Der Transformator (Frühjahr 2000 Thema Nr. 3) · Der Transformator wird auch oft Umspanner...

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Übung/Seminar: Angewandte Fachdidaktik II Constanze Erhart Seminarvortrag: Der Transformator am 1.12.2003 Der Transformator (Frühjahr 2000 Thema Nr. 3) 1. Es soll der Transformator im Unterricht behandelt werden. Erläutern Sie die dazu erforderlichen fachlichen Voraussetzungen! Erklären Sie die Wirkungsweise des Transformators! 2. Nennen Sie wichtige Lernziele zum Thema Transformator und begründen Sie diese! 3. Welche Gesetzmäßigkeiten zum Thema Transformator werden im Unterricht üblicher- weise erarbeitet? Stellen Sie hierzu zwei typische Experimente dar! 4. Skizzieren Sie eine Unterrichtseinheit mit dem Thema "Wirkungsweise des Transformators"! 5. Die Durchführung von Schülerexperimenten zum Thema Transformator ist nicht ungefährlich. a. Begründen Sie dies, indem Sie auch, darauf eingehen, warum und unter wel- chen Bedingungen elektrische Spannungen gefährlich sind! b. Welche Vorsichtsmaßnahmen müssen für Schülerversuche zum Thema Trans- formator unbedingt getroffen werden? c. Beschreiben Sie einen Modellversuch zum Induktionsofen und zum Punkt- schweißen! Zu 1: Es soll der Transformator im Unterricht behandelt werden. Erläutern Sie die dazu erforderlichen fachlichen Voraussetzungen! Erklären Sie die Wirkungsweise des Transformators! Lernvoraussetzungen: - Kenntnis des Begriffs Spannung - Kenntnis des Begriffs Stromstärke - Kenntnis des Begriffs Leistung - Kenntnis des Begriffs Spule - Wissen, dass Spulen unterschiedliche Windungszahlen haben können - Wissen, dass sich in und außerhalb der Spule das Magnetfeld ändert, wenn sich die Stromstärke ändert - Kenntnis des Begriffs Induktion - Kenntnis der Überlastung eines Gerätes und die davon ausgehende Brandgefahr 1

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Übung/Seminar: Angewandte Fachdidaktik II Constanze Erhart Seminarvortrag: Der Transformator am 1.12.2003

Der Transformator (Frühjahr 2000 Thema Nr. 3)

1. Es soll der Transformator im Unterricht behandelt werden. Erläutern Sie die dazu erforderlichen fachlichen Voraussetzungen! Erklären Sie die Wirkungsweise des Transformators!

2. Nennen Sie wichtige Lernziele zum Thema Transformator und begründen Sie diese! 3. Welche Gesetzmäßigkeiten zum Thema Transformator werden im Unterricht üblicher-

weise erarbeitet? Stellen Sie hierzu zwei typische Experimente dar! 4. Skizzieren Sie eine Unterrichtseinheit mit dem Thema "Wirkungsweise des

Transformators"! 5. Die Durchführung von Schülerexperimenten zum Thema Transformator ist nicht

ungefährlich. a. Begründen Sie dies, indem Sie auch, darauf eingehen, warum und unter wel-

chen Bedingungen elektrische Spannungen gefährlich sind! b. Welche Vorsichtsmaßnahmen müssen für Schülerversuche zum Thema Trans-

formator unbedingt getroffen werden? c. Beschreiben Sie einen Modellversuch zum Induktionsofen und zum Punkt-

schweißen!

Zu 1: Es soll der Transformator im Unterricht behandelt werden. Erläutern Sie die dazu erforderlichen fachlichen Voraussetzungen! Erklären Sie die Wirkungsweise des Transformators! Lernvoraussetzungen:

- Kenntnis des Begriffs Spannung - Kenntnis des Begriffs Stromstärke - Kenntnis des Begriffs Leistung - Kenntnis des Begriffs Spule - Wissen, dass Spulen unterschiedliche Windungszahlen haben können - Wissen, dass sich in und außerhalb der Spule das Magnetfeld ändert, wenn sich die

Stromstärke ändert - Kenntnis des Begriffs Induktion - Kenntnis der Überlastung eines Gerätes und die davon ausgehende Brandgefahr

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Wirkungsweise des Transformators: Der Begriff des Transformators hat seine Herkunft im Lateinischen (transformare = umfor-men, verwandeln). Der Transformator wird auch oft Umspanner genannt. Im Hinblick auf das Gebiet der Elektrotechnik heißt dies, dass es mit Hilfe eines Transformators möglich ist, Spannungen, Ströme und jegliche Art von Signalen in einer bestimmten Art und Weise zu übertragen oder umzuwandeln. Ein Transformator besteht aus zwei auf einen geschlossenen Eisenkern gewickelten Spulen, einer Feldspule (Primärspule) mit Np Windungen und einer Induktionsspule (Sekundärspule) mit Ns Windungen. Die Wicklungen werden dabei meist aus Kupfer oder Aluminium hergestellt und sind gegeneinander isoliert, da es andernfalls zu Kurzschlüssen kommen kann. Das Verhältnis Ns:Np nennt man Übersetzungsverhältnis des Transformators. Fließt Wechselstrom durch die Primärspule, so ändert sich dauernd auch das Magnetfeld in der Sekundärspule mit der Frequenz des Wechselstroms. Daher wird in der Sekundärspule eine Sekundärspannung Us induziert. Sie hat die gleiche Frequenz wie die Primärspannung Up. Beim unbelasteten Transformator verhält sich die Primärspannung zur Sekundärspannung wie die zugehörigen Windungszahlen der Wicklungen.

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Beim belasteten Transformator verhalten sich die Ströme umgekehrt wie die Windungszah-len.

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Des Weiteren gilt für die Parameter bei Schulversuchen in guter Näherung:

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Zu 2: Nennen Sie wichtige Lernziele zum Thema Transformator und begründen Sie diese! (LZ 1) Die Schüler sollen Einblick in einen Elektronikkatalog erhalten. Begründung: Dadurch soll die Allgemeinbildung der Schüler gefördert werden und den Schülern gezeigt werden, dass es für den Experimentiertrafo auch Entsprechungen in der Erfahrungswelt der Schüler gibt. Ein solcher Einblick kann auch für zukünftige Unterrichts-einheiten von Vorteil sein. Dies kann auch eine Anregung zu eigenen Bastelarbeiten darstel-len. (LZ 2) Die Schüler sollen den Aufbau eines Transformators kennen. Begründung: Dies ist wichtig, da der Transformator in vielen technischen Geräten aus der Erfahrungswelt der Schüler vorkommt (Gegenwartsbezug) und kann auch für den späteren Beruf von Bedeutung sein (Zukunftsbedeutung). Der Transformator ist ein Teil der Umwelt

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des Schülers und deshalb muss er auch seine Bauteile benennen können (terminologisches Wissen). (LZ 3) Die Schüler sollen erkennen, dass ein Transformator mit (reiner) Gleichspannung nicht funktioniert. Begründung: Es stellt eine Vertiefung des bereits bekannten Induktionsgesetzes dar. Es wird allerdings darauf verzichtet nachzumessen, dass die Spannung Null ist. (LZ 4) Die Schüler sollen erkennen, dass ein Transformator nur mit Wechselspannung betrie-ben werden kann und die Vorgänge im Transformator beschreiben können. Begründung: Die Schüler sollen dadurch erfahren, dass gewisse technische Geräte nur mit Wechselspannung betrieben werden können. Sie sollen dadurch auch wissen, warum Geräte aus ihrer täglichen Erlebniswelt oder ihres zukünftigen Lebens Transformatoren enthalten. Hierbei handelt es sich jedoch um eine Elementarisierung, da man sich nur auf Wechselspan-nungen beschränkt. (LZ 5) Die Schüler sollen den Zusammenhang zwischen dem Verhältnis der Windungszahlen der Spulen und dem Verhältnis der Spannungen in Primär- und Sekundärkreis kennen (Span-nungsübersetzung), sowie ein Experiment zur Erarbeitung dieser Gesetzmäßigkeit beschrei-ben können. Begründung: Dadurch sollen die Schüler erkennen, warum Geräte aus dem täglichen Leben wie z.B. ein Kassettenrekorder sowohl mit Batterien, als auch über die Netzspannung betrie-ben werden kann (Gegenwartsbezug). Auch soll so eine Verbindung zu Hochspannungslei-tung und Umspannwerk geschaffen werden. Die Schüler sollen lernen mit physikalischen Größen und Größengleichungen umzugehen, sowie aus vorliegenden Messreihen Informatio-nen zu entnehmen und zu verarbeiten (Anwendung). Umgekehrt kann das Verständnis dieser Gesetzmäßigkeit anhand vorgegebener Messwerttabellen sowohl vertieft als auch überprüft werden (Verstehen). (LZ 6) Die Schüler sollen den Zusammenhang zwischen dem Verhältnis der Windungszahlen der Spulen und dem Verhältnis der Stromstärken in Primär- und Sekundärkreis kennen (Stromübersetzung), sowie ein Experiment zur Erarbeitung dieser Gesetzmäßigkeit beschrei-ben können. Begründung: Die Schüler sollen lernen mit physikalischen Größen und Größengleichungen umzugehen, sowie aus vorliegenden Messreihen Informationen zu entnehmen und zu verar-beiten (Anwendung). Umgekehrt kann das Verständnis dieser Gesetzmäßigkeit anhand vorge-gebener Messwerttabellen sowohl vertieft als auch überprüft werden (Verstehen).

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Zu 3: Welche Gesetzmäßigkeiten zum Thema Transformator werden im Unterricht üb-licherweise erarbeitet? Stellen Sie hierzu zwei typische Experimente dar! Gesetzmäßigkeiten: Im Unterricht werden üblicherweise folgende Gesetzmäßigkeiten erarbeitet: Spannungsübersetzung

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Stromübersetzung

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Dadurch kann auch folgende Gesetzmäßigkeit erarbeitet werden:

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Zwei typische Experimente: Versuch zur Erarbeitung der Spannungsübersetzung (unbelasteter Transformator): Ein zerlegbarer Experimentiertransformator, bestehend aus einem U-Kern, zwei Spulen und einem Joch aus Eisen, wird auf Primär- und Sekundärseite mit Spulen (z.B. 300, 600 und 1200 Windungen) in verschiedener Kombination betrieben. Die an die Primärspule angelegte Spannung Up wird schrittweise erhöht. Die jeweils zugehörige Sekundärspannung Us wird mit einem Spannungsmessgerät für Wechselspannungen (50 Hz) gemessen. Da das Messgerät im Allgemeinen einen sehr großen elektrischen Widerstand besitzt, fließt im Sekundärstromkreis ein vernachlässigbar kleiner Strom. Der Transformator wird in diesem Fall als „unbelastet“ bezeichnet. Die Werte für Up, Us, Np und Ns werden in eine Wertetabelle eingetragen. Anschließend wer-den die Quotienten aus Us/Up und Ns/Np gebildet. Daraus ergibt sich, dass im Rahmen der Messgenauigkeit gilt:

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Daten Netzgerät: 25 V; 12 A Wechselspannung

Np Ns Up [V] Us [V] Ns/Np Us/Up 600 300 0 0 0,5 0 600 300 5 2 0,5 0,4 600 300 10 4,5 0,5 0,45 600 300 15 7 0,5 0,46 600 300 20 9,5 0,5 0,48 600 300 25 12 0,5 0,48 600 300 30 14,5 0,5 0,48 300 1200 0 0 4 0 300 1200 5 18 4 3,6 300 1200 10 35 4 3,5 300 1200 15 55 4 3,67 300 1200 20 75 4 3,75 300 1200 25 95 4 3,8 300 1200 30 115 4 3,83 Versuch zur Erarbeitung der Stromübersetzung (belasteter Transformator): Die Primärspule des Transformators liegt an einer Wechselspannungsquelle (50 Hz). Wird an die Sekundärspule ein Verbraucher (ohmscher Widerstand) angeschlossen, so fließt im Se-kundärkreis ein Strom; der Transformator ist dann belastet. Die Belastung des Transformators ist umso größer, je mehr Strom im Sekundärkreis fließt. Die Beziehung zwischen Primär- und Sekundärstrom und den Windungszahlen der Spulen wird beim belasteten Transformator untersucht. Ein zerlegbarer Experimentiertransformator, bestehend aus einem U-Kern, zwei Spulen und einem Joch aus Eisen, wird auf Primär- und Sekundärseite mit Spulen (z.B. 300, 600 und 1200 Windungen) in verschiedener Kombination betrieben. Auf Primär- und Sekundärseite wird ein Strommessgerät eingebaut. Außerdem wird der Sekundärstromkreis durch einen Schiebewiderstand R (100 Ω) ergänzt. Nach Anlegen der Spannung an den Primärstromkreis wird mit Hilfe des Schiebewiderstandes der Sekundärstrom von 0 ausgehend in gleichmäßi-gen Schritten bis etwa 2,5 A erhöht. Es werden jeweils die Windungszahlen der Spulen, sowie die zugehörigen Stromstärken für Primär- und Sekundärkreis notiert. Es werden die Quotienten aus Is/Ip und Np/Ns gebildet. Daraus ergibt sich, dass im Rahmen der Messgenauigkeit gilt:

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Daten Netzgerät: 25 V; 12 A Wechselspannung

Np Ns Ip [µA] Is [µA] Np/Ns Is/Ip 600 300 0 0 0,5 0 600 300 55 40 0,5 0,73 600 300 75 80 0,5 1,07 600 300 97 120 0,5 1,24 600 300 115 160 0,5 1,39 600 300 135 200 0,5 1,48 600 300 155 240 0,5 1,55 300 1200 0 0 4 0 300 1200 500 120 4 0,24 300 1200 540 130 4 0,24 300 1200 580 140 4 0,24 300 1200 640 150 4 0,23 Zu 4: Skizzieren Sie eine Unterrichtseinheit mit dem Thema „Wirkungsweise des Trans-formators“! Grobziel: Die Schüler sollen Einblick in einen Elektronikkatalog erhalten, sowie Aufbau und Wir-kungsweise eines Transformators kennen lernen. Feinziele: (FZ 1) Die Schüler sollen Einblick in einen Elektronikkatalog erhalten. (FZ 2) Die Schüler sollen den Aufbau eines Transformators kennen. (FZ 3) Die Schüler sollen erkennen, dass ein Transformator mit (reiner) Gleichspannung nicht funktioniert. (FZ 4) Die Schüler sollen erkennen, dass ein Transformator nur mit Wechselspannung betrie-ben werden kann und die Vorgänge im Transformator beschreiben können. (FZ 5) Die Schüler sollen den Zusammenhang zwischen dem Verhältnis der Windungszahlen der Spulen und dem Verhältnis der Spannungen in Primär- und Sekundärkreis kennen (Span-nungsübersetzung). (FZ 6) Die Schüler sollen den Zusammenhang zwischen dem Verhältnis der Windungszahlen der Spulen und dem Verhältnis der Stromstärken in Primär- und Sekundärkreis kennen (Stromübersetzung).

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Artikulation Lehrerverhalten Erwartetes Schülerverhalten Lehr-/ Lernform Sozialform MedienMotivation 1 L: Welche Geräte kommen

denn bei der Modelleisenbahn so vor? L: Trafo ist ja ein Kurzwort. Wer weiß denn für was dieses Kurzwort steht?

S: Schienen, Lok, Wagons. S: Trafo. S: Das Wort Trafo steht für Transformator. Der Trafo wird an die Steckdose angesteckt und mit ihm kann man dann die Geschwindigkeit der Züge re-gulieren.

Fragend/ herausholend

Unterrichtsge-spräch

Problemfrage 1 L: Weiß vielleicht jemand von Euch noch etwas mehr dar-über?

Schüler schauen fragend. Sie denken nach.

Fragend Unterrichtsge-spräch

Meinungsbildung 1

L: Weiß jemand wie ein Trans-formator aufgebaut ist?

Schülerbeiträge:

- Spannungsverkleine-rung um Gleise gefahr-los berühren zu können.

- Trafo liefert gleiche Spannung wie die Steckdose an die er an-geschlossen ist.

- Mittels des Drehschal-ters ist die Geschwin-digkeit der Lok verän-derbar.

Schüler schweigen

Fragend/ erarbeitend

Unterrichtsge-spräch

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(Erarbeitung und Er-reichen von Feinziel 1)

L: Wollen wir doch mal schauen, was wir im Internet dazu finden. Lehrer benutzt den bereits vor der Unterrichtsstunde gestar-teten Computer, um eine bereits als Bookmark gesetzte Internet-seite eines Elektronikfach-händlers (z.B. Conrad), die den Aufbau eines Transformators zeigt, zu öffnen. Mittels eines Beamers wird das Bild für alle Schüler sichtbar an die Leinwand projiziert.

Darbietend/ rezeptiv

Computer mit Internetan-schluss Beamer

Versuchsplanung 1 (Erarbeitung vonFeinziel 2)

Lehrer hält die Bauteile hoch und lässt Schüler die Bauteile beschreiben.

L: Ich habe hier verschiedene Bauteile mitgebracht.

Lehrer nennt den Schülern die genauen Bezeichnungen für die Bauteile. L: Ihr habt ja alle das Bild im Internet gesehen. Wie könnte man denn nun aus den mitge-brachten Bauteilen einen Expe-rimentiertransformator bauen?

Schüler betrachten die Geräte und überlegen. S: Spulen mit Loch, u-förmiges und quaderförmiges Metallteil. S: Die Spule hat doch innen ein Loch, vielleicht kann man die auf den U-Kern stecken. S: Das Joch kann man doch dann vielleicht auf den U-Kern legen. S: Und die Spannvorrichtung könnte dazu dienen das Ganze zu sichern.

Impulsgebend/ erarbeitend

Unterrichtsge-spräch

Spulen U-Kern Joch aus Eisen Spannvorrich-tung

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L: Gut. Dann werden wir das mal so aufbauen.

Versuchsaufbau 1 (Erreichen von Fein-ziel 2) (Sicherung von Fein-ziel 2)

Lehrer baut Experimentier-transformator nach Anweisung der Schüler zusammen. Lehrer teilt den Schülern ein Bild eines Experimentiertrans-formators mit Beschriftungs-pfeilen aus, das die Schüler ins Heft kleben sollen. Lehrer legt die dazugehörige Folie auf den Overheadprojektor und be-schriftet die einzelnen Bauteile. (Folie 1)

Schüler geben Anweisungen und beobachten was der Lehrer tut. Schüler diktieren Lehrer wie er die Bauteile beschriften muss.

Darbietend/ aufnehmend

Frontalunterricht Overheadpro-jektor Folie Folienstifte

Versuchsplanung 2 (Erarbeitung vonFeinziel 3)

L: Was fehlt denn unserem Transformator noch, damit er funktioniert? L: Kommen wir doch noch mal zur Modelleisenbahn zurück. Mit welchen Teilen einer Mo-delleisenbahn kann man die gerade von Euch genannten Bauteile vergleichen?

S: Strom. S: Der Transformator muss mittels Kabel mit dem Netz-gerät verbunden werden. S: Wir brauchen noch irgend-was damit wir sehen ob der Transformator überhaupt eine Wirkung hat. S: Der Experimentiertransfor-mator entspricht dem Eisen-bahntrafo. S: Der Netzgerät entspricht der Steckdose.

Fragend/ herausholend

Unterrichtsge-spräch

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L: Und was hängt beim Eisen-bahntrafo an der anderen Seite als Verbraucher? L: Was könnte man denn dann bei unserem Versuch als Verbraucher nehmen?

S: Gleise, Zug, etc. S: Wie wäre es mit einer Glüh-birne oder einem Messgerät?

Versuchsaufbau 2 Lehrer ergänzt Versuchsaufbau 1 nach Anweisungen der Schüler mit Netzgerät, Kabel und Glühbirne. Lehrer weist darauf hin, dass die Spule die mit dem Netzge-rät verbunden ist als Primär-spule bezeichnet wird und die andere Spule als Sekundär-spule.

Schüler geben Anweisungen und beobachten den Lehrer.

Darbietend/ aufnehmend

Frontalunterricht Experimentier-transformator Netzgerät Kabel Glühbirne

Versuchsdurchfüh-rung 1

L: Mit welcher Spannungsart wird denn der Versuch jetzt betrieben? L: Ich würde vorschlagen, dass wir beide Varianten einmal ausprobieren. Lehrer führt Versuch zunächst mit Gleichspannung (hierbei wird die Primärspannung mehrmals per Hand ein- und ausgeschaltet) durch.

S: Mit Gleichspannung. S: Mit Wechselspannung. Schüler beobachten was pas-siert.

Impulsgebend Darbietend/ aufnehmend

Unterrichtsge-spräch Lehrerdemo

Gesetz 1

L: Was habt Ihr denn bei die-sem Versuch beobachtet?

S: Die Lampe hat beim Betrei-ben mit Gleichspannung nur kurz aufgeleuchtet, als die Spannung ein- oder ausge-schaltet wurde.

Fragend/ erarbeitend

Unterrichtsge-spräch

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(Erreichen von Fein-ziel 3) (Erreichen von Fein-ziel 4) (Lernzielkontrolle Feinziel 3 und 4)

L: Habt Ihr vielleicht eine Er-klärung dafür? (Erarbeitung mit Hilfe geeig-neter Impulse) Lehrer führt Versuch noch einmal mit Wechselspannung durch. L: Was habt Ihr denn jetzt hier beobachtet? L: Habt Ihr vielleicht eine Er-klärung dafür? (Erarbeitung mit Hilfe geeig-neter Impulse) Lehrer zeichnet Schaltskizze und schreibt die Versuchs-durchführung an die Tafel. (Tafelanschrift 1) Lehrer lässt die Schüler das Funktionsprinzip eines Trans-formators bei Gleich- und

S: Durch den Ein- und Aus-schaltvorgang ist in und außer-halb der Primärspule eine Magnetfeldänderung zustande gekommen. S: Durch diese Magnetfeldän-derung wurde in der Sekundär-spule eine Spannung induziert, die das Glühlämpchen zum Leuchten gebracht hat. Schüler beobachten was pas-siert. S: Bei Wechselspannung hat die Lampe immer geleuchtet. S: Bei Wechselspannung kommt es ständig zu Magnet-feldänderungen, deshalb leuchtet auch das Lämpchen immer. S: Bei Gleichspannung kommt nur beim Ein- und Ausschalt-vorgang eine Magnetfeldände-

Impulsgebend/ erarbeitend Darbietend/ aufnehmend Impulsgebend/ erarbeitend Darbietend/ aufnehmend Herausholend

Frontalunterricht Unterrichtsge-spräch Frontalunterricht Unterrichtsge-spräch

Tafel Kreide

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(Sicherung von Fein-ziel 3 und 4)

Wechselspannung wiederholen. Lehrer schreibt die gefundene Gesetzmäßigkeit an die Tafel. (Tafelanschrift 2)

rung zustande. Die Wechsel-spannung Up im Primärkreis führt zu einer Magnetfeldände-rung in der Primärspule. Da-durch wird in der Sekundär-spule eine Spannung Us indu-ziert und das Magnetfeld der Sekundärspule ändert sich ebenfalls.

Darbietend/ aufnehmend

Frontalunterricht

Tafel Kreide

Problemfrage 2 Evtl. stummer Impuls (Lehrer hält verschiedene Spulen hoch)

S: Hängt die Spannung von den Windungszahlen der Spulen ab?

Unterrichtsge-spräch

Meinungsbildung 2 L: Was meinen denn die ande-ren dazu? (evtl. Verweis des Lehrers auf Erfahrungen mit verschiedenen Windungszahlen bei der In-duktion)

Schüler überlegen. S: Ich denke schon, dass es irgendwie von der Windungs-zahl der Spulen abhängt, wie wir aus Experimenten bei der Induktion wissen.

Fragend/ erörternd

Unterrichtsge-spräch

Versuchsplanung 3 (Erarbeitung vonFeinziel 5)

L: Hat jemand eine Idee wie man diese Hypothese für die Spannung experimentell bewei-sen oder widerlegen könnte? (evtl. noch geeignete Impulse)

S: Man könnte ja verschiedene Spulenkombinationen auspro-bieren. S: Und anstatt der Glühbirne könnte man ein Spannungs-messgerät nehmen. S: Man könnte vielleicht auf der Primärseite die Wechsel-spannung Up schrittweise er-

Impulsgebend/ erarbeitend

Unterrichtsge-spräch

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Lehrer zeichnet die Schaltskizze und schreibt die Versuchs-durchführung an die Tafel, so-wie eine leere Wertetabelle. (Tafelanschrift 3)

höhen und die dazugehörige Spannung Us auf der Sekun-därseite messen. S: Und das wird dann für ver-schiedene Spulenkombinatio-nen durchgeführt.

Darbietend/ aufnehmend

Frontalunterricht

Tafel Kreide

Versuchsdurchfüh-rung 3

Lehrer tauscht Glühbirne durch Spannungsmessgerät aus. Leh-rer führt den Versuch mit ge-eignet gewählten Versuchspa-rametern nach den Ergebnissen der Versuchsplanung durch. L: Schaut Euch doch mal die Messwerte an. Fällt Euch dabei etwas auf?

Schüler beobachten was pas-siert und ein Schüler trägt die sich bei diesem Versuch erge-benden Messwerte in eine Wertetabelle an der Tafel ein. Die anderen Schüler überneh-men die Werte in ihr Heft. S: Wenn die Sekundärspule doppelt so viele Windungen hat wie die Primärspule, dann ist die Sekundärspannung auch doppelt so groß wie die Primär-spannung. S: Wenn die Sekundärspule nur die Hälfte der Windungen der Primärspule besitzt, dann ist die Sekundärspannung auch nur halb so groß wie die Primär-spannung.

Darbietend/ aufnehmend Fragend/ erarbeitend

Lehrerdemo Unterrichtsge-spräch

Experimentier-transformator Netzgerät Kabel Spannungs-messgeräte Tafel Kreide

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Gesetz 2 (Erreichen von Fein-ziel 5) (Sicherung von Fein-ziel 5) (Lernzielkontrolle Feinziel 5)

Lehrer gibt den Schülern den Auftrag jeweils den Quotienten aus Sekundärspannung Us und Primärspannung Up und aus Windungszahl der Sekundär-spule (Ns) und Windungszahl der Primärspule (Np) zu bilden. L: Was fällt Euch denn jetzt hierbei auf? L: Das ist richtig. Man nennt das Ganze Spannungsüberset-zung und es gilt:

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Lehrer schreibt die gefundene Gesetzmäßigkeit als Merksatz an die Tafel. (Tafelanschrift 5) Lehrer gibt den Schülern Hausaufgabe auf (Hausaufgabe 1).

Schüler bilden jeweils die Quotienten und diktieren dem Lehrer die jeweiligen Ergeb-nisse an die Tafel. S: Die beiden Quotienten sind bis auf Messfehler gleich.

Aufgebend Fragend/ herausholend Darbietend/ aufnehmend Aufgebend

Frontalunterricht Unterrichtsge-spräch Frontalunterricht

Tafel Kreide Taschenrech-ner Tafel Kreide

Motivation 2 Besprechung der Hausaufgabe

L: Was habt Ihr denn beim zweiten Teil der Hausaufgabe herausgefunden?

S: Das Netzgerät brennt ab!

Fragend Unterrichtsge-spräch

Problemfrage 2 L: An was könnte denn das liegen?

Schüler überlegen. Herausholend Unterrichtsge-spräch

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Meinungsbildung 2 S: Könnte das vielleicht an der Stromstärke liegen?

Erarbeitend Unterrichtsge-spräch

Versuchsplanung 4 (Erarbeitung vonFeinziel 6)

L: Gut. Und wie könnte man diese Hypothese jetzt experi-mentell nachweisen oder wi-derlegen? (evtl. noch geeignete Impulse) L: Das ist fast richtig, nur auf der Sekundärseite wird noch ein Schiebewiderstand einge-baut, um die Sekundärstrom-stärke Is schrittweise zu stei-gern. Lehrer zeichnet die abgeän-derte Schaltskizze und schreibt die Versuchsdurchführung an die Tafel, sowie eine leere Wertetabelle. (Tafelanschrift 5)

S: Man könnte ja den Ver-suchsaufbau von dem Span-nungsübersetzungsversuch nehmen. S: Und in Primär- und Sekun-därseite anstatt des Span-nungsmessgerätes ein Strom-messgerät einbauen. S: Ansonsten den Versuchsauf-bau gleich lassen und wieder mit verschiedenen Spulenkom-binationen arbeiten.

Fragend/ herausholend Erörternd Darbietend/ aufnehmend

Unterrichtsge-spräch Frontalunterricht

Tafel Kreide

Versuchsdurchfüh-rung 4

Lehrer ändert den Ver-suchsaufbau, wie in Versuchs-planung 4 besprochen, ab und führt den Versuch mit geeignet gewählten Versuchsparametern durch.

Schüler beobachten was pas-siert und ein Schüler trägt die sich bei diesem Versuch erge-benden Messwerte in eine Wertetabelle an der Tafel ein. Die anderen Schüler überneh-

Darbietend/ aufnehmend

Lehrerdemo

Experimentier-transformator Netzgerät Kabel Strommessge-räte

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Page 16: Der Transformator (Frühjahr 2000 Thema Nr. 3) · Der Transformator wird auch oft Umspanner genannt. Im Hinblick auf das Gebiet der Elektrotechnik heißt dies, dass es mit Hilfe eines

Übung/Seminar: Angewandte Fachdidaktik II Constanze Erhart Seminarvortrag: Der Transformator am 1.12.2003

L: Schaut Euch die Messwerte an. Was fällt Euch dabei auf?

men die Werte in ihr Heft. S: Wenn die Sekundärspule doppelt so viele Windungen wie die Primärspule hat, dann ist die Sekundärstromstärke halb so groß wie die Primär-stromstärke. S: Und wenn die Sekundär-spule die Hälfte der Windungs-zahl der Primärspule hat, dann ist die Stromstärke im Sekun-därkreis doppelt so groß wie die im Primärkreis.

Fragend/ herausholend

Unterrichtsge-spräch

Schiebewi-derstand Tafel Kreide

Gesetz 3 (Erreichen von Fein-ziel 6)

Lehrer gibt den Schülern den Auftrag den Quotienten aus Sekundärstromstärke (Is) und Primärstromstärke (Ip), sowie aus Np und Ns zu bilden. L: Was fällt Euch nun auf?

Schüler bilden jeweils die Quotienten und diktieren dem Lehrer die jeweiligen Ergeb-nisse an die Tafel. S: Die Quotienten sind wie-derum bis auf Messfehler gleich. S: Ja, das schon aber die Stromstärken verhalten sich umgekehrt wie die zugehörigen Windungszahlen.

Aufgebend Fragend/ erarbeitend

Frontalunterricht Unterrichtsge-spräch

Tafel Kreide Taschenrech-ner

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Übung/Seminar: Angewandte Fachdidaktik II Constanze Erhart Seminarvortrag: Der Transformator am 1.12.2003

(Sicherung von Fein-ziel 6)

L: Das stimmt. Man nennt dies Stromübersetzung und es gilt:

s

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p

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NN

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Lehrer schreibt die gefundene Gesetzmäßigkeit als Merksatz an die Tafel. (Tafelanschrift 6)

Darbietend/ aufnehmend

Frontalunterricht

Tafel Kreide

Rückkehr zur Erleb-niswirklichkeit (Lernzielkontrolle Feinziel 6)

L: Kann mir jetzt jemand von Euch erklären, was die gefun-denen Gesetzmäßigkeiten mit unserer Modelleisenbahn zu tun haben? L: Ein Transformator kann also Spannungen heruntertransfor-mieren und hochtransformie-ren. L: Könnt Ihr Euch vorstellen wo Transformatoren noch eine Rolle spielen? L: Ja, das ist richtig. Lehrer stellt den Schülern die Hausaufgabe (Hausaufgabe 2).

S: Der Transformator der Mo-delleisenbahn ist dafür zustän-dig, dass große Spannungen verkleinert werden. S: Beim Umspannwerk.

Fragend/ erläuternd Aufgebend

Unterrichtsge-spräch Frontalunterricht

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Übung/Seminar: Angewandte Fachdidaktik II Seminarvortrag: Der Transformator

Hausaufgabe 1: Die Schüler sollen im ersten Teil der Hausaufgabe ein Bestätigungsexperiment (virtuelles Experiment) zu der gefundenen Formel durchführen, indem sie verschiedene Spulenkombi-nationen durchprobieren und die sich dabei ergebenden Messwerte in eine Wertetabelle ein-tragen. Anschließend sollen noch die Quotienten daraus gebildet werden. Im zweiten Teil der Hausaufgabe wird folgende Aufgabe gestellt: Ein Erfinder benötigt für sein Experiment 120 V und 32 A . Kann er diese Werte mit Hilfe eines geeigneten Trafos und mit einem Netzgerät mit den Leistungsdaten (25 V; 12 A) errei-chen? Hausaufgabe 2: Überlege für einen Transformator mit gegebenen Windungszahlen Np und Ns wie sich die Spannungen Up und Us und die Stromstärken Ip und Is auf Primär- und Sekundärseite verhal-ten.

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Übung/Seminar: Angewandte Fachdidaktik II Constanze Erhart Seminarvortrag: Der Transformator am 1.12.2003

Hefteintrag:

Der Transformator Aufbau des Transformators: [Folie 1] Versuch: Wirkungsweise des Transformator Schaltskizze: Versuchsdurchführung: Der Experimentiertransformator wird gemäß obiger Schaltskizze aufgebaut. Der Versuch wird einmal mit Gleich- und einmal mit Wechselspannung durchgeführt. [Tafelanschrift 1] Ergebnis: Der Transformator kann nicht mit Gleichspannung betrieben werden. Die Wechselspannung Up im Primärkreis führt zu einer Magnetfeldänderung in der Primär-spule. Dadurch wird in der Sekundärspule eine Spannung Us induziert und das Magnetfeld der Sekundärspule ändert sich ebenfalls. [Tafelanschrift 2]

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Übung/Seminar: Angewandte Fachdidaktik II Constanze Erhart Seminarvortrag: Der Transformator am 1.12.2003

Versuch: Spannungsübersetzung Schaltskizze: Versuchsdurchführung: Der Versuch wird nach obiger Skizze aufgebaut. Die Spannung Up der Primärseite wird schrittweise erhöht und die dazugehörige Spannung Us auf der Sekundärseite gemessen. Der Versuch wird für verschiedene Spulenkombinationen durchgeführt. Wertetabelle: Np Ns Up [V] Us [V] Ns/Np Us/Up [Tafelanschrift 3] Ergebnis: Für den unbelasteten Transformator gilt: Das Verhältnis der Windungszahlen der Spulen in Primär- und Sekundärkreis verhält sich wie die dazugehörigen Spannungen in Primär- und Sekundärkreis. Man nennt diese Gesetzmäßig-keit Spannungsübersetzung des Transformators.

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UU

= Spannungsübersetzung

[Tafelanschrift 4] 20

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Übung/Seminar: Angewandte Fachdidaktik II Constanze Erhart Seminarvortrag: Der Transformator am 1.12.2003

Versuch: Stromübersetzung Schaltskizze: Versuchsdurchführung: Der Versuch wird nach obiger Schaltskizze aufgebaut. Mittels Schiebewiderstand wird die Stromstärke Is im Sekundärstromkreis schrittweise erhöht und die sich daraus ergebende Stromstärke Ip im Primärstromkreis gemessen. Der Versuch wird für verschiedene Spulen-kombinationen durchgeführt. Wertetabelle: Np Ns Ip [µA] Is [µA] Np/Ns Is/Ip [Tafelanschrift 5] Ergebnis: Für den belasteten Transformator gilt: Das Verhältnis der Windungszahlen der Spulen in Primär- und Sekundärkreis verhält sich umgekehrt wie die dazugehörigen Stromstärken in Primär- und Sekundärkreis. Man nennt diese Gesetzmäßigkeit Stromübersetzung des Transformators.

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II= Stromübersetzung

[Tafelanschrift 6] 21

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Übung/Seminar: Angewandte Fachdidaktik II Constanze Erhart Seminarvortrag: Der Transformator am 1.12.2003

Zu 5: Die Durchführung von Schülerexperimenten zum Thema Transformator ist nicht ungefährlich. a) Begründen Sie dies, indem Sie auch, darauf eingehen, warum und unter welchen Be-dingungen elektrische Spannungen gefährlich sind.

- Elektrische Spannungen sind nur unter AC 25 V für den menschlichen Körper ungefährlich. Bei Versuchen mit Transformatoren ist es ohne weiteres möglich höhe-rer Spannungen zu erzeugen. Beim Modellversuch zum Hörner Blitzableiter werden aber Hochspannungen erzeugt. Somit ist dieser Versuch nur als Lehrerversuch geeig-net und es muss ein Warnschild aufgestellt werden.

- Versuche ohne Schutzleiter und Fehlerstromschalter sind gefährlich und nicht erlaubt. Dabei ist bei Versuchen mit Transformatoren insbesondere zu beachten, dass ein Feh-lerstromschalter im Primärkreis keinerlei Wirkung auf Ströme im Sekundärkreis hat.

- Gefahren für den menschlichen Körper siehe Vortrag Jürgen Böckl. b) Welche Vorsichtsmaßnahmen müssen für Schülerversuche zum Thema Transformator unbedingt getroffen werden? Bei Experimenten aus der Elektrizitätslehre sind generell folgende Sicherheitsmaßnahmen zu beachten:

- Als Spannungsquellen sind Geräte zu verwenden deren Nennspannung kleiner gleich 25 V (Wechselspannung) ist.

- Die Steckdosenstromkreise an den Experimentiertischen müssen über eine Not-Aus-Einrichtung verfügen.

- Für sämtliche Stromkreise an den Experimentiertischen eines Raumes muss ein Hauptschalter vorhanden sein, der eine Einrichtung gegen unbefugtes Einschalten ha-ben muss (z.B. Schlüsselschalter).

- Die Stromkreise der Schülerexperimentiertische dürfen nur über besondere Schalter eingeschaltet werden können. Sie dürfen erst dann eingeschaltet werden, wenn sich der Lehrer vergewissert hat, dass keine Gefährdungen bestehen. Nach Beendigung der Experimente sind die Stromkreise der Schülerexperimentiertische abzuschalten.

- Schüler bis einschließlich der 10. Jahrgangsstufe dürfen bei Experimentiereinrichtun-gen, die berührungsgefährliche Teile enthalten, nur mit Spannungen arbeiten, die nicht berührungsgefährlich sind. Eine Spannung ist nicht berührungsgefährlich wenn die Nennspannung AC 25 V nicht überschreitet.

- Experimentierkabel dürfen nicht in die Steckdose gesteckt werden. - Vor dem Benutzen sind Experimentierleitungen auf erkennbare Schäden zu prüfen. - Aufbau, Umbau und Abbau von Versuchsanordnungen dürfen nur im spannungsfreien

Zustand erfolgen. - Der Lehrer überzeugt sich vor der Spannungsfreigabe vom ordnungsgemäßen Zustand

des Aufbaus. Speziell für den Trafo gilt zusätzlich: Es ist zu beachten, dass die obigen Sicherheitsvorschriften für Primär- und Sekundärstrom-kreis eingehalten werden müssen.

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c) Beschreiben Sie einen Modellversuch zum Induktionsofen und zum Punktschweißen. Modellversuch zum Induktionsofen: Auf die eine Seite eines U-Kerns wird eine Spule mit 500 Windungen (Primärspule) gesteckt. Auf der Sekundärseite ist nur eine Windung in Form einer ringförmigen Schmelzrinne mit Holzgriff. Der U-Kern wird mit einem Joch aus Eisen geschlossen. Nachdem in die Schmelz-rinne ein leicht schmelzendes Metall (z.B. Lötzinn) gegeben wurde, wird an die Primärseite eine Spannung von 220 V angelegt. Nach kurzer Zeit schmilzt das Metall. Im Sekundärkreis fließen große Ströme weil dessen elektrischer Widerstand sehr klein ist und dadurch wird das Metall zum Schmelzen gebracht. Modellversuch zum Punktschweißen: Auf der Primärseite des Transformators befindet sich eine Spule mit 500 Windungen. Die Sekundärspule besteht aus fünf Windungen aus dicken gebogenen Kupferstab an dessen En-den sich zwei Holzgriffe (Versuchszange) befinden. Der Stromkreis der Sekundärspule wird mittels zweier sich zwischen den Enden des Kupferstabes befindenden Eisenbleche geschlos-sen, die durch die Holzgriffe zusammengepresst werden können. An die Primärspule wird eine Spannung von 220 V angelegt. Die sich dadurch im Sekundärstromkreis ergebende Stromstärke liegt in der Größenordnung von 10² Ampere. Die Schweißstellen an beiden Ble-chen besitzen einen größeren Widerstand (Übergangswiderstand) als der Spulendraht der Se-kundärspule. Sie erwärmen sich daher sehr stark und schmelzen schließlich. An den Schweiß-stellen der Bleche fließt das Metall ineinander. Nach Abschalten der angelegten Spannung und Lösen der Versuchszange ist eine feste Verbindung entstanden.

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Übung/Seminar: Angewandte Fachdidaktik II Constanze Erhart Seminarvortrag: Der Transformator am 1.12.2003

Quellen:

Geipel, Rudolf/Kreisel, Dr. Klaus/Leopold, Hans (1996), Physik 10, Elektrizitätslehre, Ein-führung in die Atom- und Kernphysik, Grundlagen der Energieversorgung, Bamberg.

Hammer, Anton/Knauth, Herbert/Kühnel, Siegfried (1990), Physik, Sekundarbereich I,

10. Jahrgangsstufe, Ausgabe A, München. o. V., Übungen im Experimentieren, Sekundarstufe I, Didaktik der Physik, Universität Bay-

reuth, Versuch 16, Der Transformator. Weber, Dr. Sigrid M. (o. J.), Theoretische Grundlagen der Fachdidaktik I, Foliensammlung

Version 2.3.1, Bayreuth.

Internetquellen: http://www.conrad.de http://www1.physik.tu-muenchen.de/~kressier/Versuche/ver2515.html http://www.physik.uni-muenchen.de/didaktik/U_materialien/leifiphysik/web_ph10/versuche/12trafo/hochspann.htm http://www.arbeitsschutz.nibis.de/seiten/allgembild/KMK_groe/kmk_start.html http://www.arbeitsschutz.nibis.de/seiten/allgembild/KMK_groe/dokumente/Richtlinien_I_8.pdf http://www.arbeitsschutz.nibis.de/seiten/allgembild/KMK_groe/dokumente/Richtlinien_II_4.pdf

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