiet, in

dem die fachliche Grenzen überschritten werden und andere Fächer

(wie und zu welchem Zweck oder Ziel auch immer) einbezogen wer-

den.“18 Die Unterschiede der beiden Begriffe liegen laut Beckmann in

der Qualität der Zusammenarbeit zweier Fächer, die sie mithilfe eines

Vierstufen-Modells verdeutlicht.

Stufe 1 ist „[t]hemen- und leitfachbezogene Arbeit“.19 Der Lehrer eines

Faches möchte bestimmte Inhalte eines anderen Faches aufgreifen.

Die Lehrkraft es zweiten Faches arbeitet dem Leitfach so zu, dass des-

sen Inhalte vertieft werden. Die Lehrkraft kann identisch sein, wenn ent-

sprechende Kompetenzen vorliegen.

Stufe 2 ist die „[t]hemenbezogene Parallelarbeit“.20 Die Lehrkräfte orga-

nisieren den Jahresplan so, dass sich überschneidende Themen zeit-

gleich behandelt werden. Während dieser Phasen ist es notwendig,

dass sich die beteiligten Lehrer hinsichtlich der Inhalte und Ziele ab-

sprechen.

13

Stufe 1 und Stufe 2 beschreiben fächerübergreifenden Unterricht.

In Stufe 3 wird eine „[p]lanungsbezogene Parallelarbeit“21 durchgeführt.

Ausgangspunkt ist ein Thema, das in mindestens zwei Fächern behan-

delt werden kann oder muss. Methoden, Inhalte und Ziele werden von

den Lehrkräften gemeinsam erarbeitet. Während des Themas tauschen

sich die beteiligten Lehrer regelmäßig aus. Während dieser Zeit muss

es möglich sein, Unterrichtsstunden zu tauschen, da Inhalte eines Fa-

ches abgeschlossen sein müssen, um in einem anderen Fach weiterar-

beiten zu können.

Die letzte Stufe (4) kennzeichnet eine „[p]lanungsbezogene Gemein-

schaftsarbeit“.22 Während eines Themas erfolgt der gesamte Unterricht

gemeinschaftlich. Auffällig ist, dass der Unterricht zeitweilig nicht einem

Fach zugeordnet werden kann, obwohl alle Fächer gleichberechtigt teil-

haben.

Stufe 3 und 4 kennzeichnen den fächerverbindenden Unterricht, dessen

Merkmal eine veränderte Struktur der Fächer ist. Der Fachunterricht

wird abgelöst durch einen Unterricht, in dessen Mittelpunkt das Thema

steht, welches mit den Möglichkeiten der beteiligten Fächer erarbeitet

wird.

3.2 Fächerübergreifende Aspekte im bisherigen Unterricht

In einem gewissen Umfang ist das Vorhandensein fächerübergreifender

Aspekte im Fachunterricht nichts Ungewöhnliches. So kann es bei-

spielsweise beim Anfertigen von Versuchsprotokollen notwendig sein,

Inhalte des Deutschunterrichtes – Rechtschreibung und Grammatik -

aufzugreifen. In den naturwissenschaftlichen Fächern ist auch die Ver-

wendung von Inhalten aus dem Mathematikunterricht häufiger notwen-

dig. Das Beherrschen von Dreisatz und Prozentrechnen sollte spätes-

tens ab Schuljahrgang 8 vorausgesetzt werden können, da es in den

Klassen 7 und 8 bereits weitergehend behandelt wird.23 Dennoch kann

es notwendig sein, das Prozentrechnen im naturwissenschaftlichen Un-

14

terricht zu wiederholen, um sicherzustellen, dass Aufgaben des Fach-

unterrichtes bearbeitet werden können.

Potenzschreibweisen sind in den Fächern Chemie und Physik üblich

und sinnvoll, um Zahlen in den fachüblichen Größen darstellen zu kön-

nen. Da die Schüler hier früher als im Mathematikunterricht mit Poten-

zen konfrontiert werden, ist ein fächerübergreifender Exkurs notwendig.

Eine Auseinandersetzung mit dem Fach Mathematik ist auch bei der

Definition des pH-Wertes notwendig. Der Ausdruck „negativ dekadi-

scher Logarithmus“ als Erklärung für den pH-Wert ergibt für die Schüler

nur dann einen Sinn, wenn Logarithmen bereits behandelt wurden.

Diese Problem ist seit Langem bekannt, ebenso wie die Notwendigkeit

einer Zusammenarbeit zwischen Mathematik und den naturwissen-

schaftlichen Fächern. Die Rahmenrichtlinien für die Naturwissenschaf-

ten übergeben diese Verantwortung an die Schulen, indem sie fordern,

dass in diesen Fächern ein schulbezogener, abgestimmter Arbeitsplan

entworfen wird.24 Das entspricht laut Beckmann der zweiten Stufe des

fächerübergreifenden Unterrichts. Die Rahmenrichtlinien schlagen wei-

terhin vor, die Aspekte „Fächerübergreifendes Arbeiten“ und „Verknüp-

fung von Themen aller Naturwissenschaften“ im Unterricht zu verwen-

den.25

Für die mittlerweile in Niedersachsen abgeschaffte Orientierungsstufe

gab es folgende Empfehlung:

„Die Fächer Biologie und Physik/Chemie liegen nach Möglichkeit in der Hand einer Lehrkraft, um epochalen und fächerübergreifenden Unter-richt zu erleichtern. Auf Beschluss der Fachkonferenzen Biologie und Physik/Chemie und mit Zustimmung des Schulelternrates können die beiden Fächer in einem Fach Naturwissenschaften fächerübergreifend unterrichtet werden.“26

Im naturwissenschaftlichen Fachunterricht ist es also nicht ungewöhn-

lich, die Grenzen des Faches zu verlassen, um Inhalte aus anderen Fä-

chern zu vermitteln oder zumindest zu wiederholen.

15

3.3 Gründe für fächerübergreifenden und fächerverbindenden Unterricht

Der vorfachliche Sachunterricht der Primarstufe soll auf die naturwis-

senschaftlichen Fächer Biologe, Chemie und Physik der Sekundarstufe

vorbereiten, so dass hier bereits das Prinzip des fächerverbindenden

Unterrichts zur Anwendung kommt. Begründet wird dieser vorfachliche

Unterricht mit entwicklungspsychologischen Aspekten: Schüler in die-

sem Alter verarbeiten die Inhalte besser, wenn Vorgänge vom Allgemei-

nen zum Detail (Deduktive Methode) behandelt werden.27

Die ansonsten an den meisten deutschen Schulen praktizierte Teilung

des naturwissenschaftlichen Unterrichts entspricht den Studiengängen

an den Universitäten. Für Schüler bringt diese Teilung keinen Vorteil,

da sie, wenn sie einen der drei Studiengänge einschlagen, feststellen,

dass es in den Fachwissenschaften notwendig ist, Fachwissen und Me-

thoden aus anderen Fachwissenschaften zu beherrschen.

Fachunterricht fördert die Kategorisierung des Wissenserwerbs, diese

Strukturierung hilft Schülern, ihr Wissen einzuordnen und zu rekonstru-

ieren28: „Das kenne ich aus dem Chemieunterricht!“ Damit sind aller-

dings auch Nachteile verbunden. Wird ein Fach abgelehnt, was bei na-

turwissenschaftlichen Fächern durchaus vorkommt, werden Aspekte

dieses Fache in anderen Fächern und auch im Alltag schnell abgelehnt:

„Das ist Chemie, davon hab ich eh keine Ahnung.“

Die Kategorisierung des Wissens in Unterrichtsfächer führt zu unge-

wöhnlichen Ergebnissen. Erlerntes Wissen aus einem Fach steht in ei-

nem anderen nicht mehr zu Verfügung, aus dem einfach Grund, dass

es sich um ein anderes Fach handelt. Die mangelnde Fähigkeit des

Transferdenkens kann in einem Fach wie Naturwissenschaft besser ge-

fördert werden. Themen werden nicht mehr aus dem Blickwinkel eines

Faches behandelt, sondern jedes verwendbare Wissen, jede verwend-

bare Methode kann herangezogen werden. Diese Fähigkeit ermöglicht

es den Schülern leichter ihr Fachwissen auf unterschiedliche, auch

fachfremde, Sachverhalte anzuwenden. Das Wissen lässt sich dann

16

auch außerhalb der Schule besser einsetzen und wird nachhaltiger.

3.4 Kritik am fächerübergreifenden und fächerverbindenden Unterricht

Nordrhein-Westfalen führte im 2003 das Fach Naturwissenschaften für

die Jahrgangsstufen 5 und 6 ein, das die einzelnen Fächer Biologie,

Physik, Chemie ablösen sollte.29 Am 15. Juli 2005 wurde dieser Be-

schluss rückgängig gemacht. Schulen, die den Unterricht schon umge-

stellt hatten, können diesen bis Ende des Schuljahres 2005/2006 fort-

setzen. Barbara Sommer, Ministerin für Schule und Weiterbildung des

Landes Nordrhein-Westfalen erklärte, dass der Unterricht im Fach Na-

turwissenschaften

„[..] nach Auffassung der neuen Landesregierung nicht zur Verbesse-rung der naturwissenschaftlichen Bildung bei[trägt]. Er würde Nord-rhein-Westfalen im nationalen und internationalen Vergleich zurückwer-fen. Wir haben daher auch für diese Jahrgangsstufen den einzelfachli-chen Unterricht wieder eingeführt.“30 Um die naturwissenschaftliche Bildung der Schüler zu verbessern,

schlug sie neben der Fächertrennung Folgendes vor:

„Wir müssen stärker als bisher vorhandenes Interesse nutzen, um ih-nen ein tiefer gehendes Verständnis von naturwissenschaftlichen Fak-ten, Methoden und Sichtweisen zu vermitteln. Und schließlich müssen wir den Jugendlichen in der Schule vielfältigere Gelegenheiten geben, ihr Wissen und ihre Methodenkompetenz in unterschiedlichen Situatio-nen einzuüben und anzuwenden.“31

Diesen letzten Aussagen kann man nur zustimmen, allerdings lassen

sich diese im fächerverbindenden Unterricht sehr gut verwirklichen. Es

ist daher verwunderlich, dass Sommer diese Forderungen im Zusam-

menhang mit der Trennung des Faches Naturwissenschaft in Biologie,

Physik und Chemie nennt und die Ansicht vertritt, sie ließen sich „sinn-

voller mit einer klaren fachlichen Orientierung in einem nach den einzel-

nen Fächern Biologie, Chemie und Physik differenzierten Unterricht“

verwirklichen, „in dem die Lehrerinnen und Lehrer sich auskennen, mit

dem sie umgehen können und wo sie hohe fachliche Kompetenz ha-

ben“.32

17

Da Real- und Hauptschullehrer in nur zwei Fächern ausgebildet wer-

den, ist davon auszugehen, dass sie mindestens in Bezug auf eines der

drei naturwissenschaftlichen Fächer eine niedrigere Kompetenz aufwei-

sen. Unterrichten sie nur ein naturwissenschaftliches Fach, ist ihre

Kompetenz sogar hinsichtlich zweier Fächer eingeschränkt. Wichtig ist

allerdings ein Hinweis auf die Anzahl der Fächer, die üblicherweise von

Lehrern an Haupt- und Realschulen unterrichtet werden: Die meisten

Lehrer unterrichten nämlich mehr als zwei Fächer, so dass es nicht un-

gewöhnlich ist, fachfremd zu unterrichten. Da darüber hinaus auch im

Studium fächerübergreifende Kenntnisse notwendig sind, scheint das

Problem insgesamt gesehen nicht allzu gravierend zu sein.

Sollte sich ein Fach wie Naturwissenschaft durchsetzen, wäre dennoch

eine veränderte Lehrerausbildung sinnvoll und nötig, um die Vorteile ei-

nes fächerverbindenden naturwissenschaftlichen Unterrichts optimal zu

nutzen. Das Problem, dass eine derartige Veränderung aber nur mög-

lich ist, wenn auch das Fach Naturwissenschaften bereits besteht, lässt

sich wahrscheinlich nur über einen Kompromiss lösen, der lauten kann:

Die Lehrer müssen erst einmal einige Zeit fachfremd im Fach Naturwis-

senschaft unterrichten, bis dieses so weit etabliert ist, dass sich eine

Änderung in der Ausbildung lohnt.

3.5 Gründe für einen fächerverbindenden Unterricht in Biologie, Chemie und Physik

Die Zahl der Erkenntnisse in den Naturwissenschaften steigt kontinuier-

lich an, dabei werden vorhandene Erkenntnisse bestätigt, ergänzt oder

sogar für falsch befunden. Der Mensch ist seit jeher von Phänomen um-

geben, die ohne naturwissenschaftliche Erkenntnisse nur als willkürlich

hingenommen oder als fremdgesteuert erklärt werden konnten. Mysti-

sche Erklärungen wurden und werden durch naturwissenschaftliche Er-

klärungen immer mehr verdrängt. Heute haben Phänomene natürlichen

Ursprunges ihren festen Platz in den Rahmenplänen des naturwissen-

schaftlichen Unterrichts. Dieser hat unter anderem die Aufgabe, den

Schülern neben dem Fachwissen, das notwendig ist, um Phänomene

18

zu erklären, auch die Fähigkeit der Erkenntnisgewinnung zu vermit-

teln.33 Durch den rasanten Fortschritt in den Naturwissenschaften wer-

den immer neue Technologien entwickelt, die im Alltag des modernen

Menschen Einfluss haben:

● Die Entdeckung und Nutzung der Atomenergie, die heute trotz

ihrer Gefahren - oder gerade wegen dieser Gefährlichkeit (Nu-

klearwaffen) - einen hohen Stellenwert in vielen Gesellschaften

der Welt einnimmt.

● Alternative Energien wie Solarenergie und Windkraft.

● Die Mikroelektronik, die in der zweiten Hälfte des letzten Jahr-

hunderts zu einer Vielzahl neuer Technologien geführt hat, wel-

che heute unseren Alltag bestimmen.

● Medizin: neue Diagnoseverfahren, welche das Röntgenverfahren

ergänzen und verdrängen: Computertomografie, Magnetreso-

nanztomographie, Positronen-Emissions-Tomographie.

● Bio-/Chemiewaffen und vieles mehr.

Dieses Wissen, das unsere Kultur und unseren Alltag prägt, macht es

notwendig, den Schülern ein ausreichendes Fachwissen mit entspre-

chendem Fachvokabular zu vermitteln und sie zu befähigen, naturwis-

senschaftliche Sachverhalte zu erkennen, zu bewerten und daraus ei-

gene Schlussfolgerungen zu ziehen. Spätestens seit den Ergebnissen

der PISA-Studie 2000 hat diese naturwissenschaftliche Grundbildung

(Scientific Literacy34) an Bedeutung gewonnen. Diese Forderung findet

sich in Form von Kompetenzen (Fachwissen, Kommunikation, Bewer-

tung, Erkenntnisgewinnung) in den aktuellen Bildungsstandards wie-

der.35

Aktuelle Probleme oder Ereignisse sollen im naturwissenschaftlichen

Unterricht behandelt werden. Diese, wie zum Beispiel Ozon, Feinstaub,

Klimawandel, sind nicht hinreicht im Fachunterricht zu klären. Die Aus-

einandersetzung mit diesen Themen erfordert vernetztes Denken, um

der Komplexität der Themen gerecht zu werden.

Neben einer reinen Notwendigkeit handelt es sich hierbei aber auch um

eine Gelegenheit, die Schüler zu aktivieren. Themen, welche sie selbst

betreffen, interessieren sie stärker also solche, zu denen sie keinen Be-

19

zug haben: „Neugier als intrinsische Motivation ist eine ganz wesentli-

che Voraussetzung kognitiven Lernens.“36 Diese Alltagsbezüge bieten

Verknüpfungspunkte für die Inhalte des naturwissenschaftlichen Unter-

richts. Edelmann behauptet, Vorkenntnisse seien wichtiger als allgemei-

ne Fähigkeiten. Nur mit Vorkenntnissen könne neuer Stoff assimiliert

werden.37 Alltagserfahrungen werden zum Anlass genommen, Themen

im Unterricht zu behandeln und das Gelernte wird wieder im Alltag an-

gewandt.

Seit den Ergebnissen der TIMMS- und PISA-Studien wird mehr Vernet-

zung in Form von Intra- und Transdisziplinarität im naturwissenschaftli-

chen Unterricht gefordert. Um eine horizontale Vernetzung (Transdiszi-

plinarität) zu erreichen, ist es notwendig, fächerübergreifend, besser

noch fächerverbindend zu unterrichten. Die vertikale Vernetzung lässt

sich im themenorientierten, mehrfachlichen Unterricht besser umsetzen

als im klassischen Fachunterricht, da immer wieder neue Anknüpfungs-

punkte entstehen können.

3.6 Koppelung der Fächer Physik und Chemie

Die Wissenschaften Chemie und Physik besitzen trotz der vordergrün-

digen Verschiedenheit grundlegende Gemeinsamkeiten. Gerade im Be-

reich der Grundlagen, welche auch in der Schule gelehrt werden, gibt

es Übereinstimmungen wie zum Beispiel Atombau, Entstehung von

Licht und anderen Strahlungen, Ladung und Strom.

In den Rahmenrichtlinien wird vorgeschrieben, dass im Physikunterricht

der 7. und 8. Klasse die Elektrizitätslehre zu behandeln ist.38 Als Vor-

aussetzung dafür wird das Atommodell genannt und eine Verknüpfung

mit dem Chemieunterricht vorgeschlagen. Der Atombau ist laut Rah-

menrichtlinien Thema der 9. Klasse. Innerhalb des Themas Atombau

wird die Elektrolyse behandelt, die gut von den Kenntnissen der Elektri-

zitätslehre profitieren kann. Der Vorteil einer Fächerkoppelung kann

hier kaum in Frage gestellt werden.

Während manche Themen des Physik- und Chemieunterrichts redun-

20

dant sind, wie am Beispiel des Atommodells gezeigt, verhalten sie sich

an anderen Stellen komplementär. Als gutes Beispiel dient hier die

Elektrochemie. Neben der Besprechung und Anwendung von Oxidati-

ons-/Reduktions-Reaktionen liegt ein Schwerpunkt in der Anwendung

(Elektrolyse, elektrisches Element, Galvanisieren etc.). Für die Ausein-

andersetzung ist es für die Schüler notwendig, (physikalisches) Fach-

wissen wie Spannung und Stromstärke inklusive Messverfahren oder

Aufbau von Reihen- und Parallelschaltungen aus dem Bereich der elek-

trischen Stromkreise parat zu haben.39 Bedingt durch dieses Verhältnis

des zu vermittelnden Fachwissens im Chemie- und Physikunterricht ist

es sinnvoll, wenn nicht sogar notwendig, dass die Inhalte des Fachun-

terrichts von den beiden entsprechenden Lehrkräften eines Klassenver-

bandes koordiniert werden, sofern es sich nicht um dieselbe Person

handelt.

3.7 Fächerkoppelung Biologie und Chemie

Die Überschneidungen zwischen den Unterrichtsfächern Biologie und

Chemie sind weniger offensichtlich als zwischen den Fächern Physik

und Chemie. Im Bereich der modernen Biologie ist die Chemie aller-

dings ein selbstverständliches „Handwerkszeug“, da sich biologische

Phänomene häufig nur durch Abläufe auf Molekülebene erklären las-

sen. Die Fachrichtung Biochemie zeigt, wie vernetzt beide Wissen-

schaften miteinander sind. Es ist daher sinnvoll, diese Vernetzungen

auch im Unterricht zum Thema zu machen.

In der Schule liegt der Schwerpunkt der Biologie in einem anderen The-

menbereich: Die Biologie trägt über die Auseinandersetzung mit dem

Lebendigen zur Erschließung der Welt bei.40 Moderner Biologieunter-

richt sollte humanzentriert sein,41 dennoch bieten die drei Bereiche

„System“, „Struktur und Funktion“ sowie „Evolution“ Anknüpfungspunkte

für das Fach Chemie oder benötigen Grundwissen aus der Chemie. Die

Mathematisierung, insbesondere die Formalisierung42, die typisch für

den Physik- und Chemieunterricht ist,43 kann und sollte in der Biologie

nicht vermieden werden.

21

Die sinnvolle Vernetzung von Biologie- und Chemieunterricht soll am

Beispiel des Themas Fotosynthese verdeutlicht werden: Im Laufe der

Unterrichtseinheit wird üblicherweise die Reaktionsgleichung

besprochen und in der Lernzielkontrolle abgefragt. Die Aussage „aus

Kohlendioxid wird Zucker und Sauerstoff“ wird zu einer Formel, die

ohne sichere Chemiekenntnisse nur eine Abfolge von Buchstaben, Zah-

len und Operanden ist. Die Frage „Warum kann man

12H 2Ound 6H 2O nicht kürzen?“ ist durchaus legitim, wenn man die

verschiedenen Abläufe, die zur Gesamtreaktion führen, nicht kennt. Fä-

cherverbindender Unterricht ermöglicht es den Schülern hier, die Foto-

synthese aus einer anderen, der chemischen, Perspektive zu betrach-

ten und zu einem tiefer gehenden Verständnis zu gelangen.

6CO212H 2OC6H 12O66O2 6H2O

Abbildung 4: Vernetzung des Themas Ladung

23

4 Unterrichtseinheit: Ladung im fächerverbindenden naturwissenschaftlichen Unterricht

Die Unterrichtsreihe ist für die Sekundarstufe 1 mit dem Schwerpunkt

Realschule konzipiert. Für die Inhalte wurden die Vorgaben der Rah-

menrichtlinien44 und die Bildungsstandards in den Fächern

Biologie/Chemie/Physik für den mittleren Schulabschluss45 46 47berück-

sichtigt. Die Module können ebenso an der Hauptschule verwendet

werden, gegebenenfalls müssen einzelne Inhalte angepasst werden.

Eine genaue Angabe für die Jahrgangsstufe ist nicht sinnvoll, da die

Themen laut Rahmenrichtlinien alle Jahrgangsstufen betreffen. Unter

diesen Voraussetzungen bieten sich die Jahrgangsstufen 8 und 9 an.

Die Vorgaben der Bildungsstandards lassen den Schulen mehr Freiheit

in Bezug auf Themenwahl und -reihenfolge. Dadurch besteht die Mög-

lichkeit, das Thema Ladung als verbindendes Zentrum für verschiedene

Themen zu nutzen und sich über diese Verbindung Zugang zu den ver-

schiedenen Themen zu verschaffen.

Die Unterrichtseinheit ist nicht in Unterrichtsstunden unterteilt, sondern

in Module. Durch die Verwendung von Modulen ist man nicht auf Schul-

stunden festgelegt. Ein Modul wird sich meist über mehrere Schulstun-

den erstrecken, abhängig von den bisherigen Unterrichtsthemen und

der weiteren Planung, z.B. welche Themen im Anschluss an diese Rei-

he behandelt werden sollen. Entsprechend den Kenntnissen der Schü-

ler kann es notwendig sein, Inhalte eines Moduls länger zu behandeln.

Dies trifft in besonderem Maße zu, wenn Bereiche bisher noch nicht be-

handelt wurden.

Da diese Einheit drei Schulfächer betrifft und verbindet, muss im Vor-

feld der Ablauf unter Berücksichtigung des Stundenplans der beteiligten

Schüler und Lehrer sowie der Raumbelegung abgestimmt werden. Für

die beteiligen Lehrer, sofern es sich nicht nur um eine Person handelt,

ist es notwendig, vor Beginn einer fächerverbindenden Reihe, am Bes-

24

ten zu Beginn des Schuljahres, die Themen und ihre Reihenfolge ge-

nau abzusprechen und gemeinsam zu planen.

Modul Thema Versuche Alltagsbezug1 Einführung in die Elektrostatik Versuche 1-3 zur

Elektrostatik von

Nichtleitern

- Haftenbleiben von

Plastik

- Aufrichten der Haare

beim Kämmen2 Elektrostatik durch bewegte Elektronen Versuch 3 Glimmlampe

Versuch 4 Elektroskop

- „einen gewischt

bekommen“

- ESD-Warnung bei PC-

Komponenten3 Welche Richtung hat der elektrische Strom? Permanganat-

Ionenwanderungs-

Versuch4 Vertiefung Strom: Größen und Einheiten Erfahrungen mit den

Einheiten des Stroms 5 Elektrolyse von Wasser Elektrolyse von Wasser Alternative Energien:

Wasserstoffantrieb6 Strom und der tierische Körper Kniereflex Medizinische

Anwendungen7 Gefahren des Stroms Angst vor Strom,

Berichte über Stromunfälle

26

4.1 Begründung

Der erst einmal abstrakte Begriff Ladung hat wenig Bedeutung für die

Schüler. Innerhalb dieser Reihe ist das Thema Ladung der rote Faden,

der sich durch alle Module zieht. Als Ausgangspunkt führt er zu ver-

schiedenen Themen, die in der Sekundarstufe 1 behandelt werden sol-

len. Dabei werden folgende Themen der Rahmenrichtlinien48 oder Teile

davon angesprochen:

- Stoffe und Eigenschaften, Chemische Reaktionen, Atombau, Kunst-

stoffe und Elektrochemie (Chemie),

- die Elektrizitätslehre (Physik),

- Bau der Nerven, Reizaufnahme und Reizleitung aus dem Bereich Sin-

nesleistung und Verhalten der Biologie.

Die entsprechenden Themen finden sich auch in den aktuellen Bil-

dungsstandards der einzelnen Fächer wieder.49 In der folgenden Tabel-

le ist aufgeführt, welche Kompetenzen während diese Reihe trainiert

werden. In den Bereichen Erkenntnisgewinnung, Kommunikation und

Bewertung ergeben sich Überschneidung, welche durch den fächer-

übergreifenden Unterricht auch gewollt sind.

Abbildung 5.

Kompetenzbereich Biologie Chemie PhysikFachwissen F1.2, F1.4,

F2.4

F1.1 F1.2, F1.3,

F3.1, F3.4,

F4.1

F1,F2,F3,F4,

Erkenntnisgewin-

nung

E5, E6, E7 E1, E3, E4, E5,

E7

E1, E3, E5, E6,

E7, E8

Kommunikation K1, K2, K10 K4, K5, K6, K7,

K8, K9, K10

K1, K2, K4, K5,

K6, K7Bewertung B2, B3 B2, B3, B4, B6 B1, B3

27

Es wurde Wert darauf gelegt, dass es immer wieder die Möglichkeit für

die Schüler gibt, Vorwissen aus dem Alltag oder vorherigem Unterricht

einzubringen. Neue Fakten und Erfahrungen werden mit bereits Gelern-

tem in Verbindung gebracht und daraus neues Wissen gemäß dem

konstruktivistischen Ansatz generiert.50 51 Weiterhin sollten die Inhalte

Bezug zu der Lebenswelt der Schüler haben. Elektrostatische Aufla-

dung, Strom, Ladungsmengen und Unfallverhütung sind Themen, mit

denen die meisten Schüler außerhalb der Schule in unterschiedlicher

Häufigkeit Erfahrung gemacht haben und mit denen sie auch in Zukunft

Kontakt haben werden. Die erlernten Methoden, Kenntnisse und Kom-

munikationsfähigkeiten lassen sich in verschiedenen anderen Berei-

chen anwenden.52 Hurrelmann betont die Wichtigkeit des Alltagsbezugs

schulischer Inhalte:

„Die Schüler vermissen in erster Linie einen Subjekt- und Anwendungs-bezug der inhaltlichen und formalen Lernprozesse in der Schule: Sie wollen sich selbst und die Welt mithilfe der Lerninhalte besser begreifen [...]. Sie kritisieren, daß das schulische Wissen weder in der alltäglichen Kommunikation noch in der Perspektive einer möglichen beruflichen Praxis [...] brauchbar [...] sei.“53 Da naturwissenschaftlicher Unterricht Experimentalunterricht ist, wurde

Wert auf Versuche gelegt, die möglichst selbstständig von den Schülern

durchgeführt werden können. Die Bildungsstandards geben vor, dass

die Schüler Untersuchungen planen, diese durchführen, dabei die ent-

sprechenden Arbeitsschritte beherrschen und diese abschließend aus-

werten.54 Experimente sind daher ein zentraler Bestandteil des natur-

wissenschaftlichen Unterrichts und bieten vielfältige Vorteile: Sie ma-

chen die Schüler auf Phänomene aufmerksam und regen sie zur weite-

ren Auseinandersetzung an. Neben dem fachlichen Wissen werden

handwerkliche Fähigkeiten geübt; durch die selbstständige Erarbeitung

bleibt das Erfahrene länger im Gedächnis und besonders wenn das Ex-

periment positiv ausfällt, wird die kognitive Auseinandersetzung durch

affektive-emotionale Komponenten verstärkt.55 56 57

Die Schülerversuche sind immer als Gruppenarbeit angelegt, zum

einen aus dem rein praktischen Grund, dass selten genug Material und

Platz für jeden einzelnen Schüler vorhanden sind. Der wichtigere Grund

28

ist allerdings, dass durch die Gruppenarbeit sowohl soziale Kompeten-

zen als auch bessere Lernerfolge erzielt werden.58

Ob in einem Klassenverband Schülerexperimente durchgeführt werden

können, hängt von dem Gefahrenpotenzial der Experimente, der Anzahl

der verschiedenen gleichzeitig durchgeführten Experimente und der Ar-

beitsdisziplin der Schüler ab. Aufgrund dieser Faktoren ist es nicht mög-

lich, die Durchführung von Schülerexperimenten allein von der Schüler-

zahl abhängig zu machen.59 Die verwendeten Substanzen (Wasser, Na-

triumsulfat, Kaliumpermanganat) lassen sich über den Abfluss entsor-

gen. Dennoch sollte das Thema Chemikalienentsorgung thematisiert

werden.

Die Arbeitsblätter sind alle ähnlich aufgebaut: Neben der Materialliste

und der Versuchsbeschreibung ist Platz für Beobachtungen und Vermu-

tungen bzw. Erklärungen. Beobachtungen und die Erklärungsversuche

sind bewusst getrennt, da bei den Versuchen trainiert werden soll, erst

einmal nur zu beobachten und diese Beobachtungen genau zu be-

schreiben. Erst im nächsten Schritt soll probiert werden, diese Beob-

achtungen zu deuten. Zusätzlich zu den Arbeitsblättern gibt es Lö-

sungsbögen für Lehrer, welche die erwarteten Beobachtungen beinhal-

ten und Erklärungen für diese. Die Erklärungen sind ausführlicher als

die von den Schülern erwarteten. Ergänzt werden die Lösungsblätter

durch Anmerkungen, die Probleme und weitere Informationen enthal-

ten. Die Sachanalyse entfällt in einigen Modulen, da diese Inhalte im

ersten Teil der Arbeit und in den Lösungsbögen diskutiert werden.

29

4.2 Modul 1 - Einführung in die Elektrostatik

Da die Stundeninhalte bereits im ersten Teil der Arbeit dargestellt wor-

den sind und auch in den Lösungsblättern vorhanden sind, wird an die-

ser Stelle auf wiederholende Ausführungen verzichtet.

4.2.1 Lernziele

Die Schüler sollen

- die Erklärung, dass durch Reibung bei Nichtleitern eine Kraft entsteht,

selbst entwickeln.

- lernen, dass das Reiben bestimmter Materialien zur Ladungstrennung

führt.

- feststellen, dass das Abstoßen und Anziehen materialabhängig ist.

- erkennen, dass gleiche Materialien sich abstoßen.

- den Begriff Polarisation kennen lernen und den Vorgang beschreiben

können.

- den geschichtlichen Ursprung der Elektrostatik kennen lernen.

4.2.2 Didaktisch-methodische Überlegungen

Auswirkungen der Elektrostatik sind seit fast 3000 Jahren bekannt.

Wahrscheinlich haben alle Schüler die Folgen von Elektrostatik schon

einmal zu spüren bekommen: schmerzhafte Entladung beim Aussteigen

aus dem Auto, das Knistern beim Ausziehen eines Pullovers, das „Flie-

gen“ der Haaren nach dem Kämmen oder das Haftenbleiben einer Bon-

bonverpackung an den Händen. Aufgrund der Abhängigkeit der elektro-

statischen Aufladung von Luftfeuchtigkeit und den beiden beteiligen

Materialien wird das Phänomen für die Schüler ein zufälliges sein, das

sie nicht vorhersehen können.

Der Einstieg in das Modul erfolgt über das Vorführen des Haftenblei-

bens einer glatten Bonbonverpackung an der Hand. Dieses zuerst un-

erklärliche Verhalten wird bei den Schülern sicher Interesse wecken.

Zu Beginn des Moduls sollen die Schüler erst einmal frei spekulieren,

30

warum die Bonbonverpackung „kleben bleibt“. Ziel dieser Phase ist

nicht, eine Erklärung zu finden, sondern den Schülern die Möglichkeit

zu geben, selbst Vermutungen aufzustellen. Dabei werden auch die

schwächeren Schüler angesprochen, da keine richtige Antwort erwartet

wird. Als Gründe werden wahrscheinlich Magnetismus, Reibung/Wärme

und Elektrizität genannt.60 In dieser Phase bietet sich für die Lehrperson

die Möglichkeit, die Erfahrungen und Vorkenntnisse der Schüler kennen

zu lernen.

Die drei Versuche werden als Stationen aufgebaut und von den Schü-

lern in Gruppen bearbeitet. Entsprechend der Schülerzahl sind die Sta-

tionen mehrmals aufzubauen. Pro Station sollten etwa fünf Minuten ein-

geplant werden. Bringen die Schüler eigene Ideen zu den Versuchen

ein, wie z.B. den Vorschlag, anderes Material zu verwenden, können

diese gleich aufgegriffen werden. Während der Stationsarbeit werden

Beobachtungen und Vermutungen von den Schülern notiert. Im nachfol-

genden Unterrichtsgespräch werden die Ergebnisse gesammelt und

verglichen. Falsche Lösungskonzepte werden dabei geklärt. Im Lehrer-

vortrag wird die Geschichte der Entdeckung der Elektrostatik vermittelt.

Der Begriff Elektron leitet zu einer vertiefenden Betrachtung der Aufla-

deversuche über. Sollten die Schüler bisher noch kein Atommodell ken-

nen gelernt haben, muss dies an dieser Stelle nachgeholt werden, da

diese Kenntnisse für den weiteren Verlauf notwendig sind. Die Versu-

che werden noch einmal vor dem Hintergrund des gerade erworbenen

Wissens über die Elektronen betrachtet, wobei der Begriff Polarisation

eingeführt wird. Die Folie „Polarisation“ unterstützt die Schüler dabei,

eine Vorstellung von diesem Vorgang zu entwickeln. Wenn es nicht be-

reits geschehen ist, wird zum Abschluss des Modul noch einmal auf

den die Bonbonverpackung eingegangen. Für die Schüler sollte es jetzt

kein Problem mehr sein, die Gründe für das Haftenbleiben zu erklären.

Die Aussage, dass die Reibung für die Ladungstrennung und somit für

das entstehende Feld verantwortlich ist, ist nicht richtig, da das Reiben

den eigentlichen Vorgang lediglich verstärkt (vgl. hierzu auch Kapitel

2.3.1 „Aufladung“). Da die korrekte Erklärung für die Schüler aber zu

31

komplex ist und sie nur verwirren würde, erscheint es vertretbar, das

Reiben als Ursache gelten zu lassen. Gleichzeitig ist es dann auch

möglich, die Energieerhaltung, welche im nächsten Modul zum Inhalt

gehört, zu besprechen, da die Energie, die in Form von Reibung inves-

tiert wird, als Bewegung im Elektroskop bzw. als Leuchten der Glimm-

lampe frei wird (vgl. Modul 2).

4.2.3 Möglicher Verlauf

Phase Lern- und Unterrichtsschritte Sozialform MedienEinstieg Beim Auspacken bleibt die Bonbonverpackung an der Hand haften. LDProblemstellung Warum haftet die glatte Verpackung an den Händen? Hustenbonbon, einzeln

verpacktVermutungsphase Schüler äußern Vermutung, warum die Verpackung haftet. Dabei können

und sollen Alltagserfahrungen mit eingebracht werden.

UG

Erarbeitung Die Schüler erarbeiten die Wirkung der Elektrostatik in Gruppen. Es

stehen drei verschiedene Versuche zur Verfügung. Die Versuche werden

mit Vermutungen bzw. Erklärungen protokolliert.

GA Stationen,

Arbeitsblätter

Präsentation und

Auswertung

Die Gruppen präsentieren ihre Versuche und Schlussfolgerungen.

Falsche oder unvollständige Ergebnisse werden im Unterrichtsgespräch

geklärt.

GA, UG

Vertiefung Herkunft des Wortes Elektrostatik. Im Gespräch wird der Sachverhalt,

dass durch Arbeit (in diesem Fall Reibung) die Ladungen getrennt

werden und Kräfte entstehen, die zur Folge haben, dass sich Objekte

anziehen oder abstoßen, vertieft und gesichert. Dabei wird der Begriff

Polarisation eingeführt.

LV, UG Folie „Polarisation“

33

Elektrostatik-Versuch 1

Material - Luftballon

- 10 unterschiedlich große Papierschnipsel

- Wollstück: Wolltuch oder Pullover

Arbeitsanweisung

a) Blast den Luftballon auf und probiert, welche Wirkung der Luft-

ballon und die Papierschnipsel aufeinander haben.

b) Danach schaut, welche Wirkung der Ballon auf eure Unterarme

oder euren Kopf hat. Untersucht, wie sich die Wirkung verstärken

lässt.

Beobachtung(en):

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__________________________________________________

__________________________________________________

__________________________________________________

__________________________________________________

__________________________________________________

Vermutung/Erklärung:

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__________________________________________________

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34

Elektrostatik Versuch 2


- 1 Stück Overhead-Folie oder Prospekthülle

- Wollstück (Wolltuch oder Wollpullover)

- Glasstab

- Papier

Arbeitsanweisung

Lasst ein Stück OHP-Folie über das Tischende hängen und fixiert es

mit einem Buch auf dem Tisch. Streicht danach ein paar Mal mit

dem Wolltuch über die OHP-Folie.

a) Reibt den Ballon mit dem Wollstück und bewegt ihn auf die OHP-

Folie zu.

b) Wiederholt dies mit einem Glasstab, der ebenfalls mit dem Woll-

stück gerieben wurde. Probiert das Ganze noch einmal, nachdem ihr

den Glasstab an Papier gerieben habt.

Beobachtung(en):__________________________________________________

__________________________________________________

__________________________________________________

__________________________________________________


__________________________________________________

__________________________________________________

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35


Material - 2 Luftballons

- durchsichtiger Teil einer CD-Hülle

- Faden

- Wollstück (Wolltuch oder Pullover)

- Stativ

Arbeitsanweisung

Blast zwei Luftballons auf. Befestigt einen der beiden Luftballons

mit dem Faden an dem Stativ und reibt mit der Wolle kurz über die-

sen Ballon. Reibt dann mit dem Wolltuch über den zweiten Ballon

und versucht mit diesem den befestigten Ballon zu bewegen, ohne

ihn zu berühren. Wiederholt dies mit der CD-Hülle, die ihr zuvor mit

dem Wolltuch gerieben habt. Untersucht, wie sich die Wirkung ver-

stärken lässt.

Beobachtung(en):

__________________________________________________

__________________________________________________

__________________________________________________

__________________________________________________

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__________________________________________________

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__________________________________________________

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36

Lösung zum Elektrostatik-Versuch 1


- 10 unterschiedlich große Papierschnipsel

- Wollstück: Wolltuch oder Pullover

Arbeitsanweisung

a) Blast den Luftballon auf und probiert, welche Wirkung der Luft-

ballon und die Papierschnipsel aufeinander haben.

b) Danach schaut, welche Wirkung der Ballon auf eure Unterarme

oder euren Kopf hat. Untersucht, wie sich die Wirkung verstärken

lässt.

Beobachtungen

a) Nachdem der Luftballon aufgeblasen und mit dem Wolltuch gerieben wurde,

fliegen die Papierschnipsel vom Tisch zu dem Ballon, sobald man diesen nahe

genug herangeführt hat. Durch längeres Reiben kann man die Entfernung, in

der sich Luftballon und Papierschnipsel noch anziehen, erhöhen.

b) Der Luftballon zieht die Haare an sich heran. Auf den Unterarmen kann man

die Kraft des Ballons spüren.

Erklärung

Durch das Reiben des Luftballons werden die Ladungen getrennt. Die Elektro-

nen des Ballons werden auf das Wolltuch abgestreift. Die entgegengesetzten

Ladungen werden entsprechend der triboelektrischen Reihe räumlich getrennt.

Wolle befindet sich näher am positiven Ende der Reihe, während Kautschuk

sich näher am negativen Ende befindet. Das bedeutet, dass die Wolle Elektro-

nen an den Luftballon abgibt. Dadurch wird die Wolle positiv und der Ballon

negativ geladen. Der negativ geladene Ballon wirkt auf die ungeladenen Pa-

pierschnipsel: Das entstandene elektrische Feld des Ballons bewirkt eine Ver-

schiebung des Ladungsschwerpunktes innerhalb der Atome des Papiers. Die

Folge ist, dass sich der positivere Teil der Atome näher an dem Ballon befindet

37

als der negativere Teil.

Die ungleichnamigen Ladungen, in diesem Fall die negative Ladung auf der

Ballonoberfläche und die Atomkerne im Papier, ziehen sich an. Dieser Vor-

gang wird als dielektrische Polarisation bezeichnet und gilt nur für Nichtleiter.

Die Körperhaare werden ebenfalls aufgrund der dielektrischen Polarisation von

dem Luftballon angezogen. Die Haare sind im Haarfollikel verankert, der von

dem Haarbalgmuskel (Musculus arrector pili)61 umgeben ist. Der Aufbau ist in

Abbildung 6 dargestellt.62 Die Bewegung eines Haares überträgt sich auf den

Muskel, der dieses Signal über das Axon an die Nervenzelle weitergibt und

schließlich vom Gehirn als mechanische Reizung wahrgenommen wird. Die

Haare der Unterarme eignen sich aufgrund der Länge besser als die Kopfhaare.

Die Kraft des Feldes reicht bei kurzen Haaren aus, um das Haar bis zum Haar-

balgmuskel zu bewegen.

Abbildung 6: Haar mit Haarbalgmuskel

Quelle: siehe Endnote 61

38

Didaktische Hinweise

Die Versuche 1-3 sind als Einführung in das Thema Elektrostatik vorgesehen.

Das Durchführen der Versuche soll den Schülern die Phänomene näher bringen

und bereitet auf die Auseinandersetzung mit dem Thema Ladung vor.

Lernziele

Die Schüler sollen erfahren, dass durch das Reiben eines Ballons mit einem

Stück Wolle eine Kraft entsteht, die auf das entfernt liegende Papier wirkt. Sie

sollen erkennen, dass diese Kraft anhand der eigenen Haare wahrnehmbar ist.

Anmerkungen

Für alle Elektrostatikversuche (Versuche 1-5) gilt, dass eine niedrige relative

Luftfeuchtigkeit ein Gelingen der Versuche wahrscheinlich macht. Unterhalb

von 40% relativer Luftfeuchtigkeit funktionieren die Versuche, während sich

die Effekte oberhalb dieses Wertes rapide verschlechtern. Als Ausnahme gelten

hier die Versuche, in denen ein Luftballon eingesetzt wird. Die Ladungstren-

nung bei einem Luftballon funktioniert auch unter „schlechten“ Bedingungen.

Es hat sich als hilfreich erwiesen, den Ballon möglichst prall aufzupumpen;

ebenso sollte man auf einigermaßen trockene Hände achten, wenn man den

Luftballon festhält.



- 1 Stück Overhead-Folie oder Prospekthülle

- Wollstück (Wolltuch oder Wollpullover)

- Glasstab

- Papier

Arbeitsanweisung

Lasst ein Stück OHP-Folie über das Tischende hängen und fixiert es

mit einem Buch auf dem Tisch. Streicht danach ein paar Mal mit

39

dem Wolltuch über die OHP-Folie.

a) Reibt den Ballon mit dem Wollstück und bewegt ihn auf die OHP-

Folie zu.

b) Wiederholt dies mit einem Glasstab, der ebenfalls mit dem Woll-

stück gerieben wurde. Probiert das Ganze noch einmal, nachdem ihr

den Glasstab an Papier gerieben habt.

Beobachtungen

Der geriebene Ballon drückt die Folie weg, während der Glasstab die OHP-Fo-

lie anzieht. Der Glasstab zieht die Folie besser an, wenn er mit Papier gerieben

wurde.

Erklärung

Der Ballon wird, wie in Versuch 1 beschrieben, negativ aufgeladen. Die Pro-

spekthülle aus Polypropylen (PP) wird gemäß triboelektrischer Reihe ebenfalls

negativ geladen. Overheadfolien sind herstellerabhängig ein Gemisch aus ver-

schiedenen Kunststoffen (PE, PP, PVC), die alle eine höhere Elektronenaffini-

tät besitzen als Wolle. Da gleichnamige Ladungen sich abstoßen, wird die Pro-

spekthülle von dem Ballon weggedrückt.

Glas hat eine geringere Elektronenaffinität als Wolle, dadurch gehen die Elek-

tronen beim Reiben auf die Wolle über und das Glas wird positiv geladen. Da

Papier im Vergleich zu Wolle eine höhere Elektronenaffinität hat, wird die La-

dungshöhe im Glasstab größer, sobald man statt der Wolle Papier verwendet;

dadurch verstärkt sich die Wirkung auf die Prospekthülle bzw. OHP-Folie.




und bereitet auf die Auseinandersetzung mit dem Thema Ladung vor. Versuch

2 geht auf die unterschiedlichen Eigenschaften der Materialien ein.

Lernziele

40

Die Schüler sollen erkennen, dass Glas eine andere Wirkung auf die Folie hat

als der Ballon. Daraus sollen sie schließen, dass die Fähigkeit, einen Stoff ab-

zustoßen oder anzuziehen, materialabhängig ist. Zusätzlich sollen sie ermitteln

können, dass die Stärke der Kraft von den Stoffen abhängt, die aneinander ge-

rieben werden.

Anmerkungen

Will man im Unterricht Overheadfolie verwenden, sollte man vorher sicherstel-

len, dass der Versuch mit der Folie funktioniert. Da Overheadfolien hersteller-

abhängig unterschiedlich produziert werden, lassen sich keine einheitlichen

Voraussagen machen. Alternativ führt man den Versuch mit zerschnittenen

Prospekthüllen durch, diese funktionieren deutlich zuverlässiger.


Material - 2 Luftballons

- durchsichtiger Teil einer CD-Hülle

- Faden

- Wollstück (Wolltuch oder Pullover)

- Stativ

Arbeitsanweisung

Blast zwei Luftballons auf. Befestigt einen der beiden Luftballons

mit dem Faden an dem Stativ und reibt mit der Wolle kurz über die-

sen Ballon. Reibt dann mit dem Wolltuch über den zweiten Ballon

und versucht mit diesem den befestigten Ballon zu bewegen, ohne

ihn zu berühren. Wiederholt dies mit der CD-Hülle, die ihr zuvor mit

dem Wolltuch gerieben habt. Untersucht, wie sich die Wirkung ver-

stärken lässt.

Beobachtungen

Der befestigte Ballon wird von dem anderen Ballon weggedrückt, bevor sich

41

beide Ballons berühren.

Die CD-Hülle zieht den Ballon an.

Sowohl kräftigeres als auch längeres Reiben verstärken den Effekt.

Erklärung

Durch das Reiben erfolgt, wie in den vorherigen Versuchen, eine Ladungstren-

nung, wobei die Ballons negativ und die Wolle positiv geladen werden. Da die

Ballons gleichnamig geladen sind, stoßen sie sich ab.

CD-Hüllen bestehen aus Polystyrol (PS),63 aufgrund seiner Stellung in der tri-

boelektrischen Reihe wird Polystyrol beim Reiben mit Wolle positiv geladen.

Ballon und CD-Hülle sind somit ungleichnamig geladen und ziehen sich an.

Kräftigeres und längeres Reiben verbessert die Bedingungen für die Ladungs-

trennung, es ist aber nicht deren Ursache. Berühren sich zwei Stoffe, so kommt

es aus thermodynamischen Gründen zu einer Ladungsumverteilung.64 Das Rei-

ben hat einen weiteren Effekt: Die Temperatur wird erhöht, was jedoch keine

direkte Auswirkung hat. Wie in Kapitel 2.3.3, „Faktoren für elektrostatische

Aufladung“, erwähnt, adsorbieren die Kunststoffe Wasser an ihrer Oberfläche.

Welche Auswirkungen dies hat, ist noch nicht völlig geklärt. Vermutlich wird

der Oberflächenwiderstand durch die Anlagerung von Wasser verringert,65 was

zur Folge hat, dass die Aufladung verringert wird. Die Temperaturerhöhung

bewirkt hingegen, dass die Materialien trockener werden und somit die La-

dungshöhe vergrößert wird.




und bereitet auf die Auseinandersetzung mit dem Thema Ladung vor. Versuch

3 geht auf die unterschiedlichen Eigenschaften der Materialien und die Auswir-

kungen des Reibevorganges ein.

Lernziele

Die Schüler sollen erkennen, dass eine CD-Hülle eine andere Wirkung auf

einen Ballon hat als ein zweiter Ballon. Daraus sollen sie schließen, dass die

42

Fähigkeit, einen Stoff abzustoßen oder anzuziehen, materialabhängig ist. Zu-

sätzlich sollen sie herausfinden, dass sowohl stärkeres als auch längeres Reiben

die entstehende Kraft verstärkt.

Folie: Die Polarisation

43

Ladungsverschiebung innerhalb des Atoms

44

4.3 Modul 2 - Elektrostatik durch bewegte Ladungen

4.3.1 Sachanalyse

Die Sachanalyse ergibt sich, wie im vorigen Modul, zum großen Teil

aus dem ersten Teil der Arbeit und den Lösungsbögen.

Als Grundlage für die Begründung, warum Licht emittiert wird, dient das

Bohr'sche Atommodell.66 67 Durch Zufuhr von Energie wird ein Elektron

eines Atoms im Grundzustand auf eine höhere Bahn „angehoben“. Fällt

das Elektron in diesem angeregten Atom wieder zurück, wird die Ener-

gie in Form eines Lichtquantes wieder frei.68

ESD (Electrostatic discharge) ist eine mittlerweile gebräuchliche Abkür-

zung für die elektrostatische Entladung, der der innerhalb von Nanose-

kunden Spannung über 10kV entstehen. Ist der Potenzialunterschied

zwischen zwei geladen Körpern ausreichend hoch, werden die Gase

zwischen ihnen durch das elektrische Feld ionisiert. Die daraufhin flie-

ßenden Elektronen kollidieren mit den Gasmolekülen. Diese Bewe-

gungsenergie wird in Form von Licht abgegeben. Bei Gasentladungs-

lampen, wie zum Beispiel der Glimmlampe, wird sich dieser Sachver-

halt zunutze gemacht. Moderne elektronische Bauteile reagieren be-

sonders empfindlich auf elektrostatische Entladungen. Um Platz zu spa-

ren und Wärmeentwicklung zu vermeiden, arbeiten diese Halbleiter mit

sehr geringen Spannungen. Entladungen, die Menschen aufgrund der

geringen Spannung nicht wahrnehmen können, verursachen bei diesen

Bauteilen immense Zerstörungen. Vor dem Berühren derartiger elek-

tronischer Teile, sollte der Nutzer unbedingt für einen Spannungsaus-

gleich sorgen. Dies geschieht am einfachsten über das Anfassen der

(unlackierten) Heizung oder eines geerdeten Gerätes wie zum Beispiel

der Metallrahmen eines Computergehäuses.

45

4.3.2 Lernziele

Die Schüler sollen

– erfahren, dass Elektrostatik durch bewegte Ladungen in Form von

Elektronen entsteht.

– erkennen, dass Energie nicht verloren geht.

– erklären können, welcher Zusammenhang zwischen dem Reiben

und dem Leuchten der Glimmlampe besteht.

– Möglichkeiten zur Vermeidung von unerwünschter Elektrostatik ken-

nen lernen.

– die Begriffe und Vorgänge, Leiter (Influenz) und Nichtleiter (Polarisa-

tion), gegenüberstellen und erklären können.

– Faktoren für die Qualität der Aufladung feststellen.


Während im vorherigen Modul das Phänomen im Vordergrund stand,

sollen in diesem Modul naturwissenschaftliche Erklärungen weiter

vertieft werden. Dabei liegt der Schwerpunkt auf der Bewegung der

Elektronen, daher werden bei diesen Versuchen zwei Leiter

(Elektroskop, Glimmlampe) verwendet. Die Bewegung der Elektronen

wird anhand des Vorganges der Influenz deutlich gemacht. Die Folie

Elektroskop zeigt modellhaft, wie sich die Elektronen während des

Vorgangs der Influenz bewegen. Im zweiten Teil des Elektroskopver-

suches werden die Elektronen durch das Abstreichen übertragen.

Dabei lassen sich zwei Erkenntnisse gewinnen:

– Die Ladungen wurden übertragen, da das geriebene Material nach

dem Abstreichen keine Wirkung mehr auf das Elektroskop hat.

– Es gibt zwei unterschiedliche Ladungen, weil das zuerst abgestri-

chene Material das Elektroskop auflädt, während beim folgenden

Abstreichen mit dem nächsten Material das Elektroskop entladen

wird.

46

Die anschließende Gegenüberstellung von Polarisation und Influenz

soll die unterschiedlichen Vorgänge bei Leiter und Nichtleitern deutlich

machen. Die wahrscheinliche Beobachtung, dass stärkeres Reiben

einen größeren Ausschlag des Elektroskopes bzw. ein längeres Leuch-

ten der Glimmlampe zur Folge hat, wird zum Anlass genommen, die

Energieerhaltung zu besprechen. Der Glimmlampenversuch nimmt wie-

der Bezug auf die Erfahrungen der Schüler aus dem Alltag. Die meisten

Schüler werden schon mal „einen gewischt bekommen“ haben, sei es

beim Benutzen der Rolltreppe im Kaufhaus oder beim Aussteigen aus

dem Auto. Auch das absichtliche Aufladen, um jemandem einen „elek-

trischen Schlag“ zu versetzen, wird ihnen bekannt sein. Bei diesem Ver-

such werden sie feststellen, dass er nicht bei allen gelingt oder das

Glimmen unterschiedlich hell ausfällt. Aufgrund der hohen Motivation,

die durch das Experiment ausgelöst wird, werden die Schüler bemüht

sein, eine möglichst hohe Aufladung zu erreichen. Dieses Verhalten

wird zum Anlass genommen, die Faktoren der elektrostatischen Aufla-

dung zu diskutieren.

Die meisten Schüler werden Erfahrung mit Computer aufweisen. Einige

von ihnen werden auch schon selbst neue Komponenten in ihren PC

eingebaut haben. Diese Geräte sind fast immer mit einem Warnhinweis

versehen, der auf die Gefährdung durch elektrostatische Entladungen

(ESD) hinweist. Aber auch ein Zeitungsausschnitt über den Rückruf von

PKWs aufgrund Explosionsgefahr durch elektrostatische Entladungen

kann einen Alltagsbezug herstellen. Die Möglichkeiten der Vermeidung

lassen sich mit dem gelernten Wissen und ihren Vorkenntnissen erör-

tern.

47


Material: - Elektroskop

- Glasstab

- Ballon

- Stück Wolle

- Papier

Arbeitsanweisung:

a) Untersucht, welche Wirkungen die unterschiedlichen Materialien

auf das Elektroskop haben.

b) Hat die Reihenfolge, in der die Gegenstände an das Elektroskop

gehalten werden, einen Einfluss? Dabei sollten die Gegenstände

über das Metall des Elektroskops abgestrichen werden.

Beobachtung(en):

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_________________________________________________________

48

Elektrostatik: Versuch 5

Material: - Glimmlampe

- Wollstück (Wolltuch, Wollpullover)

- Luftballon

Arbeitsanweisung

Versucht, nur mithilfe des Luftballons und der Wolle, die Lampe

zum Leuchten zu bringen.

Rutscht oder schlurft jetzt mit den Schuhen über den Fußboden

und nähert euch mit einem Finger der Lampe. Erinnert euch das an

etwas?

Beobachtung(en):

__________________________________________________

__________________________________________________

__________________________________________________

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__________________________________________________

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__________________________________________________

__________________________________________________

_________________________________________________________

_________________________________________________________

49


Material - Elektroskop

- Glasstab

- Ballon

- Stück Wolle

- Papier

Arbeitsanweisung

a) Untersucht, welche Wirkungen die unterschiedlichen Materialien

auf das Elektroskop haben.

b) Hat die Reihenfolge, in der die Gegenstände an das Elektroskop

gehalten werden, einen Einfluss? Dabei sollten die Gegenstände

über das Metall des Elektroskops abgestrichen werden.

Beobachtungen

a) Wird der Luftballon mit einem anderen Material gerieben, schlägt das Elek-

troskop aus, sobald man sich mit dem Luftballon nähert.

Dasselbe gilt für den Glasstab, allerdings ist der Ausschlag des Elektroskopes

geringer.

Weder das Papier noch die Wolle haben einen Einfluss auf das Elektroskop.

b) Beim ersten Abstreichen des Ballons (oder des Glasstabes) schlägt das Elek-

troskop aus und verharrt einige Zeit in dieser Position. Streicht man jetzt mit

dem geriebenen Glasstab über das Metall (hat man zuvor den Glasstab verwen-

det, nimmt man jetzt den Ballon), bewegen sich die Streifen in ihre Ursprungs-

position zurück.

Erklärung

Entsprechend der triboelektrischen Reihe wird der Luftballon negativ und der

Glasstab positiv geladen. Die Ladungen wirken auf die frei beweglichen Elek-

tronen im Elektroskop (Influenz) und ziehen sie an (Glasstab) oder stoßen sie

50

ab (Ballon), wodurch es zu einer Ladungsverschiebung im Elektroskop kommt.

Sind nun im unteren Teil des Elektroskopes mehr gleichnamige Ladungen, so

stoßen diese sich ab und die leicht beweglichen Aluminiumstreifen schieben

sich von der Mitte weg.

b) Durch das Abstreichen werden, analog zur Ladungstrennung, Elektronen

übertragen. Berührt der Ballon das Metall des Elektroskopes, gelangen so lange

Elektronen vom Ballon ins Elektroskop, bis beide gleich geladen sind. Das vor-

her neutral geladene Elektroskop ist jetzt negativ geladen.


Versuch 4 beschäftigt sich mit den Abläufen bei elektrostatischen Vorgängen.

Während in den ersten drei Versuchen nur mit Isolatoren experimentiert wurde,

werden jetzt auch Leiter verwendet. Da die Phänomene ähnlich sind, ist es an-

gebracht, deutlich auf die unterschiedlichen Vorgänge bei Leitern und Nichtlei-

tern zu verweisen.

Lernziele

Die Schüler sollen die Erkenntnisse aus den vorherigen Versuchen wiederholen

und vertiefen, indem sie die Wirkung der einzelnen Materialien auf das Elek-

troskop vergleichen. Durch den zweiten Teil des Versuches sollen sie eine

sinnvolle Theorie entwickeln, die erklärt, warum die Aluminiumstreifen wieder

in die Ausgangsposition zurückkehren.

Anmerkungen

Wolle hat keinen und Papier nur einen sehr schwachen Effekt auf das Elektro-

skop. Dies darf nicht dazu führen, dass diese Materialien von den Schülern als

ungeladen angesehen werden. In diesem Zusammenhang sollte ein Hinweis auf

die unterschiedlichen Oberflächen gegeben werden: Papier und Wolle haben

eine rauere Oberfläche als das Glas oder der Ballon, weshalb die Ladungstren-

nung hier von kürzerer Dauer ist. Dies liegt daran, dass die Luftfeuchtigkeit

einen größeren Einfluss auf die raueren und damit auch größeren Oberflächen

hat. (Wie in den Versuchen 1-3 beschrieben, hat die Luftfeuchtigkeit einen ent-

scheidenden Einfluss auf die elektrostatischen Fähigkeiten der Materialien.)

51

Auch beim Ballon und beim Glasstab lässt die Wirkung mit der Zeit nach:

Beim Elektroskop sieht man, wie die Aluminiumstreifen nach einiger Zeit in

ihre Ausgangsposition zurückkehren.


Material - Glimmlampe in einer Fotodose

- Wollstück (Wolltuch, Wollpullover)

- Luftballon

Arbeitsanweisung

Versucht, nur mithilfe des Luftballons und der Wolle, die Lampe

zum Leuchten zu bringen.

Rutscht oder schlurft jetzt mit den Schuhen über den Fußboden

und nähert euch mit einem Finger der Lampe. Erinnert euch das an

etwas?

Beobachtungen

Nähert man sich mit dem geriebenen Luftballon der Glimmlampe, knistert es

und die Lampe beginnt kurzzeitig zu leuchten.

Bei einigen Schülern leuchtet die Lampe, nachdem sie über den Fußboden ge-

schlurft sind und sich dann der Lampe nähern.

Erklärung

Das Reiben des Luftballons mit der Wolle führt entsprechend der triboelektri-

schen Reihe zu einer Ladungstrennung, bei welcher der Ballon aufgrund des

Elektronenüberschusses negativ geladen wird.

Wird der negativ geladene Ballon (Elektronenüberschuss) jetzt einem der bei-

den Anschlüsse der Glimmlampe genähert, wirken die negativen Ladungen auf

die frei beweglichen Elektronen des metallischen Anschlusses. Die bewegli-

chen Elektronen im Metall verschieben sich von dem Anschluss zur Elektrode

im Inneren, dort „springen“ die Elektronen zu der zweiten Elektrode über, wo-

52

bei sie mit den Neonatomen zwischen den Elektroden kollidieren. Die Bewe-

gungsenergie wird dabei in Licht umgewandelt.

Schlurft eine Person über den Fußboden, so erfolgt eine Ladungstrennung zwi-

schen dem Boden und den Schuhsohlen. Die geladenen Schuhsohlen verursa-

chen eine Ladungsverschiebung auf der leitfähigen menschlichen Haut. Nähert

sich jetzt die Hand oder die Nasenspitze der Glimmlampe, bewegen sich wie

zuvor die Elektronen in der Glimmlampe. Bei der Berührung erfolgt ein La-

dungsausgleich, der bei entsprechend großem Ladungsunterschied als Schlag

wahrgenommen wird.


Dieser Versuch ergänzt den vorherigen, diesmal wird die eingesetzte Energie

nicht als Bewegungsenergie frei, sondern im Form von Licht, wodurch die Ge-

meinsamkeiten von Elektrostatik und elektrischem Strom deutlich werden. Im

zweiten Teil des Versuchs wird ein Alltagsphänomen behandelt und naturwis-

senschaftlich geklärt.

Lernziele

Die Schüler sollen herausfinden, wie sie ohne Stromquelle, nur mit Hilfe der

Elektrostatik, eine Lampe zum Leuchten bringen können. Sie sollen erklären

können, dass durch das Reiben Ladungen getrennt werden und Influenz für das

Leuchten der Glimmlampe verantwortlich ist.

Im zweiten Teil sollen sie ein bekanntes Phänomen analysieren und unter Ein-

beziehung des bisher Gelernten beschreiben können.

Anmerkungen

In Bezug auf das Schlurfen sind mehrere Faktoren zu beachten (Höhe der Luft-

feuchtigkeit, Material der Schuhe und Bodenbelag), die das Gelingen des Ver-

suchs beeinflussen. Als zuverlässig haben sich Ledersohlen und Teppich aus

Synthetikfasern erwiesen. Die Schüler können selbst ausprobieren, wer sich

mit welchen Schuhen auf welchem Boden erfolgreich aufladen kann. Zur Si-

cherheit kann man eine Autobodenmatte aus Synthetikfasern mitbringen. Die

Glimmlampe kann auch ohne Fotodose verwendet werden, aber sie sollte dann

53

auf andere Weise schattiert werden, damit man das Aufleuchten erkennen

kann.

In der Literatur ist häufiger zu finden, dass bei dem Glimmlampen-Versuch

deutlich wird, welche Seite negativ geladen ist. Mit handelsüblichen

Glimmlampen konnte ich dies nicht nachvollziehen. Leuchtdioden (LED - light

emitting diode), scheinen eine Alternative zu sein, weil sie den Stromfluss in

eine Richtung sperren. Allerdings sind übliche Leuchtdioden nicht geeignet, da

die Stromstärke einer elektrostatischen Entladung zu gering ist. Experimentell

ließ sich zeigen, dass eine LED erst ab einer Stromstärke von 14mA leuchtet.

Bei den elektrostatischen Entladungen hingegen war nur eine Stromstärke von

ca. 3µA zu messen. Sogenannte Low-Current-Typ Leuchtdioden benötigen

eine Minimal-stromstärke von 2mA, die ebenfalls nicht ausreicht.

54

Abbildung 7:

Elektronenfluss der

Glimmlampe

Folie: Ladung des Elektroskops

Ungeladenes Elektroskop, Ladungen sind

gleichmäßig verteiltInfluenz: Ladungen sind ungleichmäßig

verteilt

56

4.4 Modul 3 – Welche Richtung hat der Strom?

4.4.1 Sachanalyse

Die technische Stromrichtung geht auf die willkürliche Definition von An-

dré Marie Ampère zurück, die besagt, dass der elektrische Strom vom

Pluspol zum Minuspol fließt.

Durch den Versuchsaufbau könnte der Eindruck entstehen, dass der

Strom, wie in einem Leiter, nur durch die im Versuch eingesetzte Natri-

umsulfatlösung hindurchfließt. Stattdessen handelt es sich hierbei um

die Elektrolyse von Wasser, auf die in Modul 5 weiter eingegangen

wird. Aufgrund der geringen Zersetzungsspannung des Wassers von

nur 1,23V, laufen anderen Reaktionen nicht ab.

Die Redoxreaktion betrifft bei diesem Versuchsaufbau nur das Wasser.

Das elektrische Feld der Elektroden wirkt auf alle geladenen Teile, wo-

bei die Permanganat-Ionen als einzige interessant für die Beobachtung

sind. Da ungleichnamige Ladungen sich anziehen, wandern die negativ

geladenen Permanganationen zur positiv geladenen Anode. Das elek-

trische Feld entsteht durch die angelegte Spannung von 10V gemäß

der Formel:

Die Kraft, die auf die Permanganationen wirkt, ergibt sich durch:

z ist die Ionenwertigkeit

e0 ist die Elementarladung

Die Geschwindigkeit der Ionenbewegung ist proportional zu der Feld-

stärke. Zur Berechnung der Geschwindigkeit wäre zusätzlich die Visko-

E=Ul

F=z∗e0∗E

57

sität der Lösung und der effektive Ionenradius der Permanganationen

nötig.

4.4.2 Lernziele

Die Schüler sollen

– selbstständig einen Versuch entwickeln, durchführen und auswer-

ten,

der die physikalische Richtung des Stroms deutlich macht.

– den Unterschied zwischen technischer und physikalischer Strom-

richtung erklären können.


Das Modul beginnt mit der Frage „In welche Richtung fließt der

Strom?“. Die Schüler werden je nach Vorkenntnissen unterschiedliche

Vorstellungen haben, über die diskutiert wird. Sollten die Schüler be-

reits die physikalische Richtung des Stroms kennen, kann man sie mit

der Behauptung „Strom fließt vom Plus- zum Minuspol“ verunsichern;

dazu legt man die Folie „Stromrichtung“ auf und deckt die physikalische

Stromrichtung ab.

Der Versuch greift einen Widerspruch zwischen den Erklärungen des

Alltags und der Naturwissenschaft auf. Die von Ampère definierte (tech-

nische) Stromrichtung wird heute, insbesondere in elektrotechnischen

Berufen, noch verwendet. Die gut zu merkende Vorstellung „Strom

fließt von Plus zu Minus, weil am Pluspol mehr und am Minuspol weni-

ger ist“ ist erst einmal schlüssiger als die physikalische Stromrichtung.

Da die Schüler in den vorherigen Modulen gelernt haben, dass sich nur

die Elektronen bewegen können und sich nur ungleichnamige Ladun-

gen anziehen, ist die technische Stromrichtung nicht widerspruchslos

zu erklären. Da diese Angaben sich nicht vereinbaren lassen, wird bei

den Schülern Neugier geweckt.

Dieses Problem sollen die Schüler selbstständig lösen, indem sie einen

Versuch entwerfen. Dabei wird von den Schülern gefordert, dass sie

58

das Problem, also den Widerspruch, formulieren können und unter Zu-

hilfenahme des bisher Gelernten einen Versuch entwickeln und durch-

führen, der modellhaft die Bewegung der Elektronen beschreibt. Das

Ergebnis des Versuches soll dann als Beweis für die „richtige Strom-

richtung“ dienen. Diese recht anspruchsvolle Aufgabe ist für die Schüler

durchaus machbar und eine solche Aufgabenstellung wird auch vom

Chemieunterricht erwartet. Zu den Zielen der naturwissenschaftlichen

Grundbildung gehört, dass die Schüler sich mit „spezifischen Methoden

der Erkenntnisgewinnung“ auseinandersetzen, dass sie hypothesenge-

leitet und naturwissenschaftlich arbeiten und sich über ihre Ergebnisse

in der Fachsprache austauschen können.69 Weiterhin wird die geforder-

te Fähigkeit, durch Experimente zu neuen Erkenntnissen zu gelangen

und fachübergreifende Kompetenzen zu verwenden, gefördert. Zur Ver-

einfachung werden den Schülern nur die notwendigen Materialien zur

Verfügung gestellt. Je nach Vorwissen der Schüler kann es notwendig

sein, eine Hilfe anzubieten. Laut Rahmenrichtlinien ist das Thema

Atombau für Klasse 9 vorgesehen, wobei Elektrolyte, Ionen und Elek-

troden behandelt werden. Der Lösungsvorgang vom Kaliumpermanga-

nat zu Kalium- und Permanganationen kann daher Probleme bereiten.

Soll dieses Thema an dieser Stelle nicht weiter vertieft werden, redu-

ziert man den Vorgang auf zwei Aussagen:

1. „Kaliumpermanganat löst sich in Wasser. Das entstandene Perman-

ganat ist violett.“

2. „Das violette Permanganat ist negativ geladen.“

Es muss unbedingt der Hinweis gegeben werden, dass die Schüler

nicht mehr als 12V Spannung verwenden dürfen.

Die Schüler sollen sich in Gruppenarbeit einen Versuchsaufbau aus-

denken, der zeigt, welche Richtung der elektrische Strom hat. Die Grup-

pen, die bereits fertig sind, stellen dem Lehrer ihren Versuch vor und

führen ihn dann durch. Die Schüler sollten den Hinweis bekommen, die

Elektroden während des Versuches nicht zu bewegen. Alle Gruppen

sollten möglichst zeitnah mit dem Experiment beginnen, damit alle die

gleiche Möglichkeit haben, den Versuch selbst zu entwickeln. Bei der

59

Gruppenzusammensetzung sollte daher auch auf eine gleichmäßige

Verteilung der leistungsstarken Schüler geachtet werden. Der Ver-

suchsaufbau wird schriftlich vermerkt, der Ablauf protokolliert und die

Erklärungen werden formuliert. Im Anschluss stellen einzelne Gruppen

ihren Versuch vor, Fragen und Anmerkungen werden im Unterrichtsge-

spräch geklärt.

In diesem Versuch soll die Elektrolytlösung als Modell für einen Leiter

dienen, um die Elektronenbewegung zu verdeutlichen. Die chemischen

Reaktionen der Elektrolyse werden an dieser Stelle nicht behandelt,

weil es hier nur darum geht, die Stromrichtung zu bestimmen. Der von

den Schülern entwickelte Versuch wird dem üblichen Versuch zur Io-

nenwanderung recht ähnlich sein, was auch durch die vorgegebenen

Materialien bedingt ist.70 Ein Aufgabenzettel ist für diesen Versuch zwar

vorhanden, dient jedoch lediglich als Orientierung für den Lehrer.

60

Versuch „In welche Richtung fließt der Strom?“

Material: - Gleichstrom-Spannungsquelle

- Glasplatte

- Pinzette

- Kaliumpermanganat (KMnO4)

- Leitungswasser

- Natriumsulfat (Na2SO4)

- Reagenzglas

- Graphitelektroden

Arbeitsanweisung:

Gib etwas Leitungswasser in das Reagenzglas und gib zwei Spatel Natriumsulfat (Na2SO4) dazu. Gieße die Lösung jetzt auf die Glas-platte. Es sollte eine ca. 10cm lange Pfütze entstehen. Lege die bei-den Graphitelektroden auf die Glasplatte in die Lösung, sie sollten ca. 8-10cm voneinander entfernt sein. Die Elektroden dürfen ab jetzt nicht mehr bewegt werden. Lege mit der Pinzette ein kleines (!) Stück Kaliumpermanganat (KMnO4) genau in die Mitte zwischen die Elektroden. Stelle die Gleichstromquelle auf 10V (keinesfalls mehr als 12V!) und schalte diese ein.

Beobachtung(en):

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__________________________________________________

__________________________________________________

__________________________________________________


___________________________________________

61

Lösung zum Versuch „In welche Richtung fließt der

Strom?“

Material - Gleichstrom-Spannungsquelle

- Glasplatte

- Pinzette

- Kaliumpermanganat (KMnO4)

- Leitungswasser


- Reagenzglas

- Graphitelektroden

ArbeitsanweisungGib etwas Leitungswasser in das Reagenzglas und gib zwei Spatel Natriumsulfat (Na2SO4) dazu. Gieße die Lösung jetzt auf die Glas-

platte. Es sollte eine ca. 10cm lange Pfütze entstehen. Lege die bei-den Graphitelektroden auf die Glasplatte in die Lösung, sie sollten ca. 8-10cm voneinander entfernt sein. Die Elektroden dürfen ab jetzt nicht mehr bewegt werden. Lege mit der Pinzette ein kleines (!) Stück Kaliumpermanganat (KMnO4) genau in die Mitte zwischen

die Elektroden. Stelle die Gleichstromquelle auf 10V (keinesfalls mehr als 12V!) und schalte diese ein.

Beobachtung

Das Wasser in unmittelbarer Nähe des Kaliumpermanganats wird violett. Nach

mehreren Sekunden zieht sich eine violette Spur in Richtung des Plus-Pols.

Erklärung

Das Kaliumpermanganat löst sich in Wasser zu Kalium-Kationen und Perman-

ganat-Anionen. Durch das elektromagnetische Feld, das durch die beiden Gra-

phitelektroden erzeugt wird, bewegen sich positiv geladene Ionen zum Minus-

Pol und entsprechend negativ geladene Ionen zum Plus-Pol. Dies bedeutet,

dass sich die violetten Permanganat-Ionen zur Anode (hierbei handelt es sich

laut Konvention71 um den Plus-Pol bei der Elektrolyse) bewegen. (Andere Re-

62

aktionen bei dieser Elektrolyse können hier vernachlässigt werden.)


Der Versuch liefert ein Modell für die Bewegung von Elektronen im Strom-

fluss, wodurch der Unterschied zwischen technischer und physikalischer

Stromrichtung deutlich wird. Der Versuch soll von den Schülern selbst entwi-

ckeln werden. Die Vorgabe der Spannung und die Warnung „keinesfalls mehr

als 12V“ können zum Anlass genommen werden, die Gefahren des Stroms zu

thematisieren.

Lernziele

Die Schüler sollen einen Versuch planen und durchführen können, um die The-

se der physikalischen Stromrichtung zu überprüfen. Sie sollen verstehen kön-

nen, warum Elektronen sich vom Minus-Pol zum Plus-Pol bewegen.

Anmerkungen

Bei diesem Versuch sind einige Details zu beachten, damit er reibungslos funk-

tioniert:

− Die Oberfläche muss waagerecht sein, andernfalls bewegt sich das Per-

manganat entsprechend der Neigung.

− Man sollte so wenig Kaliumpermanganat wie möglich nehmen. Die Fär-

bung ist so intensiv, dass man sich mit kleinsten Mengen begnügen kann.

Zu viel Kaliumpermanganat führt dazu, dass die Lösung schnell großflä-

chig eingefärbt wird, die Ionenwanderung ist dann weniger gut sichtbar.

Der Umweltschutz gebietet es ebenfalls, nur notwendige Mengen zu neh-

men. Kleinere Mengen Kaliumpermanganatlösung können üblicherweise

über das Abwasser entsorgt werden. Näheres regelt die Kommune. Die ent-

sprechenden Vorschriften (Abwassersatzung und Anlage 1 aus „Regelwerk

der Abwassertechnischen Vereinigung“) sollten an der Schule verfügbar

sein.72

− Die Graphitelektroden dürfen nicht bewegt werden, nachdem das Perman-

ganat in die Lösung gebracht wurde. Die Bewegung der Elektroden führt zu

einer willkürlichen Bewegung des Permanganates.

63

− 10V ist eine Spannung, die noch ungefährlich ist. Eine geringere Spannung

steigert den Zeitbedarf und erhöht damit die Möglichkeit, dass der Versuch

durch Bewegungen an den Elektroden oder der Flüssigkeit gestört wird.

− Da die Planung des Experimentes Schwierigkeiten bereiten kann, bietet es

sich gegebenenfalls an, folgende Aspekte deutlich zu betonen:

− Elektronen sind nicht sichtbar, deshalb muss ein anderer Stoff diese

Rolle übernehmen.

− Das Permanganat in der Lösung ist violett.

− Permanganat ist negativ geladen.

Zeitbedarf

Aufbau: ca. 10 min

Durchführung: ca. 5 min

Abbildung 8: Versuchsaufbau "Stromrichtung"

64

Abbildung 9: Versuchsergebnis

65

Abbildung 10: Folie Stromrichtung

66

4.5 Modul 4 – Vertiefung Strom: Definitionen, Größen, Einheiten

4.5.1 Sachanalyse

Die Größen Ladung, Stromstärke und Spannung sind bereits im ersten

Teil der Arbeit ausführlich besprochen worden.

Der elektrische Widerstand R mit der Einheit Ώ beschreibt die Eigen-

schaft eines Leiters, den elektrischen Strom zu hemmen. Die Berech-

nung des Widerstandes kann in den meisten Fällen über das Ohm'sche

Gesetz erfolgen, da der Strom proportional der Spannung ist:

Die folgende Tabelle zeigt, wie sich die Begriffe im Unterricht für ver-

schiedene Modelle formulieren lassen.

Begriff Wassermodell73 Verkehrsmodell StromLadung Wassermenge Autos Ladungsmenge

(Elektronen)Strom-

stärke

Wassermenge pro

Zeit

Autos pro Zeit Elektronen pro

ZeiteinheitSpannung Druck des Wassers Schieben der

nachfolgenden

Autos

Arbeit, welche die

Spannungsquelle

verrichten muss,

um die Elektronen

zu schieben.Wider-

stand

Kleineres Rohr

bzw. Fluss

Autobahn wird

schmaler, Autos

haben wenig Platz

Sagt aus, wie viel

Platz die Elektro-

nen im Leiter zur

Verfügung haben.

R=UI

67

4.5.2 Lernziele

Die Schüler sollen

– die Definition für Strom, Spannung, Stromstärke, Ladung sowie de-

ren Einheiten kennen.

– sich Wissen selbst im Team aneignen können.

– Wissen präsentieren und an andere weitergeben können.

– soziale und kommunikative Kompetenzen trainieren.

– das Ohm'sche Gesetz kennen und anwenden können.


Die Schüler haben innerhalb des vorherigen Moduls schon (neue) Er-

fahrungen mit elektrischem Strom gesammelt. Die Einheit Volt wurde

dabei verwendet als Angabe für den zu „verwendenden Strom“ und in

der Warnung, nicht mehr als 12V zu verwenden. Die unterschiedlichen

Ladungen wurden während der Influenzversuche besprochen. Die

meisten Schüler können die Begriffe Strom, Spannung und Stromstärke

wahrscheinlich nicht ausreichend erklären, auch wenn der Stoff schon

einmal behandelt worden sein sollte. Die Unterschiede zwischen Span-

nung und Stromstärke bereiten Schüler häufiger Probleme, weshalb in

den Rahmenrichtlinien gefordert wird, dies mit Hilfe eines Modells deut-

lich zu differenzieren.74 75

Obwohl die Begriffe teilweise schon verwendet wurden, ist es sinnvoll,

sie erst jetzt ausführlich zu besprechen. Strom mit den Einheiten Span-

nung und Stromstärke ist in unserer Gesellschaft allgegenwärtig: „das

Stromnetz hat 220 Volt*“, „mein MP3-Player braucht 3 Volt“, „die Foto-

akkus müssen mindestens 1500 Ampère** haben“, „der USB-Port

schafft 500 Milliampere“. Die regelmäßige Verwendung dieser Begriffe

schafft eine Vertrautheit, die den Schülern den Eindruck vermittelt, sie

kennten ihre Bedeutung. Dieser Sachverhalt führt häufig dazu, dass sie

* Das Stromnetz in Deutschland hat eine Spannung von 230V.

** Die korrekte Einheit ist mAh.

68

die Auseinandersetzung im Unterricht als zu einfach und unnötig anse-

hen.76 Meist sind die Vorstellungen, wie zwei der Beispiele von Schülern

des 9. und 10. Jahrgangs einer Realschule belegen, unvollständig oder

sogar falsch, was eine umfassende Auseinandersetzung im Unterricht

notwendig macht. Bei einer älteren Untersuchung77 mit 35 Zehn- bis

Zwölfjährigen gaben alle an, den Begriff „elektrischer Strom“ zu kennen

und diesen beschreiben zu können. Alle Schüler stellten sich Strom als

Substanz und Steckdosen sowie Batterien als Behälter dafür vor. Span-

nung und Stromstärke wurden von einem Teil der befragten Kinder als

Bezeichnung für dieselbe Sache verstanden, wobei sie für beide die

Einheit Volt verwendeten. Die Einheit Ampère war unbekannt.

Die Größen des elektrischen Stroms werden üblicherweise anhand des

Wasser- oder Verkehrsmodells eingeführt. Diese Analogisierung ist

nicht ohne Kritik, da sie die Sachverhalte nur unvollständig wiedergibt,

was später zu Schwierigkeiten führen kann, wenn der Schüler zu starr

an diesem Modell festhält. Demgegenüber steht die Notwendigkeit die

Begriffe so einzuführen, dass sie möglichst wenig abstrakt sind und sich

stattdessen gut einprägen lassen. Durch die Verwendung des Wasser-

oder Verkehrsmodells werden die neuen Sachverhalte durch bekannte

Vorgänge (Fließen von Wasser, Autos auf der Autobahn) verdeutlicht.

Das Anknüpfen an bereits vorhandenes Wissen ermöglicht es, dass

das neue Wissen leichter in kognitive Strukturen eingebaut werden

kann.78 79

Das Wissen und die Modellvorstellungen sollen von den Schülern

selbst erarbeitet werden, indem sie die kurzen Texte, die sich jeweils

mit einem neuen Begriff (also entweder mit Ladung, Spannung, Strom-

stärke oder Widerstand) beschäftigen, in Form eines Gruppenpuzzles80

bearbeiten. Abhängig von der Größe des Klassenverbands werden vier

annähernd gleich große Gruppen von 3-6 Schülern81 gebildet. In diesen

Gruppen wird der Text gelesen und von der Gruppe besprochen, dann

wird der Inhalt in eigenen Worten in eine Tabelle eingetragen. Die Mit-

glieder der Gruppen (die sogenannten „Experten“) verteilen sich nun

gleichmäßig auf die anderen Gruppen, so dass in jeder neu entstande-

69

nen Gruppe ein Experte aus jeder Expertengruppe vorhanden ist. Die

Experten erklären dann den Gruppenmitgliedern ihren Begriff. Gemein-

sam fertigt die Gruppe eine Tabelle auf einer Folie an, die alle Begriffe

enthält. Die Gruppen stellen dann ihre Ergebnisse der Klasse vor.

Das Gruppenpuzzle fordert und fördert verschiedene Kompetenzen

(vgl. die Lernziele in Kapitel 4.5.1). Die Motivation bei dieser Methode

ist recht hoch, da die Schüler ein Themengebiet selbstständig erarbei-

ten und sich dabei gegenseitig unterstützen können. Das Wissen um

die Notwendigkeit, dieses Gebiet anderen vermitteln zu müssen, veran-

lasst die Schüler dazu, sich gut mit dem Inhalt auseinander zu setzen.

Die eigene Erarbeitung und die Vermittlung der Inhalte führen auch zu

einer besseren Verarbeitung des Wissens.

Diese erfolgversprechende Methode weist allerdings auch mehrere Pro-

blemstellen auf. Sollten die Schüler wenig Erfahrung mit Gruppenarbeit

besitzen, kann das dazu führen, dass die Erarbeitungsphase nicht sinn-

voll abgeschlossen wird. Die Möglichkeit, dass die Gruppen zu falschen

Ergebnissen kommen, muss durch Kontrolle und Hilfestellungen ver-

mieden werden. Die Experten haben manchmal Schwierigkeiten, das

Wissen zu vermitteln, daher sollte die Vermittlung vom Lehrer stichpro-

benartig beobachtet werden. Fehler können dann bei der Vorstellung im

Klassenverband von Mitschülern geklärt werden. Die Methode des

Gruppenpuzzles muss im Vorfeld ausführlich erklärt werden, damit allen

Schülern klar ist, wie sie im Folgenden vorgehen sollen.

Die Begriffe Ladung, Stromstärke, Spannung und Widerstand können

im Unterricht außerdem auch noch mit Hilfe der drei Bilder (Folien 1

und 2 - „Elektronen auf Wanderschaft“) visuell dargestellt werden, um

die Vorstellung in den Köpfen der Schüler zu festigen.

Zur Einübung der Größen können die Schüler ihr Wissen auf das Was-

sermodell übertragen. Dies sollte aber erst geschehen, wenn die Begrif-

fe sicher angewendet werden können. Da die Begriffe Spannung und

Stromstärke den Schülern, wie bereits beschrieben, zum Teil längerfris-

tig Probleme bereiten, ist es angebracht, diese Größen und ihre Einhei-

ten auch nach Beendigung des Gruppenpuzzles noch intensiv zu üben.

70

Dazu bietet sich das Ohm'sche Gesetz an. Nach einer kurzen Einfüh-

rung werden Spannung, Stromstärke und Widerstand berechnet. Die

mathematischen Kenntnisse zum Umformen werden wahrscheinlich

schon vorhanden sein. Sollte dies nicht der Fall sein, sollte die Glei-

chung U = R · I exemplarisch in die beiden Anderen umgewandelt wer-

den. Als Merkhilfen für das Ohm'sche Gesetz können entweder das

Wort „URI“ (U = R · I) oder das Ohm'sche Dreieck verwendet werden:

Abbildung 11: Das

Ohm'sche Dreieck

71

Folie: Elektronen auf Wanderschaft I

Zum Beispiel: Darstellung einer geringen Spannung, da die nachfolgen-

den Elektronen „nicht drängeln“ (modifizierte Quelle).82

Höhere Spannung als im vorherigen Bild. Die Elektronen sind dicht ge-

drängt und schieben(modifizierte Quelle).83

72

Folie: Elektronen auf Wanderschaft II

Bildliche Darstellung des elektrischen Widerstands (modifizierte

Quelle).84

73

Gruppenpuzzle – Elektrische Größen

Arbeitsblatt Gruppe 1 – Elektrische Ladung

Lest den Text und füllt die Tabelle mit euren eigenen Worten aus.

Elektrische Ladung wird mit dem Symbol Q abgekürzt. Die SI-Einheit ist

Coulomb, es wird mit [C] abgekürzt. Eine andere Einheit für die elektri-

sche Ladung ist Ampèresekunde [As]. Die elektrische Ladung sagt aus,

wie viele Ladungen vorhanden sind. Stellt man sich den Strom als Auto-

bahn vor, sagt die Ladung aus, wie viele Autos vorhanden sind.

Größe Formelzeichen

Einheit Autobahn Strom

Arbeitsblatt Gruppe 2 - Stromstärke


Die Stromstärke wird mit dem Formelzeichen I abgekürzt. Die SI-Einheit

ist Ampère [A]. Stellt man sich den Strom als Autobahn vor, sagt die

Stromstärke, wie viele Autos in einer bestimmten Zeit vorbeifahren. Im

Stromkreis entsprechen die Ladungen den Autos.



74

Arbeitsblatt Gruppe 3 – Spannung


Die Spannung hat das Formelzeichen U. Die Einheit der Spannung ist

Volt [V]. Stellt man sich den Strom als Autobahn vor, sagt die Span-

nung, wie stark die Autos die vor ihnen fahrenden Autos drängeln. Für

den Stromkreis gibt die Spannung an, mit wie viel Kraft die Spannungs-

quelle die Elektronen drückt.



Arbeitsblatt Gruppe 4 - Widerstand


Der elektrische Widerstand hat das Formelzeichen R mit der Einheit

Ohm [Ώ]. Stellt man sich den Strom als Autobahn vor, entspricht der Wi-

derstand der Breite der Autobahn. Im Stromkreis bedeutet Widerstand,

wie viel Platz die Elektronen im Leiter zur Verfügung haben.



75

Lösungen Gruppenpuzzle, Gruppen 1 - 4:



Ladung Q Coulomb

[C]

Autos Ladungsmenge

Stromstärke I Ampère

[A]

Autos pro Zeit Elektronen pro

ZeiteinheitSpannung U Volt

[V]

Schieben der

nachfolgenden

Autos

Arbeit, welche

die Spannungs-

quelle verrichten

muss, um die

Elektronen zu

schieben.Wider-

stand

R Ohm

[Ώ]

Autobahn wird

schmaler, Autos

haben wenig

Platz

Sagt aus, wie

viel Platz die

Elektronen im

Leiter zur Verfü-

gung haben.

76

4.6 Modul 5 – Elektrolyse von Wasser

4.6.1 Sachanalyse

Die Sachanalyse ergänzt sich mit den Erklärungen in dem Lösungsbo-

gen. Um Wiederholung zu vermeiden, sind sie nicht doppelt aufgeführt.

Laut Konvention ist die Elektrode am Pluspol der Spannungsquelle die

Anode, die Elektrode am Minuspol ist die Kathode85.

An der Anode läuft die Reaktion (Oxidation) ab:

Gleichzeitig läuft an der Kathode die Reaktion (Reduktion) ab:

2H2 O2 e- H22OH-

Auf den Lösungsbögen haben wurden die Oxidation und die Reduktion

mit den dissoziierten Bestandteilen des Wasser beschrieben. Da aber

Wasser direkt an den den Elektroden oxidiert und reduziert wird, wur-

den hier diese Gleichungen verwendet.86

Das Normalpotenzial der Normal-Wasserstoffelektrode Pt|H2|H+ beträgt

per Definition 0V. Für die Normal-Wasserstoffelektrode gilt c(H+)=1 mol/

l-1, also pH=1. Korrekter ist die Verwendung der Aktivität a(H+)=1 mol/l87,

auf die ich aber zur Vereinfachung verzichte. Da wir Leitungswasser mit

pH=7 verwenden, muss das Potenzial für diese Konzentration an Hy-

droniumionen berechnet werden.

Abbildung 12: NERNST'sch-

Gleichung zu Bestimmung der

Elektrodenpotenziale einer

Halbzelle

2H 2OO24H +4 e-

E Red |Ox=E 0 R∗Tn∗F

∗lg a Oxa Red

77

E0 ist das Normalpotenzial des beteiligten Stoffes

R ist die molare Gaskonstante: 8,314 J * K-1 * mol-1

T ist die Temperatur in Kelvin. 25°C entsprechen 298K

n ist die Anzahl der Elektronen, die pro Formel übertragen werden

a(Ox) und a(Red) sind die Aktivitäten der oxidierten bzw. reduzierten Form des Stof-fes.

Für die Reduktion der Hydroniumionen ergibt sich bei pH=7 ein Potenzi-

al von -0,41V.

Die Oxidationsreaktion der Hydroxidionen ergibt sich entsprechend der

Reaktion in Tabelle 1 ein Potenzial von +0,82V

Die Zersetzungsspannung, diese wird durch die Addition der Beträge

der Halbreaktionen ermittelt, beträgt somit 1,23V.

Entsprechend der Regel, dass die Reaktionen ablaufen, die zur ge-

ringsten Zersetzungsspannung führen,88 ergeben sich die beiden Reak-

tionen der Elektrolyse von Wasser.

4.6.2 Lernziele

Die Schüler sollen

– nachvollziehen können, dass Wasser durch Strom in seine Bestand-

teile zerlegt werden kann.

– die Bestandteile des Wassers kennen lernen.

– Reaktionsgleichung bzw. Wortgleichung für die Elektrolyse von

Wasser aufstellen können.

– den Aufbau der Elektrolyse kennen und erläutern können.

– gemeinsam einen anspruchsvollen Versuchsaufbau durchführen

können.

– die Nachweise für Wasserstoff und Sauerstoff durchführen können.

– die Methode der klassische Definition von 1 Coulomb ausprobieren.


Die Elektrolyse ist ein wichtiger Bestandteil der Elektrochemie, die in

78

Klasse 10 behandelt werden kann. Innerhalb des Thema Wasser und

Wasserstoff wird die Elektrolyse zur Zerlegung von Wasser in seine Be-

standteile durchgeführt.89 Innerhalb dieser Reihe bietet sich der Ver-

such an, der die Fächer Chemie und Physik miteinander verbindet und

deutlich macht, das die Naturwissenschaften nicht voneinander isoliert

sind. Der anspruchsvolle Aufbau fordert das handwerkliche und experi-

mentelle Geschick der Schüler und verlangt von den Schüler, dass sie

innerhalb der Gruppen zusammenarbeiten. Die Nachweise von Sauer-

stoff und insbesonders der von Wasserstoff, zeigen den Schüler, dass

ihr Experiment erfolgreich war. Die Knallgasprobe wird den meisten

Schüler aufgrund ihrer lauten Reaktion lange in Erinnerung bleiben.

Wird der Versuch sorgfältig durchgeführt, kann man beobachten, dass

die beiden Gase Wasserstoff und Sauerstoff in einem Verhältnis 2:1

entstanden sind. Dies bieten einen guten Anlass auf die Reaktionsglei-

chung einzugehen und diese von den Schüler aufstellen zu lassen.

Dass die Elektrolyse kein Versuch ist, den man nur durchführt, um

einen Versuch zu machen, wird vor dem historischen Hintergrund des

Versuches deutlich. Bis in 20. Jahrhundert war dieser Aufbau Grundla-

ge der Definition der Einheit Coulomb.

79

Versuch Elektrolyse

Material: - Gleichstromquelle

- 2 Graphitelektroden

- Kabel, Klemmen, Zwingen, Stativ

- Becherglas 500ml oder kleine Wanne

- 2 (möglichst) kleine Reagenzgläser


- Holzspan

- Streichhölzer

- Spülmittel

- Leitungswasser

Arbeitsanweisung:

Fülle das Becherglas mit Wasser und gib zwei Spatel Natriumsulfat

hinzu. Befestige die beiden Graphitelektroden mit Hilfe der Klem-

men und Zwingen, so dass sie etwas schräg in das Wasser tauchen.

Die Elektroden dürfen sich nicht berühren! Tauche die Reagenzglä-

ser ins Wasser, bis sie voll gelaufen sind. Befestige die Reagenzglä-

ser so, dass sich die Öffnung unter Wasser, aber über den Elektro-

den befindet. Achte darauf, dass die Reagenzgläser dabei gefüllt

bleiben. Verbinde jetzt die Elektroden mit der Spannungsquelle.

Stelle sie auf 10 Volt, aber nicht höher!

a) Beobachte, was an den Elektroden passiert und fange die entste-

henden Gase mit den Reagenzgläsern auf. Sieht man einen Unter-

schied?

b) Sobald das Gas das Wasser in den Reagenzgläsern verdrängt hat,

schalte die Spannungsquelle aus und verschließe die Reagenzgläser

mit dem Daumen. Prüfe die entstandenen Gase mit einem glühenden

Holzspan. Alternativ kann man auch einige Tropfen Spülmittel ins

80

Wasser geben und versuchen, die entstandenen Seifenblasen zu

entzünden.

Beobachtungen:

___________________________________________

___________________________________________

___________________________________________

___________________________________________

___________________________________________

Vermutungen/Erklärungen:

___________________________________________

___________________________________________

___________________________________________

___________________________________________

___________________________________________

___________________________________________

81

Lösung zum Versuch Elektrolyse

Material: - Gleichstromquelle

- 2 Graphitelektroden

- Kabel, Klemmen, Zwingen, Stativ

- Becherglas 500ml oder kleine Wanne

- 2 (möglichst) kleine Reagenzgläser


- Holzspan

- Streichhölzer

- Spülmittel

- Leitungswasser

Arbeitsanweisung:

Fülle das Becherglas mit Wasser und gib zwei Spatel Natriumsulfat

hinzu. Befestige die beiden Graphitelektroden mit Hilfe der Klem-

men und Zwingen, so dass sie etwas schräg in das Wasser tauchen.

Die Elektroden dürfen sich nicht berühren! Tauche die Reagenzglä-

ser ins Wasser, bis sie voll gelaufen sind. Befestige die Reagenzglä-

ser so, dass sich die Öffnung unter Wasser, aber über den Elektro-

den befindet. Achte darauf, dass die Reagenzgläser dabei gefüllt

bleiben. Verbinde jetzt die Elektroden mit der Spannungsquelle.

Stelle sie auf 10 Volt, aber nicht höher!

a) Beobachte, was an den Elektroden passiert und fange die entste-

henden Gase mit den Reagenzgläsern auf. Sieht man einen Unter-

schied?

b) Sobald das Gas das Wasser in den Reagenzgläsern verdrängt hat,

schalte die Spannungsquelle aus und verschließe die Reagenzgläser

mit dem Daumen. Prüfe die entstandenen Gase mit einem glühenden

Holzspan. Alternativ kann man auch einige Tropfen Spülmittel ins

82

Wasser geben und versuchen, die entstandenen Seifenblasen zu

entzünden.

Beobachtungen:

An den beiden Elektroden entstehen unterschiedliche Mengen an Gas: Am Mi-

nus-Pol entsteht doppelt so viel Gas wie am Plus-Pol.

Die Glimmspanprobe des Gases am Plus-Pol führt zu einem Aufglimmen des

Holzspans, während das Gas, welches am Minus-Pol entstanden ist, mit einem

Knall verpufft.

Erklärung:

Bei der Elektrolyse wird das Wasser in seine Bestandteile Sauerstoff und Was-

serstoff im Verhältnis 1:2 zerlegt:

Durch die Eigendissoziation des Wassers entstehen Hydroxid-Ionen und Hy-

dronium-Ionen:

Am Plus-Pol (Anode) findet die Oxidation statt:

Am Minus-Pol (Kathode) findet die Reduktion statt:

Bei der anschließenden Glimmspanprobe leuchtet der Span aufgrund der Sau-

erstoffumgebung hell auf. Die Glimmspanprobe am wasserstoffhaltigen Rea-

genzglas führt zu einem „lauten“ Knall, da sich mit dem entstandenen Wasser-

2H2O 2H2 O2

H 2OH +OH -

4OH-O2 2H2O4 e -

2H+2 e-H 2

83

stoff und dem vorhandenen Luftsauerstoff das Knallgasgemisch gebildet hat,

welches stark exotherm zu Wasser reagiert.

Ähnlich verläuft die Probe mit dem Spülmittel. Die aufsteigenden Gase bilden

mit dem Spülmittel einen Schaum bzw. Bläschen, bei höherer Spannung las-

sen sich auch richtige Spülmittelblasen erzeugen. Durch die Wärme des Holz-

spans zerplatzen sie und es entsteht wieder Knallgas, das explosionsartig rea-

giert.


Der Versuch ist als Gruppenarbeit geplant. Schülern, die in Chemie schwächer

sind, bietet sich die Möglichkeit, durch handwerkliche Fähigkeiten die Gruppe

zu unterstützen, da der Versuchsaufbau einiges Geschick erfordert.

Der Hinweis auf die maximal zu verwendende Spannung bietet die Möglich-

keit, die Gefahren des Stroms zu thematisieren.

Die Elektrolyse von Wasser ist Teil einer bekannten historische Definition der

Einheit Coulomb. Der Elektrolyseversuch zeigt, dass die Fächer Chemie und

Physik Gemeinsamkeiten haben. Des Weiteren bietet er viel Potenzial für den

folgenden Unterricht, z.B. bei den Themen Redoxreaktion und Elektrochemie.

Lernziele

Die Schüler sollen einen komplexen Versuch aufbauen und selbstständig

durchführen können. Sie sollen erkennen, dass Wasser durch Strom in seinen

Bestandteile zerlegt werden kann, und die entsprechende Reaktionsgleichung

formulieren können. Sie sollen Nachweise für Sauerstoff und Wasser kennen

lernen und durchführen können. Ihnen soll bewusst werden, dass Versuche kei-

nem Selbstzweck dienen, sondern Bestandteil der Wissenschaft sind.

Anmerkungen

Ein Becherglas erfordert etwas Fingerspitzengefühl beim Aufbau, da der Platz

durch die verschiedenen Klammern recht begrenzt ist. Verwendet man ein grö-

2H2O2 2H2O

84

ßeres Gefäß, ist darauf zu achten, dass der Elektrodenabstand nicht zu groß

wird, da sonst die Gasproduktion deutlich geringer wird.

Die kleinen Reagenzgläser sollten im Becherglas gefüllt werden, da es sich so

einfacher vermeiden lässt, dass wieder Luft in die Gläser kommt. Da dieser

Versuch als Schülerversuch geplant ist und Kontakt der Hände mit der Lösung

wahrscheinlich ist, darf keine gefährliche Spannung verwendet werden.

Bei der Knallgasprobe sollte das Reagenzglas mindestens waagerecht gehalten

werden, damit der Wasserstoff entweichen kann und sich das Knallgasgemisch

bildet.

Zeitbedarf

Aufbau ca. 10-15 Minuten

Durchführung ca. 15 Minuten

85

Abbildung 13: Versuchsaufbau "Elektrolyse"

86

4.7 Modul 6 – Strom und der tierische Körper

4.7.1 Sachanalyse

Galvanis Frösche zuckten noch, obwohl sie tot waren. Die Elektrisier-

maschine erzeugte eine Ladungsverschiebung im menschlichen Körper

ähnlich dem Aufladen an der Bodenmatte des Autos. Als Galvani die

Klinge des Skalpells mit dem Finger berührte, verschoben sich die La-

dungen in dem Metall der Klinge durch Influenz. In dem Augenblick, wo

die Klinge einen Nerv berührte, entstand durch den Potenzialunter-

schied ein Strom mit hoher Spannung. Der Nerv leitete dieses Signal an

den entsprechenden Muskel weiter, der sich kontrahierte.

Nerven kommunizieren u.A. über das Ausbilden eines Aktionspotenzi-

als. Diese Potenziale, die im Ruhezustand eine Spannung von -70mV

haben, entstehen durch unterschiedliche Ladungen. Durch die unter-

schiedliche Ladungsverteilung innerhalb und außerhalb der Zelle bildet

sich ein Potenzial aus. Dafür sind anorganische Anionen im Inneren der

Zelle und mehr Kalium- und Natriumionen außerhalb der Zelle, die

durch eine Membran getrennt sind, verantwortlich. Die Membran ist

durchlässig und unter Verbrauch von Energie in Form von ATP können

Natrium- und Kaliumkationen ins Innere transportiert werden. Auf diese

Weise ist ein Veränderung des Potenzials möglich.90

Der sogenannte Kniesehnenreflex wird ausgelöst, wenn bestimmte Ner-

ven (sensorische Neuronen) eine plötzliche Dehnung des Quadrizeps-

Muskels wahrnehmen. Diese Nerven werden stimuliert durch einen

Schlag auf die Sehne der Kniescheibe. Der Nerv sendet dies Signal

durch Ausbilden des Aktionspotenzials an das Rückenmark. Dort wird

das Signal über eine Synapse an eine motorische Nervenzelle (Moto-

neuron) übertragen. Ist das Signal stark genug, bildet das Motoneuron

ein Aktionspotenzial aus, das den Muskel veranlasst, sich zusammen-

zuziehen.91

87

4.7.2 Lernziele

Die Schüler sollen

- Galvanis Entdeckung kennen lernen.

- den Zusammenhang zwischen Muskelkontraktion und Strom verste-

hen.

- die Bedeutung von Strom für die Nervenzelle beschreiben können.

- eine Vorstellung vom Aufbau der Nervenzelle erlangen.

- den Signalverlauf anhand des Kniesehnenreflexes erklären können.


Dieses Modul hat einen biologischen Schwerpunkt. Die Rahmenrichtli-

nien geben für die Jahrgangsstufen 7 und 8 das Gebiet „Sinnesleistung

und Verhalten“ vor, mit folgenden Inhalten: Bau und Funktion des

menschlichen Nervensystems, Bau der Nerven, Reizaufnahme, Reizlei-

tung, Reflex als einfache Verhaltensweise am Beispiel des Kniesehnen-

reflexes.92

Als Einstieg in das Modul dient der Text „Die Froschschenkel von Luigi

Galvani“ (vgl. Arbeitsblatt). Dieser lässt die Frage offen, was wirklich

passiert ist. Aber es ist für die Schüler recht deutlich, dass ein Zusam-

menhang zur Ladung bzw. zum elektrischen Strom besteht. Seit den

Ergebnisse der PISA-Studie, wo die Lesekompetenz der Schüler be-

mängelt wurde, wird erwartet, dass diese Kompetenz geübt wird. Aus

diesem Grunde ist der Text recht lang, was für den naturwissenschaftli-

chen Unterricht eher ungewöhnlich ist.

Die Nervenzelle wird mit Hilfe der Abbildung 17 kurz vorgestellt, wobei

besprochen wird, wie eine Nervenzelle über eine Spannung von weni-

ger als 100mV kommuniziert. Da verständlicherweise keine Stromver-

suche am menschlichen Körper vorgenommen werden dürfen, wird an-

hand des folgenden einfachen Experiments die Signalübermittlung be-

sprochen.

88

Versuch

Ein Schüler setzt sich auf einen Tisch und lässt die Beine

herunterhängen, ohne den Boden zu berühren. Ein Mitschüler schlägt

jetzt vorsichtig (!) mit seiner Handkante unter die Kniescheibe. Sollte

es nicht gleich funktionieren, kann man ein bisschen probieren, wo man

treffen muss und die Stärke die Schläge ganz leicht erhöhen. Es darf

dabei nicht schmerzhaft sein!!

Anhand dieses Versuches wird die Reizleitung vom Wahrnehmen des

Reizes bis zum ausgeführten Reflex erarbeitet, dabei wird erwähnt,

dass Muskeln sich ab einer Stromstärke von 0,15A zusammen-ziehen.

Auf der Grundlage dieses Wissens können verschiedene, die Schüler

interessierende Verfahren bzw. Geräte (wie zum Beispiel das

Elektrokardiogramm (EKG), das Elektroenzephalogramm (EEG), die

Reizstromtherapie sowie die Funktionsweise moderner künstlicher

Gliedmaßen (Bionik)) besprochen werden. Sollten Fragen nach der

Gefährlichkeit des Stroms auftauchen, so bietet es sich an, damit zum

nächsten Modul überzuleiten.

89

Arbeitsblatt: Die Froschschenkel von Luigi Galvani

Bologna, November 1789 – Das Labor des Mediziners Luigi Galvani

Der Mediziner Galvani und sein Assistent arbeiteten mit einer Elektrisiermaschine, als seine Frau mehrere Frösche ins Labor brachte. Die Galvanis waren, wie die meisten Italiener zu dieser Zeit, leidenschaftliche Genießer von Froschschenkeln. Während sein Assistent weiterarbeitete, bereitete Luigi die Froschschenkel vor. An seinem Arbeitstisch zerlegte der erfahrene Arzt und Professor der Anatomie (=Lehre vom Aufbau des Körpers) die Frösche schnell und sicher mit einem Skalpell. Sein Assistent, der gerade lange Funken mit der Elektrisiermaschine erzeugte, hörte einen Schrei : „Der Frosch lebt“.

Was war passiert? Galvani hatte die Schenkelnerven des zukünftigen Abendessens mit seinem Skalpell berührt und dabei gleichzeitig mit seinem Finger die Klinge angefasst, während sein Assistent Funken erzeugte. Im Jahr drauf schrieb Galvani in seinem Werk "Beschreibung der elektrischen Kräfte der Muskelbe-wegung"* über dieses Ereignis, dass sich plötzlich „alle Muskeln an den Gelenken des Frosches wiederholt derartig zusammen[gezogen hätten], als wären sie von heftigen Krämpfen befallen."

Galvani versuchte danach, dieses unfreiwillige Experiment zu wieder-holen, hatte aber lange Zeit keinen Erfolg. Als es ihm dann gelang, glaubte er, „tierische Elektrizität“ gefunden zu haben.

* „De viribus electricitatis in motu musculari commenstarisus“(Quelle (stark verändert): http://leifi.physik.uni-

muenchen.de/web_ph10/geschichte/03galvani/froesche.htm 93 und Bild: http://www.ieee-virtual-

museum.org/collection/people.php?id=1234675&lid=194)

http://leifi.physik.uni-muenchen.de/web_ph10/geschichte/03galvani/froesche.htm



90

95

96

Abbildung 14: Aufbau einer Nervenzelle (modifizierte Quelle)

Abbildung 15: Messung der Spannung der Nervenzelle

91

4.8 Modul 7 - Gefahren des Stroms

4.8.1 Sachanalyse

Strom stellt eine Gefahr für den tierischen, also auch den menschli-

chen, Körper da. Ströme unter 2mA sind kaum wahrnehmbar und auch

nicht gefährlich. Im Umgang mit Schüler sollte vermieden werden, dass

sie einen (ungefährlichen) Stromschlag bekommen. Experimente sind

deshalb so zu planen, dass des zu solchen Stromstärken kommt.

Bereits Ströme ab 10mA können zu einer unfreiwilligen Kontraktion der

Muskel führen, die verhindert dass der Betroffen Einfluss auf diesen

Muskel hat. Umschließen der Muskel dabei den entsprechenden Leiter,

ist schwer möglich den sich von dem Leiter zu entfernen. Da neben der

Frequenz des Stroms die Zeit ein wesentlicher Faktor für die Gefähr-

lichkeit des Stroms ist, kann so eine recht geringe Stromstärke zu ernst-

haften Verletzungen führen. Ströme über 50mA sind lebensbedrohlich,

da sie die Tätigkeit des Herzmuskels stören. Die Herzmuskelzellen be-

kommen ein viel zu starkes Signal und reagieren daraufhin mit unkon-

trollierten Kontraktionen. Das Herz ist nicht mehr in der Lage gezielt

Blut durch den Kreislauf zu pumpen. Diesen Vorgang bezeichnet man

als Herzkammerflimmern. Neben Verbrennung kommt es bei längerem

Kontakt mit hohen Strömen zur Elektrolyse des Blutes, die zu Vergif-

tungserscheinungen führen kann. Wechselstrom ist gefährlicher als

Gleichstrom, da die wechselnden (50Hz) Signale die Nerven stimulieren

schneller auf die ankommenden Signale zu reagieren.

Um die gefährlichen Spannungen ausrechnen zu können, ist es not-

wendig den Widerstand des menschlichen Körpers zu kennen. Der all-

gemein verwendete Richtwert ist 1000 Ώ. Der Widerstand ist von meh-

reren Faktoren abhängig wie z.B. der Hautfeuchtigkeit abhängig. Aus

diesem Grund sollte der berechnete Grenzwerte nicht ausgeschöpft

werden.

Bei den elektrostatischen Entladungen kommt es zu Spannung von

92

mehreren kV. Da diese aber im Nanosekundenbereich ablaufen, be-

steht keine Gefahr.

Verhalten bei Stromunfällen:

Vor der Bergung des Unfallopfers muss sichergestellt werden, dass

kein Strom mehr fließt. Dies wird sichergestellt durch Betätigen des

„Not-Aus“-Schalters oder unterbrechen der Sicherung. Sollte dies nicht

möglich sein, kann versucht werden das Opfer unter Verwendung von

nicht leitfähigem Material vom Strom zu trennen. Dabei hat die eigene

Sicherheit Vorrang vor der des Opfers. Nach der Bergung sind die Le-

benszeichen (Bewusstsein, Atmung, Puls) zu überprüfen und gegebe-

nenfalls mit den entsprechenden Erste-Hilfe-Maßnahmen zu beginnen.

Ein Arzt muss auf jeden Fall verständigt werden, da es auch innerhalb

der nächsten Stunden zu Herzrhythmusproblemen kommen kann.

4.8.2 Lernziele

Die Schüler sollen

– abschätzen können, welche Ströme gefährlich sind.

– erfahren, welche Wirkungen Ströme auf den Körper haben.

– Verhaltensmaßnahmen bei Stromunfällen erwerben.

– üben, Spannung und Stromstärke mit Hilfe des Ohm'schen Geset-

zes zu berechnen.

4.8.3 Didaktisch-methodische Analyse

Zur Berechnung von gefährlichen Spannungen und Stromstärken wird

das vorher behandelte Ohm'sche Gesetz verwendet. Der Umgang mit

diesem Gesetz lässt sich an dieser Stelle sinnvoll einüben, da die Er-

gebnisse für die Schüler relevant sind. Der Unterschied von Stromstär-

ke und Spannung kann hier wiederholt werden, um sicherzustellen,

dass sicher mit diesen Größen umgegangen wird. Bei der Gefährlich-

keit des Stroms sollte von der Stromstärke ausgegangen werden, da

diese und nicht die Spannung verantwortlich ist. So lässt sich beispiels-

93

weise berechnen, wie hoch die Stromstärke im Stromnetz ist, um zu

schauen, ob diese gefährlich ist. Gleiches gilt für die verwendeten

Spannungen bei den durchgeführten Experimenten.

Das Verhalten bei einem Stromunfall wird den Schüler als Lehrervortrag

dargeboten.

Anhand eines fiktiven Zeitungsberichtes können die Inhalte der Module

noch einmal besprochen werden. Die Schüler können dazu unter-

schiedliche Vermutungen äußern und unterschiedliche Sachverhalte

annehmen, so dass die verschiedenen Aspekte der letzten Module be-

rücksichtigt werden.

Artikel:

TOD IN DER BADEWANNE

Gestern Abend wurde der 20jährige Thomas X. tot in seiner Badewanne aufgefunden. Ein eingesteckter Rei-sefernseher lag neben dem Opfer im Wasser. Das Opfer wies zwei schwarze Verbrennungspunkte an der Haut auf. Nach ersten Berichten befand sich kein Wasser in den Lungen des Toten. Ein Verbrechen kann nicht aus-geschlossen werden.

5 Anmerkungen zu den Versuchen

5.1 Anmerkungen zu Overhead-Folie

In der Literatur werden immer wieder Folien als Material angegeben.

Diese Folien sollte man nur in Einzelfällen verwenden, da sie häufig

den gewünschten Effekt nicht zeigen. Gerade unter schlechten atmo-

94

sphärischen Bedingungen, also bei hoher Luftfeuchtigkeit, ist ein Miss-

lingen des Versuchs wahrscheinlich. Wenn man davon ausgeht, dass

diese Versuche gut funktioniert haben, muss es eine schlüssige Erklä-

rung geben, warum es jetzt Probleme damit gibt. Eine Erklärung ist,

dass die Folien anders hergestellt werden als früher. Durch die Verbrei-

tung von Tintenstrahl-/Laserdruckern/Fotokopierern kam schnell das

Bedürfnis auf, Folien damit zu bedrucken. Folien für Laserdrucker sind

speziell gekennzeichnet, da sie hitzestabil ( >200°C) sein müssen. Foli-

en für Tintenstrahldrucker hingegen brauchen eine recht raue Oberflä-

che, damit die Farbe dort haften kann. Für beide Druckertypen gilt, dass

sehr glatte Folien schlecht von den Walzen des Druckers eingezogen

werden können. Aus diesem Grunde sind Folien heute rauer als vor 20

Jahren. Für die elektrostatischen Eigenschaften spielt die Oberflächen-

struktur ein wichtige Rolle, da diese die Kontaktmöglichkeiten zwischen

den Materialien bedingt.97 Die fühlbare Oberflächenbeschaffenheit sagt

aber nicht zwangsläufig etwas über die elektrostatischen Eigenschaften

der Folie aus, da diese mit speziellen Additiven beschichtet sein kön-

nen, über deren elektrostatische Eigenschaften man keine Aussagen

machen kann. Die Hersteller sind bemüht, Folien herzustellen, die mög-

lichst wenig elektrostatische Aufladung erzeugen. Verschiedene Her-

steller geben in ihren Produktinformationen Anti-Statik-Beschichtung als

Qualitätsmerkmal ihrer Folien an.98

Ein weiteres Problem ist die Zusammensetzung der Overheadfolien.

Die Hersteller sind sehr zurückhaltend mit den Angaben, woraus diese

produziert werden. Eine Angabe für OHP-Folien liefert folgende Zusam-

mensetzung:

Polyethen (PE), Polypropen (PP) und Polyvinylchlorid (PVC)99

Alle Kunststoffe liegen unterhalb von Kautschuk, also näher am negati-

ven Ende der Liste (vergleiche Tab. 2, Tab. 3 sowie 100 101 102) aber die

möglichen unterschiedlichen Anteile der einzelnen Stoffe erschweren

die Abschätzung der Eigenschaften der OHP-Folien.

Um Problemen mit schlecht funktionierenden Versuchen zu verhindern,

gelten folgende Empfehlungen:

95

Bei Versuchen, in denen der Ballon gegen Folie getestet werden soll

(wie in Versuch 2), verwendet man anstelle von OHP-Folie eine zer-

schnittene Prospekthülle. Prospekthüllen bestehen aus Polypropylen

(PP),103 womit die meisten Versuche problemlos durchführbar sind.

Oder man probiert vorher aus, welche OVP-Folien sicher funktionieren,

das heißt, dass sich die Folie auch bei erhöhter Luftfeuchtigkeit (>40%)

deutlich bewegen muss.

5.2 Anmerkung zum Luftballon

Aufgrund ihrer elektrostatischen Eigenschaften gibt es kaum eine Alter-

native zu den Luftballons. Selbst an Tagen mit höherer Luftfeuchtigkeit

(φ>40%) verringert der Einsatz der Ballons die Gefahr, dass die Versu-

che nicht funktionieren. Allerdings sind sie aufgrund ihrer Größe und ih-

res Gewichts sehr anfällig für Luftbewegungen.

Luftballons bestehen zu 36% aus Kautschuk.104 Der gesamte Bedarf an

Kautschuk wird zu einem Drittel durch natürlichen Kautschuk, also

Latex, gedeckt.105 Latex ist der Milchsaft des Kautschukbaumes (Hevea

brasiliensis). Die verbleibenden zwei Drittel des Bedarfs werden durch

synthetischen Kautschuk gedeckt, der aus „Styrol-Butadien- und

Butadien-Basis“106 besteht.

Ein gut gefüllter Luftballon hat eine Stärke von 0,2 – 0,3mm.107

5.3 Anmerkungen zur Luftfeuchtigkeit

Wenn es sich einrichten lässt, sollten die Unterrichtsstunden an tro-

ckenen Tagen durchgeführt werden. An Regentagen ist die Luftfeuch-

tigkeit so hoch, dass die Versuche weniger deutlich sind. In den Experi-

menten hat sich gezeigt, dass die Deutlichkeit und teilweise sogar der

Erfolg ab 40% relativer Luftfeuchtigkeit stark nachlassen. Insbesondere

Versuche, bei denen Materialien wie zum Beispiel Glas positiv geladen

werden sollen, sind davon betroffen.

96

5.4 Entsorgung der Chemikalien

Die Natriumsulfat-Lösung (Wassergefährdungsklasse 1108) kann pro-

blemlos in den Ausguss gegeben werden. Genauso kann auch die Kali-

umpermanganat-Lösung entsorgt werden. Obwohl Kaliumpermanganat

zur Wassergefährdungsklasse WGK 2109 gehört, dürfen in der Schule

kleinere Mengen ins Abwasser gegeben werden110. Die Abwassersat-

zung111 der entsprechenden Kommune legt fest, welche Mengen ins Ab-

wassersystem gelangen dürfen. Vor Beginn der Versuche ist den Schü-

lern mitzuteilen, wie die Chemikalien umweltgerecht entsorgt werden.

6 Fazit

Die Koppelung der naturwissenschaftlichen Fächer ist keine zweckfreie

Idee. Der fächerverbindende Unterricht bietet eine Reihe neuer Mög-

lichkeiten, den Schülern Wissen zu vermitteln: Neben dem Fachwissen

lassen sich die Kompetenzen Erkenntnisgewinnung, Bewertung und

Kommunikation besser vermitteln, da fachunabhängiges themen- und

problemorientiertes Arbeiten mehr auf die Lebenswelt der Schüler ein-

geht als reine fachspezifische Kenntnisse und Arbeitsmethoden.112

In dieser Arbeit konnte ich zeigen, dass das Thema „Ladung“ die Mög-

lichkeit bietet, fächerverbindend in den Fächern Biologie, Chemie und

Physik zu unterrichten. Durch dieses Konzept ist es möglich, die ver-

schiedenen Blickwinkel des Fachunterrichtes kennen zu lernen und die

Inhalte miteinander in Verbindung zu bringen. Es erfolgt eine deutlich

tiefer gehende Beschäftigung mit diesem Thema, welches erst dadurch

in seiner Gesamtheit erfasst werden kann.

Solange der gemeinsame naturwissenschaftliche Unterricht kein eige-

nes Fach darstellt, führt das Durchführen einer solchen Reihe zu einem

nicht unerheblichen Aufwand. Wenn sich die Möglichkeit bietet, fächer-

verbindend unterrichten zu können, sei es allein oder mit Kollegen, soll-

te die Chance genutzt werden. Das Hauptziel - einen besseren Unter-

richt für die Schüler zu machen - wird ergänzt durch das eigene Lernen.

Bei der Auseinandersetzung mit fachfremden Inhalten lernt auch der

97

Lehrer hinzu und gewinnt Erfahrungen, die dann im reinen Fachunter-

richt wieder eingesetzt werden können. Ich selbst habe während dieser

Arbeit etliche neue Erkenntnisse gewonnen, insbesondere aus dem Be-

reich der Physik, die ich sicher im Schulalltag verwenden kann. Daher

bin ich der Ansicht, dass die Auseinandersetzung mit fachfremden In-

halten eine zu bewältigende Herausforderung für jeden Lehrer darstellt,

die den zukünftigen Unterricht sicher bereichern wird.

98

7 Tabellen

Tabelle 1: Die elektrochemische Spannungsreihe113

Halbreaktion 1 Halbreaktion 2 E0 [V]e- + K+ ↔ K - 2,925e- + Na+ ↔ Na - 2,7142e- + 2 H2O ↔ H2 + 2 OH- - 0,828062e- + 2 H+ ↔ H2 0

5e- + 8 H+ + MnO4- ↔ Mn2+ + 4 H2O + 1.51

2SO42- ↔ S 2O8

2-2e- + 2,01

99

Positives Ende der Liste

geringe Elektronenaffinität

Glas

MenschenhaarPolyamidWolleNaturseideViskosefaser

Baumwolle

PapierStahlKautschukAcetatseide

Polyacrylnitrilfaser

Polyvinylchlor

Polyethylen

Negatives Ende der Liste

hohe Elektronenaffinität

Tabelle 2: Triboelektrische Reihe einiger Materialien nach Frimoni

100

Positives Ende der Liste

geringe Elektronenaffinität

Material Typischer Gegenstand

Glas Glasstab, GlasrohrHaare Kopf-, UnterarmhaarePolystyrol (PS) klare CD-Hülle (Klappe

des Jewelcase)Wolle Pullover, WolltuchLeder LedersohlenBaumwolle GeschirrhandtuchPapier DruckerpapierKautschuk LuftballonPolyethylen (PE) in OHP-Folien vorhanden Polypropylen (PP) Prospekthülle, in OHP-

Folien vorhandenPolyvinylchlorid (PVC) in OHP-Folien vorhanden

Negatives Ende der Liste

hohe Elektronenaffinität

Tabelle 3: Eigene triboelektrische Reihe

8 Bauanleitungen

8.1 Glimmlampe

Eine leere Fotodose wird an kurz vor der Rückwand mit einer Nadel im

Abstand von einer Daumenbreite zweimal durchstochen. Die Anschlüs-

se einer handelsüblichen Glimmlampe (230V) werden um 90° abgebo-

gen und mit Fingerspitzengefühl (oder ein Pinzette) von innen durch die

beiden Löcher gesteckt. Außen werden die Anschlüsse hochgebogen

und ich Löcher mit einem Tropfen Sekundenkleber gesichert.

103

8.2 Elektroskop

Material

● handelsüblichen Joghurtglas mit wiederverschließbarem Deckel

● Metallblech (1.5 cm breit x 11cm lang)

● Alufolie

● Klebeband

● Silikon-Dichtungsmasse, Knetmasse „Knete“, Kork

Aufbau

In den Deckel des Joghurtglases wird mit Hilfe eines scharfen, stabilen

Messers eine Öffnung geschnitten. Diese Öffnung sollte etwas größer

sein als das Metallblech. Zwei Streifen Aluminiumfolie auf ca. 70mm x

12mm zurechtschneiden. Die Aluminiumfolie sollte aber nicht breiter

sein als das Metallblech, damit sie sich nicht berühren können. Die Alu-

miniumfolie kann auch doppelt so breit ausgeschnitten und dann in der

Mitte gefalten werden. Dadurch wird das Elektroskop unempfindlicher.

Abbildung 16: Glimmlampe

104

Bei einem Glas mit geringem Durchmesser kann dies von Vorteil sein,

da sonst die Aluminiumfolie gegen das Glas schlagen kann und somit

den Ausschlag einschränkt. Die beiden Streifen Aluminiumfolie werden

auf beide Seiten des Metallblechs gelegt und oben mit Klebeband be-

festigt. Das Metall wird dann durch die Öffnung geschoben und mit Hilfe

von Silikon, Knetmasse oder anderen nichtleitenden Materialien fixiert.

Abbildung 17: Material zum Bau des Elektroskops

105

9 Literatur

Abbildung 18: Fertiges Elektroskop

1 Meyers Lexikonredaktion (Hrsg): Meyers großes Taschenlexikon. B.I.

Taschenbuchverlag, Mannheim 1998, 6. Auflage, S. 292.

2 Münnich, F.: Einführung in die Physik der Naturwissenschaftler. Manuskript. TU-

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3 ebd. S. 177.

4 Physikalisch-Technische Bundesanstalt (Hrsg.): Die gesetzlichen Einheiten in

Deutschland. Braunschweig 2004, S. 1.

5 Niedersächsischen Kultusministerium (Hrsg.):Rahmenrichtlinien für die

Realschule: Naturwissenschaften. Schroedel, Hannover 1992, S. 38.

6 Physikalisch-Technische Bundesanstalt (Hrsg.): Die gesetzlichen Einheiten in

Deutschland. Braunschweig 2004, S. 2.

7 Münnich, F.: Einführung in die Physik der Naturwissenschaftler. Manuskript. TU-

Braunschweig 1993, S. 164.

8 Moore, A.D.: Elektrostatik – Eine Einführung mit Versuchen. Verlag Chemie,

Weinheim/Bergstr. 1972, S.10.

9 Helling, Aufgeladen Phänomene und Grundlagen zu elektrostatischen

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10 Mortimer, Charles E.: Chemie. Thieme Verlag, Stuttgart,New York 1987, 5.

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11 Nemeth E.: Triboelektrische Aufladung von Kunststoffen. Dissertation.

Technischen Universität Bergakademie Freiberg, 2003, S. 12.

12 Ebd. S. 26.

13 Ebd.

14 Ebd,

15 Ebd. S.23.

16 Ebd. S.34.

17 Watson/Yu in Nemeth E.: Triboelektrische Aufladung von Kunststoffen.

Dissertation. Technischen Universität Bergakademie Freiberg, 2003, S. 31.

18 Beckmann, A.: Fächerübergreifender Unterricht. Verlag Franzbecker,

Hildesheim, Berlin 2003, S. 5.

19 Ebd. 12ff.

20 Ebd.

21 Ebd.

22 Ebd.

23 Niedersächsisches Kultutministerium (Hrsg.): Curriculare Vorgaben für die

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http://www.nibis.de/nli1/gohrgs/rrl/rs5_6/cvrsmathe.pdf4. April 2006.

24 Niedersächsisches Kultusministerium (Hrsg.): Rahmenrichtlinien für die

Realschule. Schroedel, Hannover 1992, S. 38.


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Realschule. Schroedel, Hannover 1992 S. 38.

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28 Duncker/Popp (Hrsg.) Über Fachgrenzen hinaus – Chancen und Schwierigkeiten

des fächerübergreifenden Lehrens und Lernes. Dieck, Heinsberg 1997, S. 156.

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vom 15. Juli 2005 auf http://www.bildungsportal.nrw.de/BP/Schule/System/Recht/

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30 Biologie, Chemie, Physik in den Klassen 5 und 6 auf www.learn-

line.nrw.de/angebote/nw-unterrichtsentwicklung/material/nw_broschuere.pdf

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31 Ebd.

32 Ebd.

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www.nibis.de/nli1/gohrgs/bildungsstandards/mittlerer_schulabschluss_10/bs_ms

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34 Deutsches PISA-Konsortium (Hrsg.) (2000): Schülerleistungen im internationalen

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Fähigkeiten. Berlin: Max-Planck-Institut für Bildungsforschung S. 66ff auf

http://www.mpib-berlin.mpg.de/PISA/Rahmenkonzeptiondt.pdf 2. Mai 2006.

35 Bildungsstandards im Fach Chemie für den Mittleren Bildungsabschluss auf

http://www.nibis.de/nli1/gohrgs/bildungsstandards/mittlerer_schulabschluss_10/b

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36 Edelmann, W.:Lernpsychologie. BeltzPVU, Weinheim 2000, 6. Auflage, S. 259.

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Realschule. Schroedel, Hannover 1992, S. 51ff.

39 Ebd.

40 Bildungsstandards im Fach Chemie für den Mittleren Bildungsabschluss S. 7 auf



41 Eschenhagen, D.: Fachdidaktik Biologie, Aulis Verlag Deubner, Köln 2001, 5.

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42 Ebd. S. 295.

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Realschule. Schroedel, Hannover 1992.

45 Bildungsstandards im Fach Chemie für den Mittleren Bildungsabschluss auf

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http://www.bildungsportal.nrw.de/BP/Schule/System/Recht/Vorschriften/APOen/AeVO.pdf

http://www.schure.de/schools/os/orgos2.htm



46 Bildungsstandards im Fach Biologie für den Mittleren Bildungsabschluss auf


s_ms_kmk_biologie.pdf 19. März 2006.

47 Bildungsstandards im Fach Physik für den Mittleren Bildungsabschluss auf http://

www.nibis.de/nli1/gohrgs/bildungsstandards/mittlerer_schulabschluss_10/bs_ms

_kmk_physik.pdf 19. März 2006.



49 Bildungsstandards im Fach Chemie/Physik/Biologie für den Mittleren

Schulabschluss auf

http://www.nibis.de/nli1/gohrgs/bildungsstandards/mittlerer_schulabschluss_10/

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50 Labudde, P.:Chancen für den Physikunterricht in der heutigen Zeit - Zehn

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s0206.pdf 11.Juli 2006.

51 DUBS, R.: Konstruktivismus: Einige Überlegungen aus der Sicht der

Unterrichtsgestaltung in Zeitschrift für Pädagogik 41, S. 889ff.

52 Hoof, D. (Hrsg): Didaktisches Denken und Handeln - Eine Einführung in die

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der Technischen Universität Braunschweig, Braunschweig 2001, S. 103.

53 Hurrelmann in Duncker/Popp(Hrsg.).:Über die Fächergrenze hinaus. I

Grundlagen und Begründungen. Agentur Dieck, Heinsberg 1997, S.137.

54 Bildungsstandards im Fach Chemie für den Mittleren Bildungsabschluss S. 8 auf




Auflage, S. 241ff.

56 Wolf,M.: Die Erziehung zum selbstständigen experimentellen Lernen im

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57 Barke, H.-D., Harsch, G.: Chemiedidaktik heute. Springer Verlag, Berlin 1999, S.

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http://www.nibis.de/nli1/gohrgs/bildungsstandards/mittlerer_schulabschluss_10/








61 Campbell, N.: Biologie. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2000, 2.

Aufl., S. 989.

62 Modifizierte Abbildung nach Böttgenbach, H. et al.: Bio 2/3 GS. Westermann,

Braunschweig 1982 S. 192.

63 http://www.kern-gmbh.de/kunststoff/service/glossar/polystyrol.htm 20.6.2006.


Technischen Universität Bergakademie Freiberg, 2003, S. 11.

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66 Jander, G., Blasius, E.: Lehrbuch der analytischen und präparativen

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69 Bildungsstandards im Fach Chemie für den Mittleren Bildungsabschluss S.4 auf



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72 http://www.muenster.org/uiw/fach/chemie/daten/inhalt/1_1-9.htm 29. Juni 2006

73 Schwedes et al.: Elektrizitätslehre mit Wassermodellen – Erfahrungen mit

analogie-orientiertem Unterricht in: Praxis der Naturwissenschaften – Physik.

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Realschule. Schroedel, Hannover 1992, S 53.

75 Schlichting, H.-J., Backhaus, U.: Physikunterricht 5-10. U&S Pädagogik,

München 1981, S. 140.

76 Ebd. S.138.

77 Härtel (Hrsg.):Zur Didaktik der Physik und Chemie. Herman Schroedel Verlag

KG, Hannover 1978, S. 78.

78 Wolf,M.: Die Erziehung zum selbstständigen experimentellen Lernen im

Chemieunterrich. Dissertation. Hundt Druck GmbH, Köln 1988, S. 101.


Auflage, S.139.

80 Hugenschmidt,Technau: Methoden schnell zur Hand. Klett, Stuttgart 2002, S. 76.

81 Ebd. S.78.

82 Kosmos Elektronik-Labor E200, Franckh'sche Verlagshandlung Stuttgart 1982 4.

Auflage S.15.

83 ebd.

84 ebd.


Auflage,, S. 323.

http://www.muenster.org/uiw/fach/chemie/daten/inhalt/1_1-9.htm

http://dc2.uni-bielefeld.de/dc2/echemie/ionwan2v.htm



http://www.kern-gmbh.de/kunststoff/service/glossar/polystyrol.htm

86 Dehnert, K. et al. (Hrsg): Allgemeine Chemie, Schroedel Schulbuchverlag

Hannover 1979, S. 142.

87 Ebd. S. 330.

88 Ebd. S. 142.




Aufl., S. 1085ff.


Aufl., S. 1103.


Realschule. Schroedel, Hannover 1992, S. 81ff.

93 http://leifi.physik.uni-muenchen.de/web_ph10/geschichte/03galvani/froesche.htm

8. Juli 2006

94 http://www.ieee-virtual-museum.org/collection/people.php?id=1234675&lid=1 8.

Juli 2006

95 Böttgenbach, H. Et al.: Bio 2/3G. Westermann Braunschweig 1983 S.186.

96 ebd. S. 187.


Technischen Universität Bergakademie Freiberg, 2003, S. 31ff.

98 http://www.oce.com/de/Products/Supplies/imagingsupplies_catalogue/Druck_und

+Kopiermaterialien_k/Sw_Kopierer+und_Drucker+/Folien.htm 12. Juni 2006.

99 Hart, H. et al.: Organische Chemie. Wiley-VCH, Weinheim 2002, 2. Auflage, S.

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100 http://de.wikipedia.org/wiki/Reibungselektrizit%C3%A4t 20. Juni 2006.


Technischen Universität Bergakademie Freiberg, 2003, S.23.

102 ZELTOBRJUCHOV, V.F.: Elektrostatische Aufladung von Fasern in Acta

Polymerica 33 (1982) Heft 8, S. 447ff. 103 Http://www.leitz.com/deDE/Categories/Prospekthullen_-_73.html 20. Juni 2006.

104 Ulbrich, Vollmer in Chemie unserer Zeit, Ausgabe 39, WILEY-VCH Verlag GmbH

,Weinheim,S.285.

105 Ebd.

106 Ebd.

107 Http://www.wdr5.de/sendungen/leonardo/manuskript/ms040226kla_ott_luftballons.pdf 20. Juni 2006.

108 http://www.hvbg.de/d/bia/gestis/icsc/index.html 29. Juni 2006.

109 Ebd.

110 http://www.muenster.org/uiw/fach/chemie/daten/inhalt/1_1-9.htm 29. Juni 2006.

111 www.braunschweig.de/rat_verwaltung/stadtrecht/6_06_Abwasser_2005.pdf 22.

Juni 2006.

112 Beckmann, A.: Fächerübergreifender Unterricht. Verlag Franzbecker,

http://www.muenster.org/uiw/fach/chemie/daten/inhalt/1_1-9.htm

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http://www.ieee-virtual-museum.org/collection/people.php?id=1234675&lid=1



Hildesheim, Berlin 2003, S. 20.


Auflage, S. 332, 606.

Das Thema „Ladung“ im naturwissenschaftlichen … · Die Entdeckung der Elektrostatik begann im...

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