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Elektrische Zahnbürste als Anwendung der elektromagnetischen Induktion

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Elektrische Zahnbürste als Anwendung der elektromagnetischen Induktion
Innenansicht der elektrischen Zahnbürste mit Netzteil

Außen- und Innenansicht der elektrischen Zahnbürste mit Netzteil

Kurzbeschreibung
Am Modell der elektrischen Zahnbürste wird die elektromagnetische Induktion demonstriert.
Kategorien
Elektrizitätslehre, Induktion
Einordnung in den Lehrplan
Geeignet für: Sek. I
Basiskonzept: Wechselwirkung
Sonstiges
Durchführungsform Lehrer*indemoexperiment
Anzahl Experimente in dieser Unterkategorie 3
Anspruch des Aufbaus mittel
Informationen
Name: Maren Söder
Kontakt: soederma@cms.hu-berlin.de
Uni: Humboldt-Universität zu Berlin
Betreuer*in: Tobias Ludwig
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Die elektromagnetische Induktion ist ein sehr abstraktes physikalisches Phänomen, das zahlreiche technische Anwendungen besitzt. Die Schulexperimente, die zur Einführung der elektromagnetischen Induktion verwendet werden, bestehen meistens aus zwei Spulen, die sich auf einem gemeinsamen Eisenkern befinden. Diese Versuchsanordnung begegnet den Schüler*innen in ihrem Alltag jedoch so gut wie nie. Die elektrische Zahnbürste als eine Anwendung der elektromagnetischen Induktion bietet hingegen einen geeigneten Lernanlass, um das zugrunde liegende physikalische Prinzip im Unterricht der Sekundarstufe I einzuführen und das Induktionsgesetz qualitativ zu formulieren (vgl. Eckert, Stetzenbach und Jodl[1] 2001).

Didaktischer Teil

Die elektrische Zahnbürste ist ein technisches Alltagsgerät, das auf der elektromagnetischen Induktion beruht und im Lebensalltag der Schüler*innen oft zu finden ist. Nach dem Zähneputzen wird die elektrische Zahnbürste auf das Ladegerät gesetzt, sodass der Akku der Zahnbürste durch eine kontaktlose Energieübertragung mittels elektromagnetischer Induktion wieder aufgeladen werden kann. Die elektrische Zahnbürste als ein „sinnstiftender“ Kontext (vgl. Muckenfuß [2] 2006) eignet sich daher besonders, um das physikalische Phänomen der elektromagnetischen Induktion innerhalb eines kontextorientierten Physikunterrichts in der Sekundarstufe I einzuführen. Darüberhinaus wird die Funktionsweise eines Alltagsgeräts kennengelernt. Die Einbettung von fachlichen Inhalten in „sinnstiftende“ Kontexte weckt das Interesse der Schüler*innen und motiviert diese sich mit den fachlichen Inhalten auseinanderzusetzen. Zusätzlich führt es zu einer positiveren Einstellung der Schüler*innen gegenüber den Naturwissenschaften (vgl. Duit und Mikelskis-Seifert [3] 2007).
Durch die Auseinandersetzung mit der Funktionsweise eines Alltagsgeräts wird den Schüler*innen aufgezeigt, dass physikalische Forschung und technische Entwicklung in einem wechselseitigen Prozess zueinander stehen. Dabei ist zu beachten, dass es im Unterricht nicht um die Technik als solche geht, sondern um die modernen Anwendungen der Physik. Dadurch sollen die Schüler*innen darin unterstützt werden zu erkennen, dass viele technische Entwicklungen ohne Physik nicht realisierbar sind und damit die Aneignung von physikalischem Wissen heutzutage notwendig ist. Auf diese Weise sollen die Schüler*innen erleben, warum es für sie sinnvoll ist sich mit gewissen physikalischen Inhalten auseinanderzusetzen. Ein am Alltagsgegenstand orientierter Unterricht bietet den Schüler*innen die Möglichkeit, sich aktiv und selbstständig mit den Gegenständen des Unterrichts zu beschäftigen, und motiviert die Schüler*innen, sich in den Erkenntnis- und Bearbeitungsweg mit einzubringen. Ein Unterricht, der nur auf dem Einsatz von klassischen für den Unterricht entwickelten Lehrmitteln und Geräten beruht, kann den Transfer vom Unterricht zum Leben außerhalb der Schule nicht im selben Maße leisten.
Der konstruktivistische Ansatz der Lernpsychologie liefert viele Argumente für das Lernen in Kontexten. Diesem Ansatz liegt zugrunde, dass Lernen als ein aktiver Konstruktionsprozess auf Seiten des Lernenden angesehen wird. Wenn neue Inhalte gelernt werden, so werden diese an die bereits vorhandenen Wissensstrukturen des Lernenden angeknüpft. Der Lernende setzt sich selbstgesteuert mit den Lernangeboten auseinander, wodurch seine Wissenstruktur ergänzt oder modifiziert wird. Für den Lehrenden widerum bedeutet dies, dass dem Lernenden Lernumgebungen geschaffen und angeboten werden, in denen der Aufbau von Wissensstrukturen möglichst gut unterstützt wird. Im engen Zusammenhang mit dem konstruktivistischen Ansatz steht das situierte Lernen. Das situierte Lernen meint, dass das Gelernte nicht losgelöst von der Lernsituation, sondern eng an diese gebunden, erworben wird. Daher sollte der Ausgangspunkt von Lernprozessen immer ein authentisches Problem sein, das die Schüler*innen durch Realitätsbezug und Relevanz dazu motiviert, neues Wissen zu erwerben.
Eine erfolgreiche Einbettung von Alltagskontexten in den Physikunterricht sieht Müller[4] (2006) in einer sinnvollen Verknüpfung von Fachsystematik und Kontexten: "Es muss gelingen, die gegliederte Struktur des Wissensnetzes von der physikalischen Fachsystematik zu übernehmen, gleichzeitig aber die interessenfördernde Wirkung der Kontexte zu nutzen und mit ihnen authentische Lerninhalte bereitzustellen" (ebd. S. 111). Die Übernahme der Struktur der Fachsystematik soll dabei sicherstellen, dass sich der Aufbau des phsyikalischen Wissens an einem logischen "roten Faden" orientiert, der das strukturierte Lernen der Schüler*innen unterstützt. Bei der Auswahl und Elementarisierung von geeigneten Kontexten ist daher darauf zu achten, dass diese eine gelingende Verknüpfung von Fachsystematik und Kontext ermöglichen. Die Fragestellungen und Problemsituationen sollten dabei sowohl möglichst authentisch und glaubwürdig sein als auch ein konkretes physikalisches Thema in einem begrenzten Rahmen bearbeiten, sodass die phsyikalischen Inhalten möglichst in ihrer "Reinform" (ebd. S. 112) gelernt werden. Beim Lernen in Konexten ist darüber hinaus entscheidend, dass die Schüler*innen die Fähigkeit zur Modellbildung und einen reflektierten Umgang mit Modellen erlernen, da ohne Modellbildung die Fragestellungen nicht ausreichend analysiert werden können. Dieses Vorgehen ist dabei charakteristisch für die physikalische Forschung im Allgemeinen. Damit die Verzahnung von Fachsystematik und Kontexten auch wirklich glückt, ist es von Bedeutung, dass der Anteil von erzählenden Elementen im Physikunterricht gesteigert wird, nur so kann das Problem der "vorgeblichen Kontexten" (ebd. S. 109) vermieden werden, denn die Kontexte sollen nicht nur kurz in der Motivationsphase erwähnt werden, sondern das gesamte Lernarrangement durchziehen.

Versuchsanleitung

In dieser Experimentierfolge soll den Schüler*innen demonstriert werden, wie der Akku einer elektrischen Zahnbürste mittels elektromagnetischer Induktion kontaktlos aufgeladen werden kann. Dazu wird die elektrische Zahnbürste zunächst zerlegt und ihre verschiedenen Komponenten eingehend untersucht. Anschließend werden die Grundexperimente zur elektromagnetischen Induktion durchgeführt, um den Schüler*innen das physikalische Phänomen, das der kontaktklosen Aufladung des Akkus zugrundrundeliegt, zu erläutern. Im Anschluss daran wird die elektrische Zahnbürste mit den physikalischen Lehrmitteln modellhaft nachgebaut, um den Zusammenhang zwischen dem physikalischen Phänomen der elektromagnetischen Induktion und dem Alltagsgerät herzustellen.

Abb. 2: Modell des Handteils
Abb. 1: Innenansicht der Zahnbürste

Materialien

  • elektrische Zahnbürste
  • Kupferdraht
  • 2 Leuchtdioden
  • Plastikrohr
  • 2 Netzgeräte 10V~/5A~
  • Spule 400 Wdg
  • Spule 600 Wdg
  • 2 Spulen 1200 Wdg
  • 2 I-Kerne
  • Diode
  • Gleichstrommotor (1,5V)
  • Oszilloskop
  • Stabmagnet
  • Schalter
  • Kabel

Untersuchung der elektrischen Zahnbürste

Aufbau

Die elektrische Zahnbürste samt Netzteil und Handteil wird zunächst zerlegt. Das Innenleben des Handteils wird dem Gehäuse entnommen, indem der Boden des Gehäuses abgeschraubt wird. Das Öffnen des Netzteils hingegen ist etwas schwieriger. Dieses wird mit einem Messer oder einer Säger längs der Schweißnaht aufgeschnitten. Dabei ist darauf zu achten, dass die Kabelverbindungen intakt bleiben, sodass das Netzteil weiterhin benutzt werden kann. Das Handteil besteht aus einer Spule, einem Akku, der über eine Diode aufgeladen wird, und einem Motor, der die Zahnbürste antreibt. Im Netzteil befindet sich ein Transformator, der auf eine Platine aufgebracht ist, und eine Spule mit Eisenkern. Zum Schutz wird auf dem offenen Netzteil eine Plexiglasscheibe mit Heißkleber befestigt (Abb. 1).
Um den Schüler*innen zu demonstrieren, dass das entscheidende Bauelemente des Handteils die Spule ist, um kontaktlos Energie vom Netzteil zu erhalten, wird ein vereinfachtes Modell des Handteils nachgebaut. Es besteht aus einer selbstgewickelten Spule auf einem dünnen Plastikrohr, welches genau auf den Eisenkern des Netzteils passt, und einer Leuchtdiode, die leitend mit dem Draht verbunden wird. Die Leuchtdiode hat die Funktion, das Vorhandensein eines elektrischen Stroms nachzuweisen (Abb. 2).

Durchführung

Die Grundfrage der Experementierfolge lautet: "Wie erhält die elektrische Zahnbürste ohne direkte Kabelverbindung Energie aus dem Netz?" Um die Frage zu beantworten, wird die elektrische Zahnbürste zunächst vor den Augen der Schüler*innen auseinandergebaut, sodass sich diese einen Überblick über die einzelnen Komponenten der Zahnbürste verschaffen können. Dabei werden die wesentlichen Komponenten der elektrischen Zahnbürste und ihre Funktionen benannt. Dieser Schritt ist wichtig damit die Schüler*innen später den Zusammenhang zwischen Modell und Original herstellen können. Nun wird das Handteil ohne Gehäuse auf das offene Netzteil gestellt. Dabei wird deutlich, dass die Spule des Handteils sich auf dem Eisenkern der Spule des Netzteils befindet.
Im Anschluss wird zunächst das Handteil gemeinsam mit den Schüler*innen näher untersucht und die Vermutung aufgestellt, dass die Spule das entscheidende Element des Handteils darstellt, um kontaktlos Energie vom Netzteil zu erhalten. Um die Vermutung mit den Schüler*innen gemeinsam zu überprüfen, wird das vereinfachte Modell des Handteils (Abb. 2) aus Spule und Leuchtdiode auf den Eisenkern des Netzteils gesetzt und dieses angeschaltet.

Ergebnisse

Die Schüler*innen beobachten, dass wenn das Netzteil der elektrischen Zahnbürste, auf dem sich das vereinfachte Modell des Handteils befindet, angeschaltet ist, leuchtet die Diode.

Auswertung

Die Schüler*innen erkennen, dass in der Spule des Modells des Handteils eine Spannung erzeugt wird, wenn das Netzeil der Zahnbürste angeschaltet ist.

Grundexperimente zur elektromagnetischen Induktion

Die Frage, die sich an das erste gezeigte Experiment nun anschließt, lautet: "Wann bzw. wie wird in einer Spule eine Spannung erzeugt?" Um diese Frage zu beantworten, wird das Netzteil der Zahnbürste noch einmal näher betrachtet. Im Anschluss wird die Vermutung aufgestellt, dass die erzeugte Spannung in der Spule des Netzteils im Zusammenhang mit der magnetischen Wirkung der Spule des Netzteils stehen muss, da die beiden Spulen nicht leitend miteinander verbunden sind. Dass eine Spule mit Eisenkern als Elektromagnet wirkt, ist den Schüler*innen bereits bekannt. Um die Vermutung zu überprüfen, wird das Netzteil zunächst auf einen Stabmagneten (Experiment 1) und anschließend auf einen Elektromagneten (Experiment 2) reduziert. Damit lautet die Frage nun: "Wie kann mit einem Magneten bzw. mit einem Elektromagneten eine Spannung in einer Spule erzeugt werden?" Die zwei folgenden Experimente, die zur Beantwortung dieser Frage durchgeführt werden, stellen dabei die Grundexperimente dar, die üblicherweise in der Sekundarstufe I verwendet werden, um die elektromagnetische Induktion einzuführen.

Experiment 1

Abb. 4: Induktion durch Ändern der Stärke des Magnetfeldes eines Elektromagneten
Abb. 3: Induktion durch Bewegung eines Magneten
Aufbau

Um die Frage zu beantworten, wie mit einem Stabmagneten eine Spannung in einer Spule erzeugt werden kann, wird folgender Aufbau gewählt. Das Handteil wird aus einer Spule mit 1200 Windungen, an die eine Leuchtdiode angeschlossen wird, nachgebaut. Das Netzteil wird vereinfacht auf einen starken Stabmagneten reduziert (Abb. 3).

Durchführung

Nachdem im vorangegangenen Experiment das Handteil der Zahnbürste näher untersucht und als entscheidendes Element die Spule identifiziert wurde, um kontaktlos Energie vom Netzteil zu erhalten, wird nun anschließend das Netzteil der Zahnbürste gemeinsam mit den Schüler*innen vertiefend betrachtet. Da die beiden Spulen nicht leitend miteinander verbunden sind, wird die Vermutung aufgestellt, dass die erzeugte Spannung in der Spule des Handteils mit der magnetischen Wirkung der Spule des Netzteils in Verbindung steht. Um diese Vermutung zu überprüfen, wird das Netzteil zunächst durch einen Stabmagneten ersetzt. Damit lautet die weitergehende Frage: "Wie kann mit einem Magneten eine Spannung in einer Spule erzeugt werden?" Zur Beantwortung dieser Frage wird der Aufbau in Abb. 3 verwendet. Zunächst wird der Stabmagnet langsam mit der Hand in die Mitte der Spule mit angeschlossener Leuchtdiode eingeführt. Der Stabmagnet verbleibt ruhend in der Spule. Anschließend wird der Stabmagnet in der Spule schnell nach oben und unten bewegt.

Ergebnisse

Die Schüler*innen beobachten, dass wenn der Stabmagnet in der Spule ruht, leuchtet die Diode nicht. Wird der Stabmagnet hingegen innerhalb der Spule bewegt, leuchtet die Diode abhängig von der Richtung, in die sie geschaltet ist, bei der Bewegung des Stabmagneten nach oben oder nach unten auf.

Auswertung

Die Schüler*innen erkennen, dass in der Spule eine Spannung erzeugt wird, wenn sich der Magnet innerhalb der Spule bewegt. Die Polarität der erzeugten Spannung ist dabei abhängig von der Richtung der Bewegung des Magneten. Ruht der Magnet hingegen, wird keine Spannung in der Spule erzeugt.

Experiment 2

Aufbau

In diesem Experiment wird der Stabmagnet aus dem vorangegangenen Experiment durch einen Elektromagneten ersetzt. Dazu wird eine Spule mit 1200 Windungen und einem I-Kern über einen Schalter an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen. Das Modell des Handteils besteht weiterhin aus einer Spule mit 1200 Windungen und einer Leuchtdiode (Abb. 4).

Durchführung

Im vorangegangenen Experiment wurde den Schüler*innen demonstriert, wie mit einem sich zur Spule relativ bewegenden Stabmagneten in dieser eine Spannung erzeugt werden kann. Im Netzteil der Zahnbürste hingegen bewegt sich der Elektromagnet nicht. Daher lautet die nächste Frage, die sich anschließt: "Wie kann mit einem ruhenden Elektromagneten eine Spannung in einer Spule erzeugt werden?" Um diese Frage zu beantworten, wird auf dem angeschalteten Elektromagneten die Spule mit Leuchtdiode platziert. Anschließend wird der Elektromagnet mehrmals durch Öffnen und Schließen des Schalters an- und ausgeschaltet.

Ergebnisse

Die Schüler*innen beobachten, dass wenn die Spule mit der Leuchtdiode auf den angeschalteten Elektromagneten platziert wird, leuchtet die Diode nicht. Wird der Elektromagnet hingegen angeschaltet oder ausgeschaltet, wenn die Spule auf diesem ruht, so leuchtet die Diode abhängig von der Richtung, in die sie geschaltet ist, bei dem Einschalt- oder Ausschaltvorgang auf.

Auswertung

Die Schüler*innen erkennen, dass in der Spule eine Spannung erzeugt wird, wenn sich das von der Spule umschlossene Magnetfeld eines Elektromagneten ändert. Die Änderung des Magnetfeldes wird jetzt jedoch nicht durch eine Relativbewegung zwischen Spule und Elektromagnet erreicht, sondern durch Ändern des Magnetfeldes auf elektrischem Wege mittels Veränderung der Stromstärke des Elektromagneten. Die Polarität der Spannung ist dabei abhängig von der Änderungungsrichtung der Stromstärke.

Qualitative Formulierung des Induktionsgesetzes

Durch die beiden beschriebenen Grundexperimente zur Erzeugung einer Induktionsspannung in einer Spule kann das Induktionsgesetz qualitativ formuliert werden. Beiden Experimenten liegt zugrunde, dass eine Induktionsspannung in einer Spule auftritt, wenn sich das von der Spule umschlossene Magnetfeld ändert. Dies kennzeichnet das Allgemeine in beiden Experimenten. In der Sekundarstufe I ist es jedoch empfehlenswert, dass zwei Teilformulierungen eingeführt werden, die nach dem Abschluss der Experimente von den Schüler*innen gewonnen werden:
1. In einer Spule wird eine Spannung induziert, solange sich das von der Spule umschlossene Magnetfeld durch Relativbewegung von Spule und Magnet ändert.
2. In einer Spule wird eine Spannung induziert, solange sich das von der Spule umschlossene Magnetfeld eines Elektromagneten durch Veränderung der Stromstärke ändert.

Abb. 5: Schaltung des Modells der elektrischen Zahnbürste
Abb. 6: Modell der elektrischen Zahnbürste

Modell der elektrischen Zahnbürste

Wie im didaktischen Teil angeführt wird, ist es entscheidend, dass die neu gewonnenen Erkenntnisse auf den Alltagsgegenstand zurückgeführt werden. Auf diese Weise verkommt die elektrische Zahnbürste nicht zu einem "vorgeblichen Kontext".

Aufbau

Die elektrische Zahnbürste wird mit den Lehrmaterialen aus der physikalischen Sammlung modellhaft nachgebaut. Das Handteil der elektrischen Zahnbürste wird aus einer Spule mit 600 Windungen, einer Diode und einem Gleichstrommotor nachgebaut. Die Diode dient hier als Gleichstromrichter. Das Netzteil wird auf eine Spule mit 400 Windungen und einem Eisenkern, die an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen wird, reduziert. Parallel zu dem Primärstromkreis wird ein Oszilloskop geschlossen, um den Spannungsverlauf im Primärstromkreis zu visualisieren (Abb. 5 und 6).

Durchführung

Nachdem die Grundexperimente zur elektromagnetischen Induktion durchgeführt wurden sind, wird der Bogen zur technischen Anwendung des Phänomens geschlagen, indem die elektrische Zahnbürste modellhaft nachgebaut wird und die aus den voran gegangenen Experimenten gewonnenen Erkenntnisse auf das Modell der elektrischen Zahnbürste angewendet werden (Abb. 5 und 6). Den Schüler*innen ist nun bekannt, dass eine Spannung in einer Spule durch Ändern der Stärke des Magnetfeldes eines Elektromagneten erzeugt werden kann, indem die Stromstärke verändert wird. Dies bedeutet für das Modell der elektrischen Zahnbürste, dass wenn sich der Motor dauerhaft drehen soll, dass an den Primärstromkreis eine Spannung angelegt werden muss, welche sich dauerhaft ändert. Dazu wird an die Primärspule eine Wechselspannung angeschlossen, wobei darauf zu achten ist, dass die erzeugte Spannung im Sekundärstromkreis nicht höher als 1,5 V ist, da der Gleichstrommotor nicht für höhere Spannungen konzipiert ist. Die kontinuierliche Änderung der angelegten Spannung wird den Schüler*innen auf dem Oszilloskop visualisiert. Da die Wechselspannung thematisch nach der elektromagnetischen Induktion in der Sekundarstufe I eingeführt wird, wird auf den Begriff der Wechselspannung zunächst verzichtet. Es bietet sich jedoch an, die Wechselspannung im Anschluss an diese Experementierfolge zu thematisieren.

Ergebnisse

Die Schüler*innen beobachten, dass wenn eine Spannung an die Primärspule, die sich kontinuierlich verändert, angelegt wird, wodurch sich auch die Stromstärke des Elektromagneten kontinuierlich verändert, dreht sich der Gleichstrommotor im Sekundärstromkreis.

Auswertung

Die Schüler*innen erkennen, dass durch kontinuierliches Ändern des Magnetfeldes mittels Veränderung der Stromstärke des Elektromagneten, eine Spannung im Sekundärstromkreis erzeugt wird, die den Gleichstrommotor betreiben kann.

Sicherheitshinweise

Im ersten Experiment ist darauf zu achten, dass wenn das Netzteil angeschaltet ist, keine offenen Drähte berührt werden. Da am Netzteil eine Spannung von 230 V anliegt. Bei den darauf folgenden Experimenten ist zu beachten, dass Spulen, Dioden und Gleichstrommotor nicht bei höheren Spannungen betrieben werden, wie auf ihnen angegeben werden.

Literatur

  1. Eckert, B./Stetzenach, W./Jodl, H.-J. (2001): Low Cost - High Tech. Freihandversuche Physik. Aulis Verlag Deubner. Köln.
  2. Muckenfuß, H. (2006): Lernen im sinnstiftenden Kontext. Entwurf einer zeitgemäßen Didaktik des Physikunterrichts. Cornelsen. Berlin.
  3. Duit, R./ Mikelskis-Seifert, S. (2007): Kontextorientierung. In: Unterricht Physik. 18. Heft 98. S. 4-8.
  4. Müller, R. (2006): Kontextorientierung und Alltagsbezug. In: Mikelskis, H.: Physikdidaktik. Praxishandbuch für Sekundarstufe I und II. Cornelsen. Berlin. S. 102-199.