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Elektrischer Strom –fachlicher Hintergrund und Unterrichtsvorschläge

StiftungBildungspakt

Bayern

Florian Ziegler 11.3.2013florian.ziegler@phil.uni-augsburg.de

http://www.philso.uni-augsburg.de/lehrstuehle/grundschuldid/downloads_skripten/lehrerfortbildung__gribs/

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Überblick

1. Anschlussbedingungen im elektrischen Stromkreis

Exkurs: Reihen- und Parallelschaltung Schülervorstellungen

2. Wirkungen von Elektrizität3. Wie fließt Strom?

Exkurs: Analogien im SU4. Elektromagnet, Elektromotor und

Dynamo

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5. AnschlussbedingungenFür einen einfachen Stromkreis genügen:- Batterie (Spannungsquelle)- Kabel (elektr. Leiter)- Lämpchen (elektr. Widerstand)Das Lämpchen zeigt, ob Strom fließt.

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5. AnschlussbedingungenFunktioniert der Stromkreis, so kann er unterbrochen und mit verschiedenen Materialien wieder geschlossen werden. Diese werden so auf ihre elektrische Leitfähigkeit geprüft.

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5. AnschlussbedingungenEs gibt:a. Leiter der 1. Klasse: Metalle und

Graphitb. Leiter der 2. Klasse: Ionenleiter (z.B.

Salzwasser)c. Isolatoren: Stoffe, durch die bei

üblichen Spannungsverhältnissen kein Strom fließt (z.B. Kunststoffe, Porzellan oder Glas)

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5. AnschlussbedingungenReihenschaltung:Die zwei Lämpchen (Widerstände) in Reihe „behindern“ den Strom „doppelt so stark“. Bei gleicher Spannung fließt daher nur „halb so großer“ Strom (Stromstärke) wie bei einem Lämpchen. Die Lämpchen leuchten deshalb deutlich schwächer.

Grygier, Günther & Kircher 2007, S.115ff

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5. AnschlussbedingungenParallelschaltung:Durch beide Lämpchen kann jeweils der gleiche Strom wie im Falle des einfachen Stromkreises fließen. Beide (baugleichen) Lämpchen leuchten so hell wie ein einzelnes.

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Schülervorstellungen:

5. Anschlussbedingungen

a) b) c) d)

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5. Anschlussbedingungen1. Der Stromkreis:Anknüpfung: elektrische Geräte im Alltag Lämpchen zum Leuchten bringen

(verschiedenes Angebot von Material oder Hilfekarte, KV 26+27)

Vergleich der Versuchsaufbauten im Plenum

Auch hilfreich: Fehlversuche (!) Versuch gegen

„Zweizuführungsvorstellung“ (KV 27unten)

Erkenntnis: Strom fließt im Kreis

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5. Anschlussbedingungen

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5. Anschlussbedingungen2. Forscheraufträge zum geschlossenen Stromkreis:Schüler forschen in Gruppen an unterschiedlich schweren Aufgaben (KV 29)

Präsentation im Plenum, wie Lösungsweg gefunden wurde und warum Stromkreis funktioniert (Bezug zum geschlossenen Stromkreis)

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5. Anschlussbedingungen

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5. Anschlussbedingungen3. Gute Leiter und IsolatorenDemonstrationsversuch: Stromkreise mit Kabel und Kunststoffseil Fokus auf das MaterialFalsche Erklärungen werden durch einfache Versuche widerlegt (möglichst nach Ideen der Schüler) „falsches“ Kabel führt zur Frage: Welche Stoffe leiten den Strom (gut)? GA (KV 30 + eigene Ideen) Gemeinsamkeit der leitenden Gegenstände?

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5. Anschlussbedingungen3. Gute Leiter und Isolatoren ggf. Demonstrationsversuch zur

Leitfähigkeit von Flüssigkeiten Transfer des Wissens über Leiter und

Isolatoren auf Alltag (Gefahren und Schutz)

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5. Anschlussbedingungen4. Der SchalterForscheraufträge in verschiedenen Schwierigkeits-graden zu Stromkreisen mit Schalter (KV 32, Hilfekarte für schwere Aufgabenstellung KV 33) Gemeinsame Betrachtung der verschiedenen Lösungen (und Fehlversuche!)

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5. AnschlussbedingungenIndividuelle Förderung und Differenzierung:Forscheraufträge in versch. Schwierigkeitsgraden Schüler wählen selbstHilfekarten (z.B. KV 31) für konkreten VersuchsaufbauAnregende Fragen zum Weiterforschen Vorschlag einer praktischen Prüfung (s. Anhang)

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6. Wirkungen von ElektrizitätPrimäre Wirkung

Sekundäre Wirkung

Wärmewirkung Leuchtwirkung

Magnetische Wirkung

Bewegung

Chemische Wirkung

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6. Wirkungen von Elektrizität

Wärmewirkung:Durch die Bewegung von Elektronen durch den Draht werden die am Platz bleibenden Atome in Schwingung versetzt. Diese Teilchenbewegung des Metalls ist als höhere Temperatur des Drahtes fühl- und messbar. Nutzung z.B. bei Tauchsieder, Wasserkocher, elektr. Herdplatten, Bügeleisen, elektr. Heizöfen

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6. Wirkungen von Elektrizität

Leuchtwirkung:Im dünnen Wolframfaden der Glühlampe werden die Atome so stark angeregt, dass der Faden nicht nur warm wird, sondern sogar zu glühen beginnt.

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6. Wirkungen von Elektrizität

Magnetische Wirkung:Fließende Elektrizität ist immer mit einer magneti-schen Wirkung verknüpft. Das Magnetfeld, das um einen stromdurchflossenen Leiter entsteht, kann mit einer Kompassnadel „nachgewiesen“ werden. Nutzung: Elektromagnet

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6. Wirkungen von Elektrizität

Bewegung:Wird die magnetische Wirkung geschickt ausgenutzt, kann durch wechselnde Stromrichtung und damit durch wechselnde Anziehungs- und Abstoßungs-kräfte eine Drehbewegung erzeugt werden. Nutzung: Elektromotor z.B. im Ventilator, Fön, Staubsauger

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6. Wirkungen von Elektrizität1. Stationenbetrieb Versuche zur Wärme-/Leuchtwirkung (KV

34-36) Versuche zur magnetischen Wirkung (KV

37-39)

2. Gemeinsame Reflexionsphase Versuche zueinander in Beziehung

bringen Ergebnisse diskutieren, hinterfragen

und ggf. richtig stellen

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6. Wirkungen von ElektrizitätIndividuelle Förderung und

Differenzierung:Quantitative und qualitative

Differenzierung mit Hilfe von Forscherfragen (KV 40)

Zusatzaufgaben zur Vertiefung („So könnt ihr weiter forschen“)

kurze Infotexte (KV 41) + Internetrecherche

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7. Wie fließt Strom?

Der Ausdruck „Strom fließt“ legt bereits einen Bewegungsvorgang nahe. Elektrischer Strom kommt durch die Bewegung von Ladungsträgern zustande. Diese Ladungsträger sind im einfachen elektrischen Stromkreis Elektronen. Ein Vergleich von elektrisch leitenden und „nicht leitenden“ Materialien im Elektronenmodell zeigt einen wesentlichen Unterschied:

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7. Wie fließt Strom?

Nur im Leiter können sich die äußeren Elektronen frei bewegen.

Grygier, Günther & Kircher 2007, S.115ff

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7. Wie fließt Strom?Die Bewegung der Elektronen im Stromkabel ist nicht „blitzschnell“ sondern verläuft eher im „Schnecken-tempo“.Mit Hilfe der Modellvorstellung kann das Phänomen geklärt werden:Warum geht das Licht sofort an, wenn ich den Schalter betätige, obwohl die Elektronen so langsam sind?

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7. Wie fließt Strom?Im elektrischen Leiter sind bereits überall im Kabel freie Elektronen vorhanden. Wird der Stromkreis durch den Schalter geschlossen, bewegen sich die freien Elektronen an allen Stellen des Stromkreises gleichzeitig. Das Lämpchen kann also sofort leuchten.

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Fahrradketten-Analogie:Die Kettenglieder haben – wie die Elektronen im Stromkreis – alle den gleichen Abstand, die gleiche Geschwindigkeit und bewegen sich alle in die gleiche Richtung. Wird die Kette gebremst oder gestoppt, wirkt sich dies auf alle Kettenglieder gleichermaßen aus.

7. Wie fließt Strom?

Grygier, Günther & Kircher 2007, S.115ff

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7. Wie fließt Strom?

Wasserkreislauf-Analogie:

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7. Wie fließt Strom?

Wasserbahn-Analogie:Mit Druck (Spannung der Batterie) wird Wasser von einer Flasche (Batterie) durch den Schlauch (Leitungsdraht) bewegt.

Exkurs: Analogien überspringen

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Exkurs: Analogien im SUDurch den Einsatz von Analogien im Unterricht nimmt man einen Umweg in Kauf. Dieser fällt kleiner aus, je vertrauter die Schüler mit dem analogen Lernbereich sind.Während Modelle erklären, können Analogien nur veranschaulichen. Und da bekanntlich jeder Vergleich „hinkt“, muss auch auf die Grenzen der Analogie eingegangen werden.

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Es gibt auch gespielte Analogien. Werden z.B. die Grundlagen des elektrischen Stromkreises vorher erarbeitet, können die Schüler selbst überlegen, wie sie die „Aufgaben“ der verschiedenen Bauteile in einer gespielten Analogie darstellen.

Bsp.: Was machen die Elektronen, was darf nicht passieren? (bewegen sich im Gleichschritt, aber nur, wenn der Stromkreis geschlossen ist; es entsteht kein Stau vor der Lampe…)Was macht das Lämpchen? (es leuchtet nur, wenn die Elektronen sich bewegen…)Wird der Schalter geöffnet, müssen alle gleichzeitig stehenbleiben…

Exkurs: Analogien im SU

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Die Schüler verinnerlichen dabei sehr genau, welche Bedingungen gelten müssen, und behalten durch das Spiel den eigentlichen Sachverhalt besser im Gedächtnis.

Auch bei der gespielten Analogie muss deutlich gemacht werden, dass es Unterschiede zwischen dem analogen und dem „eigentlichen“ Lernbereich gibt.

Bsp.: Was können wir Kinder, was Elektronen nicht können? Was können Elektronen, was wir Kinder nicht können?

Das Reflektieren über die Analogie hilft auch hier, Fehlvorstellungen zu vermeiden.

Exkurs: Analogien im SU

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7. Wie fließt Strom?

1. Kompass und StromkreisVersuch „Der Kompass im Stromkreis“ in

Kleingruppen (KV 42) Schwerpunkt: Wie stark lenken die Kompass- nadeln vor und nach dem Lämpchen aus?Forscheraufträge zur Richtung und Stärke

des magnetischen Feldes (KV 43/44)

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7. Wie fließt Strom?

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7. Wie fließt Strom?

2. Modellvorstellung und AnalogienGespielte Analogie eines Stromkreises (KV

45)Vergleich mit echtem Stromkreis (KV 46)Veranschaulichung des Verhaltens von

Elektronen durch Vergleich mit Versuch „Wasserbahn“ (KV 47)

Zusammenfassung und Kontrolle durch Infotext (KV 48)

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7. Wie fließt Strom?

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7. Wie fließt Strom?

Individuelle Förderung und Differenzierung:

Ziel der Arbeitsaufträge und Forscherkarten:

- eigene Denkwege herausfordern- Anlässe für verstehensorientierte

Gespräche bietenHilfekarten für Schüler, die wenige Ideen

habenExpertenreferate als Ergänzung

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Elektromagnet:Ein einzelner stromdurchflossener Draht kann eine Kompassnadel ablenken. Dies entdeckte Christian Oerstedt bereits 1820.

Die magnetische Wirkung wird verstärkt, wenn der Draht zu einer Spule gewickelt und im Inneren mit einem Eisenkern versehen wird.

8. Anwendungen

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Elektromagnet:Im „Kleinen“ kann man so z.B. eine Büroklammer anziehen.

Im „Großen“ werden schwere Lasten auf diese Weise verladen.

8. Anwendungen

Bildquelle: www.himmelmann-magnete.de

Weitere Anwendung: z.B. elektrische Klingel

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8. Anwendungen

1. Herstellen eines ElektromagnetenAnknüpfung an Vorwissen: Ablenkung der

Kompass-nadel unter stromdurchflossenem Leiter

Wie kann eine Schraube mit Batterie und Kabel magnetisiert werden?

Austausch der Ideen und Diskussion Überprüfung mittels Forscherauftrag (KV 49+50) Vorstellen der Ergebnisse im Plenumggf. Demonstrationsversuch mit Trafo

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8. Anwendungen

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Elektromotor:Im Elektromotor wird die magnetische Wirkung stromdurchflossener Spulen ausgenutzt. Wechselt die Stromrichtung, so wechselt auch die Polung des Elektromagneten.

8. Anwendungen

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Elektromotor:

8. Anwendungen

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Elektromotor:

8. Anwendungen

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Elektromotor:

8. Anwendungen

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Dynamo:

Ein Dynamo ist von seiner Funktionsweise her das Gegenstück zum Elektromotor. Durch die Bewegung eines Dauermagneten in einer Spule wird elektrischer Strom erzeugt. Das (Fahrrad-)Lämpchen leuchtet.

8. Anwendungen

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8. Anwendungen

2. Elektromotor und DynamoLehrkraft erklärt Funktionsweise eines Elektromotors (KV 51) selbstständiges Zusammenbauen eines Elektro-motors (Bausatz) in KleingruppenWichtiger als genaue Funktionsweise: vielfältige Nutzungsmöglichkeiten des Elektromotors im Alltag Vorstellung des Dynamos als Gegenstück zum Motor (KV 52)

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8. Anwendungen

Individuelle Förderung und Differenzierung

Interessierte Schüler können genaue Funktionsweise eines Elektromotors aus Abbildung entnehmen (KV 51) oder im Internet recherchieren.Unipolarmotor ist zwar schwierig zu verstehen, aber sehr motivierend (KV 53).

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LiteraturBasisliteratur:Ziegler, F., Grygier, P. & Hartinger, A. (Hrsg.) (2011): Individuelles Lernen im Sachunterricht – Strom und Magnetismus. Berlin: Cornelsen.

Weitere Literatur:Grygier, P., Günther, J. & Kircher, E. (2007).  Über Naturwissenschaften lernen. Vermittlung von Wissenschaftsverständnis in der Grundschule. 2. Aufl. Hohen-gehren: Schneider Verlag.Boëtius, Henning (2006): Geschichte der Elektrizität. Einheim: Beltz & Gelberg