Lehrstuhl für Didaktik der Physik
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Einführung in die Elektrizitätslehre

Einführung von Stromstärke und Spannung

Die neuen Unterrichtsmaterialien für Schüler und Lehrer stehen jetzt zum Download bereit:

Die Unterrichtsmaterialien von Dominik Koller zum Download:

Von Frau H. Urban-Woldron (E-Mail schicken an hildegard.urban-woldron@univie.ac.at E-Mail) aus Wien entwickelt und zur Verfügung gestellt:
Applet zu Stromstärke, Potential und Spannung im Stromkreis zum Download: Stromkreis

Überblick über die Unterrichtseinheit:

In dem vorgeschlagenen Unterrichtskonzept wird zunächst auf Ladungssorten und auf Elektronen verzichtet und der relativ neutrale übergeordnete Begriff Elektrizität verwendet. Die Vorzeichenschwierigkeiten durch die negativen Elektronen werden damit in der Einführungsphase vermieden. Energiebetrachtungen werden erst später durchgeführt (in Bayern im 8. Schuljahr).

1.-3. Stunde:
Die magnetische Wirkung um stromdurchflossene Leiter herum wird besonders betont. Sie liefert überzeugende Argumente für die Stromkreisvorstellung und gegen den Verbrauch von Elektrizität (schon Drittklässler können die Argumente nachvollziehen und anwenden!). Die Änderung der magnetischen Wirkung beim Umpolen (ein Motor ändert seine Drehrichtung; eine Magnetnadel unter einem Kabel schlägt in die andere Richtung aus) ist mit einer Zweizuführungsvorstellung nicht verträglich, aber mit einer Stromkreisvorstellung. Letztere wird weiter bestärkt durch die Beobachtung, dass die Auslenkung zweier Magnetnadeln unter den Kabeln dicht vor und hinter einem Lämpchen in die gleiche Richtung erfolgt und auch vom gleichen Betrag ist. Das kann so interpretiert werden, dass vor und hinter dem Lämpchen in den Zuleitungen „das Selbe los ist“, die Elektrizität in die gleiche Richtung fließt und es gleich viel fließt. Ein qualitatives Maß für die Stromstärke liefert die gleichsinnige Änderung von Helligkeit eines Lämpchens und der Auslenkung der Magnetnadel.

4.-6. Stunde
Hier geht es vertiefend und präzisierend um die Einführung der Stromstärke als Maß für die Intensität des Vorgangs in einem Elektrogerät. Auch wenn das Prinzip des Drehspulmessgeräts als nicht mehr zeitgemäß für ein Messinstrument angesehen werden kann, ist es zur Einführung didaktisch von hohem Wert. In einer Reihenschaltung von Lämpchen und Motor dient die Helligkeit des Lämpchens zunächst als Indikator für die Elektrizitätsmenge, die durch das Lämpchen zu jedem Zeitpunkt hindurchfließt. Die Drehung des Motors wird durch einen Federkraftmesser verhindert, dessen Auszug von der Stromstärke abhängt (Achtung: die Stromstärke kann bei abgebremsten Motor leicht dessen zulässige Stromstärke überschreiten und die Wicklung durchbrennen). Diese Idee wird auf das Drehspulmessinstrument bezogen, bei dem die Spulendrehung ja ebenfalls durch eine Feder abgebremst wird.
Nach der Mitteilung, dass die Einheit der Stromstärke durch die magnetische Wirkung festgelegt wird, führen die Schülerinnen und Schüler Messübungen an Reihen- und Parallelschaltungen durch. Die Aussagen über die Stromstärke im unverzweigten Stromkreis und die Knotenregel werden als Merkregel formuliert.

7.-12. Stunde
Ohne dass das Verhalten von Wasserstromkreisen ausführlich thematisiert wird, wird als Hinführung zu Potenzialdifferenz als Antrieb des Elektrizitätsflusses die Analogie benutzt, dass eine Pumpe zwischen ihrem Ein- und Ausgang eine Druckdifferenz erzeugen muss um Wasser durch einen Kreis zu drücken (Hinweise auf Warmwasserheizung und Wasserkühlung beim Automotor). Entsprechend erzeugt eine Batterie zwischen ihren beiden Anschlüssen eine Potentialdifferenz im Sinne einer elektrischen Druckdifferenz auf die Elektrizität.
Unter Anwendung der nachfolgend beschriebenen Regeln zum elektrischen Potenzial: „am Pluspol einer Batterie oder eines Netzgerätes ist der Potenzialwert größer als am Minuspol“ und „sind zwei Stellen durch eine Leitung miteinander verbunden, so hat das Potenzial an beiden Stellen denselben Wert“, können mit Hilfe dieses Modells übersichtlich und einfach Parallel-, Reihen- und gemischte Schaltungen aufgebaut werden und die Potenzialwerte und Potenzialdifferenzen veranschaulicht werden. Bei der Serienschaltung von Lämpchen wird damit auf intuitive Weise klar, dass der durch die Batterie vorgegebene Potenzialunterschied sich auf die in Reihe geschalteten Lämpchen verteilen muss. Bei der Parallelschaltung kann man leicht erarbeiten, dass zwischen den Verzweigungspunkten jeweils die gleiche Höhendifferenz, entsprechend einer gleichen Potenzialdifferenz, auftaucht.

Regel (1) Am Pluspol eines Generators ist der Potenzialwert größer als am Minuspol.
Regel (2) Außerhalb von Generatoren fließt die Elektrizität von Stellen mit hohem Potenzialwert zu Stellen mit niedrigem Potenzialwert.
Regel (3) Sind in einem Stromkreis zwei Stellen nur durch ein Verbindungskabel miteinander verbunden, so hat das elektrische Potenzial an beiden Stellen denselben Wert.
Regel (4) Solange nichts anderes angegeben ist, beträgt der Potentialwert am Minuspol eines Generators Null Volt.

Im folgenden Unterricht wird die Bezeichnung Spannung für die Potenzialdifferenz eingeführt und immer wieder beide Begriffe synonym verwendet. Damit wird klargestellt, dass sich eine Spannung immer auf zwei Punkte bezieht.
In Analogie zur Druckdifferenz als Maß der Stärke einer Pumpe wurde die Potenzialdifferenz als Stärke eines Generators eingeführt. Verschieden starke Generatoren führen in dem gleichen Gerät zu unterschiedlich intensiven Vorgängen, d.h. zu unterschiedlichen Stromstärken. Daraus ergibt sich auch die Idee für ein Messverfahren: Verglichen werden die Effekte in einem „Standardgerät“. Dass kann wieder die Kraft auf eine Feder sein, die ein durch die Feder gebremster Motor ausübt. Damit wäre man wieder beim Prinzip des Drehspulmesswerks (bzw. wie bei der Stromstärkemessung bei den aktuellen Vielfachmessinstrumenten als Black Box). Eine überzeugende Wahl der Maßeinheit kann man am besten später im Zusammenhang mit elektrischer Energie bzw. Leistung begründen.
Es schließen sich Übungen im Messen von Spannungen an.

Regel (5) Je größer die Spannung (Potenzialdifferenz) zwischen den Anschlüssen des Generators ist, desto größer ist die Stromstärke durch das angeschlossene Elektrogerät.

13.- 15 Stunde:
In diesen Stunden werden Potenziale, Spannungen und Stromstärken in etwas komplizierteren Stromkreisen eingeübt.