Versuchsreihe zu Stromkreisen als Einführung in die Elektrizitätslehre

Versuchsreihe zu Stromkreisen als Einführung in die Elektrizitätslehre
Kurzbeschreibung
Eine Zusammenstellung von einfachen Experimenten zum (Gleich-)Stromkreis, die als qualitative Versuche einen Einstieg in die Elektrizitätslehre bieten.
Kategorien
Elektrizitätslehre
Einordnung in den Lehrplan
Geeignet für:	Klasse 5, Klasse 6, Klasse 7, Klasse 8
Basiskonzept:	System, Wechselwirkung, Energie
Sonstiges
Durchführungsform	Schüler*innen-Experiment, Demoexperiment
Anzahl Experimente in dieser Unterkategorie	4
Anspruch des Aufbaus	leicht bis mittel
Informationen
Name:	Maximilian Stern
Kontakt:	${\text{sternmax}}$@${\text{cms.hu-berlin.de}}$
Uni:	Humboldt-Universität zu Berlin
Betreuer*in:	Tobias Ludwig

Diese Versuchsreihe bietet einen praktischen, experimentellen Zugang zum Thema Stromkreise und eignet sich daher als Einführung in die Elektrizitätslehre. Schüler*innen soll so die Möglichkeit geboten werden, physikalische Konzepte von den Vorgängen in elektrischen Stromkreisen auf der Basis von Beobachtungen aus selbstständig durchführbaren Experimenten zu entwickeln.

Didaktischer Teil

Die Elektrizitätslehre stellt einen zentralen Bestandteil des Physikunterrichts in der Sekundarstufe I dar. Neben der Elektro- sowie Magnetostatik gehört die Untersuchung und die Lehre von Stromkreisen und den damit verbundenen Gesetzmäßigkeiten zu den möglichen einführenden Unterthemen (vgl. Rahmenlehrplan für die Sekundarstufe I Berlin (2006), S. 31f). Jedoch ist der gedankliche Einstieg in das Feld der Stromkreise sowie das fachlich korrekte Verständnis damit verbundener Sachverhalte für Schülerinnen Und Schüler mit einigen Hürden verbunden. Zum einen, weil eine gewisse begriffliche Unschärfe vorhanden ist: Die Bedeutung von Energie, Elektrizität, Strom und Spannung wird ohne fachliche Einführung oft gleich gesetzt. Weiterhin bedienen sich Schülerinnen und Schüler einer Vielzahl von individuellen, konzeptionellen Modellen, mit deren Hilfe sie versuchen, die Phänomene, mit denen sie konfrontiert werden, zu erklären. (vgl. Shipstone (1985), S. 33) Diese persönlichen Gedankenmodelle sind nach jüngsten Forschungen sehr resistent gegenüber fachlicher Korrektheit und erschweren somit das Erlernen und Verstehen der zu Grunde liegenden physikalischen Gesetze. Obwohl die Modelle, deren sich Schülerinnen und Schüler zum Verständnis der Phänomene im Gleichstromkreis bedienen, sehr unterschiedlich und diffus sein können, so lassen sie sich in die folgenden 4 Gruppen einteilen (vgl. Shipstone (1985), S. 36f). Die jeweilige Vorstellung wird anhand eines einfachen Stromkreises illustriert, der aus Glühlampe(n), einer Batterie und verbindenden Leitern besteht:

• Das einpolige Modell: Der Stromfluss findet nur über einen Leiter aktiv statt, während der andere, "rückleitende" Weg in den Köpfen der Schülerinnen und Schüler zwar notwendig ist, aber eine passive Verbindung darstellt. Schülerinnen und Schüler beschreiben diesen zweiten, rückführenden Leiter dann als "Sicherheitsverbindung" oder als "notwendig für das Erleuchten der Glühlampe".

• Das "Zusammenstoß" Modell: Der Strom fließt von jeweils beiden Polen der Batterie in Richtung Glühlampe und trifft dort zusammen, wodurch die Glühlampe zum Leuchten angeregt und Strom verbraucht wird. Die Richtung des Stromflusses orientiert sich also allgemein von der Quelle hin zum Verbraucher.

• Das "Abschwächung" Modell: Der Strom fließt innerhalb des Stromkreises in nur eine Richtung, was dem physikalischen Modell vom Gleichstromkreis entspricht. In der Vorstellung der Schülerinnen und Schüler jedoch wird von jeder Glühlampe ein Teil des Stroms "verbraucht", wodurch jede nachfolgende Lampe im Stromkreis weniger elektrischen Strom bezieht und damit weniger hell erleuchtet.

• Das "Teilen" Modell: Dieses Modell ist dem Modell der "Abschwächung" zunächst sehr ähnlich, mit dem Unterschied, dass der Strom von gleichen Komponenten, konkret also identischen Glühlampen, aufgeteilt wird, sodass beiden Lampe mit gleicher Helligkeit leuchten. Durch den Stromverbrauch wird in dieser Vorstellung jedoch weniger Strom zurück zur Batterie geleitet, was nicht dem physikalischen Modell entspricht.

In der Demonstration und der selbstständigen Durchführung von Experimenten liegt die Chance, diese individuellen, aber falschen Vorstellungen von den Vorgängen im Stromkreis zu transformieren und hin zum physikalischen Modell zu lenken. Die aufgelisteten Experimente sollen deshalb in ihrem Potenzial, dies zu fördern, genauer betrachtet werden.

Der einfache Stromkreis

Das Ziel ist es, den einfachen Stromkreis genauer zu untersuchen. Es bietet sich an, diesen Versuch als Schülerexperiment durchzuführen. Der Versuch ist einer Anleitung von Leybold entnommen (siehe [1] Leybold) und wurde um weitere Komponenten, die sich als Quellen und Senken eignen, ergänzt.

Aufbau

Um das Experiment durchzuführen, werden die folgenden Materialien benötigt:

Abb. 1: Materialien und exemplarischer Aufbau des Versuchs

• kleiner Elektromotor DC 12V
• Glühlampe mit Fassung
• Handkurbelgenerator
• handelsübliche Flachbatterie 4,5 V
• 2 Experimentierkabel
• 2 Krokoklemmen

Ein möglicher Aufbau ist der Abbildung 1 zu entnehmen. Zu beachten ist hierbei, das jeweils nur eine Quelle und eine Senke über die Experimentierkabel zu einem geschlossenen Stromkreis verbunden werden sollten, um den Aufbau einfach zu halten und um später Elemente austauschen zu können.

Durchführung

Als Einstieg sollten zunächst die Flachbatterie sowie die Glühlampe mit Hilfe der Experimentierkabel zu einem einfachen Stromkreis verbunden werden. Schülerinnen und Schüler können nun selbstständig die verschiedenen Quellen und Senken beliebig ersetzen und austauschen, um so die Glühlampe mit dem Handkurbelgenerator, den Elektromotor mit der Batterie und dem Handkurbelgenerator zu betreiben. Sie sollten außerdem dazu ermutigt werden, die Polung an der Quelle zu vertauschen, wenn der Elektromotor betrieben wird und dabei die Drehwirkung genauer beobachten.

Ergebnisse

Sollten alle Möglichkeiten ausgeschöpft sein, werden die Schülerinnen und Schüler folgende Beobachtungen getroffen haben:

• Nur wenn beide Pole der Batterie verbunden sind und der Kreis geschlossen ist, leuchtet die Glühlampe bzw. rotiert der Motor.
• Gleiches trifft für den Handkurbelgenerator zu, der selbstverständlich bedient werden muss, ehe eine Wirkung am Verbraucher zu erkennen ist.
• Die Vertauschung der Polarität an Batterie und Handkurbelgenerator führt zu keiner Veränderung bei der Glühlampe. Der Elektromotor wiederum rotiert in die jeweils andere Richtung.

Auswertung

In Anbetracht der konzeptionellen Modelle, die bereits vorgestellt wurden, lässt sich festhalten, dass jede dieser Vorstellungen das Phänomen der Leuchtwirkung der Glühlampe erklären könnten. Durch die Verpolung an der Quelle oder am Motor lässt sich jedoch demonstrieren, dass bei der Betrachtung des Elektromotors dem Stromfluss eine Richtung zu Grunde liegt. Der Idee des "Zusammentreffens" von elektrischem Strom am Verbraucher widerspricht dem gewissermaßen, da die Orientierungsänderung der Rotation des Motors auf diese Weise nicht erklärt werden kann.

Sicherheitshinweise

Da nur kleine Spannungen bei diesem Experiment von Bedeutung sind, kann man das Experiment als sicher einstufen.

Mensch als Leiter

Dieser Versuch ist als Demonstrationsexperiment gedacht und benötigt die aktive Mitarbeit von Schülerinnen und Schülern. Auch wenn dieser Versuch als einziger in dieser Reihe der Wechselstromlehre zugeordnet werden muss, so eignet sich das Experiment ideal als Teil einer Einführung in die Elektrizitätslehre, da der Erkenntnisgewinn auf einfache Art und Weise geschieht.

Aufbau

Um das Experiment durchzuführen, werden die folgenden Materialien benötigt:

Abb. 2: Materialien und exemplarischer Aufbau des Versuchs

• Aktive Lautsprecher mit 3,5 mm Klinkenanschluss
• 3,5 mm Klinkenkabel
• Musikwiedergabegerät, z.B. handelsüblicher MP3-Player oder Smartphone
• AYA-Adapter (siehe Abbildung)
• 2 Experimentierkabel
• freiwillige SuS

Ein möglicher Aufbau ist der Abbildung 2 zu entnehmen. Der "AYA-Adapter" ist relativ simpel selbst herstellbar. [2]

Durchführung

Nach der Erläuterung des Aufbaus sollte zunächst das Abspielgerät angeschlossen und eine Audiodatei abgespielt werden. Wenn dies gewährleistet ist und die aktiven Lautsprecher mit Strom versorgt werden, kann die Funktion der Apparatur getestet werden, in dem man den Kreis kurzschließt, also beide freiliegenden Experimentierkabel am AYA-Adapter miteinander verbindet. Es sollte nun Audio über die aktiven Lautsprecher wiedergegeben werden. Es bietet sich an dieser Stelle an, die Lautstärke der Lautsprecher entsprechend zu justieren, sodass alle Teilnehmenden etwas hören können. Im eigentlichen Experiment soll nun untersucht werden, ob der menschliche Körper den elektrischen Strom ebenso leiten kann. Eine freiwillige Schülerin oder ein freiwilliger Schüler nimmt dazu jeweils ein Kabelende in die linke und rechte Hand und stellt sicher, dass sie bzw. er beide Metallstifte als leitende Oberflächen ausreichend berührt. Der Versuch kann bei Bedarf wiederholt werden, indem mehrere Schülerinnen und Schüler eine Kette bilden und sich dazu an den Händen nehmen, während die erste und letzte Person in der Kette die offenen Kabelenden in die jeweils freie Hand nehmen.

Ergebnisse

Bei korrektem Aufbau und ordentlicher Ausführung sollte für alle Schülerinnen und Schüler das Musikstück bzw. die Audiodatei deutlich hörbar sein.

Auswertung

Innerhalb der vorgestellten Versuchsreihe bildet dieses Experiment eine gewisse Ausnahme, da es sich hierbei um einen Wechselstromkreis handelt. Da die Wechselstromlehre jedoch erst nach den Gleichstromkreisen eingeführt wird, liegt es im eigenen Ermessen, inwieweit das beobachtete Phänomen erklärt werden kann und soll. Nichtsdestotrotz gestaltet es sich als schwierig, dem Experiment Erkenntnisse abzugewinnen, die den genannten, individuellen Schülervorstellungen von den Abläufen im Stromkreis widersprechen. Alle gedanklichen Modelle sind in der Lage, das Phänomen zu erklären, weshalb das Experiment aus didaktischer Perspektive eher als Förderung der Lernmotivation geeignet ist.

Sicherheitshinweise

Audiogeräte für den Heimbereich arbeiten mit relativ geringen Nominalpegeln um die -10dBV, was einer Spannung von 316mV entspricht. (handbuch audiotechnik) Elektrische Spannungen dieser Größenordnung gelten als unbedenklich.

Reihen-/ Parallelschaltung von Verbrauchern & Schmelzsicherung

Dieser Demonstrationsversuch ist als Sequenz gestaltet und untergliedert sich in 2 Teile: Zunächst sollen Beobachtungen über das Verhalten von Verbrauchern in Reihen- und Parallelschaltungen getroffen werden. Der 2. Teil beschäftigt sich mit einer einfachen Schmelzsicherung, die durch einen Eisendraht realisiert wird. Der zusammengestellte Versuch ist den Teilexperimenten entsprechend aus Versuchsanleitungen der Firma Leybold entnommen. (siehe [3], [4] und [5] Leybold)

Aufbau

Um das Experiment durchzuführen, werden die folgenden Materialien benötigt:

Abb. 4: Exemplarischer Aufbau des abschließenden Teilversuchs

Abb. 3: Einspannen des Eisendrahts

• Gleichstromgenerator
• Große Aufsteckplatte
• Schalter
• 6 Brückenelemente
• 3 Glühlampen
• 1 Glühlampe (12V)
• Experimentierkabel
• 2 Stativfüße
• 2 isolierende Halterungen/Stativstangen
• Eisendraht (Durchmesser 0,25mm) (siehe Abbildung 3)

Ein exemplarischer Aufbau des letzten Teilversuchs ist der Abbildung 4 zu entnehmen. Der primäre Stromkreis besteht aus einer Masche, die den Gleichstromgenerator, den Schalter, eine Glühlampe sowie den zwischen 2 isolierenden Halterungen gespannten Eisendraht beinhaltet. Die Schaltung wird im Verlauf der Durchführung um weitere Glühlampen, die unter Hinzunahme von Brückensteckern entweder in Reihe oder parallel geschaltet werden, ergänzt. Um die Funktion der Schmelzsicherung eindrucksvoll zu demonstrieren, empfiehlt es sich, 2-3 Drahtfragmente zu einem starken Draht zu verdrillen.

Durchführung

Abb. 6: Parallelschaltung der Glühlampen

Abb. 5: Schaltung der Glühlampen in Reihe

Ist der Grundaufbau abgeschlossen und der Gleichstromgenerator mit Strom versorgt, sollte der Schalter zunächst geschlossen werden, um die Funktion des Stromkreises zu überprüfen. Nun wird bei geschlossenem Schalter jeweils ein Brückenelement durch jeweils eine Glühlampe ersetzt, sodass 3 Glühlampen in Reihe geschaltet sind (siehe Abbildung 5). Nach Beobachtung der Leuchtwirkung der einzelnen Lampen wird der Grundzustand wieder hergestellt und im Anschluss ein Parallelstromkreis aufgebaut, wie er der Abbildung zu entnehmen ist (siehe Abbildung 6). Auch hier sollen die Schülerinnen und Schüler das Verhalten der Glühlampen beobachten. Im letzten Schritt wird der Schalter geöffnet, sodass kein Strom fließt, und die Schaltung um die Glühlampe mit hoher Leistung erweitert (siehe dazu Abbildung 4 oben), indem auch diese parallel geschaltet wird. Wird der Schalter nun geschlossen, dauert es einige Sekunden, bis die Sicherung schmilzt und alle Glühlampen erlischen.

Ergebnisse

Die Schülerinnen und Schüler sollten nun folgende Beobachtungen getroffen haben:

Abb. 8: Parallelschaltung der Glühlampen

Abb. 7: Schaltung der Glühlampen in Reihe

• Mit steigender Anzahl der in Reihe geschalteten Glühlampen kommt es in allen Lämpchen jeweils zu einer Abschwächung der Leuchtwirkung. Spätestens mit dem Anschluss der Glühlampe höherer Leistung ist kaum noch eine Leuchtwirkung festzustellen.
• Mit steigender Anzahl der parallel geschalteten Lampen ändert sich nichts an deren Leuchtverhalten. Alle Lampen erstrahlen in der gleichen Helligkeit wie die Erste.
• Beim parallelen Betrieb aller 4 Lampen beginnt der Eisendraht sich zu erhitzen, bis er zu glühen beginnt und schließlich zerstört wird. Da der Stromkreis so unterbrochen wird, erlischen die Glühlampen.

Auswertung

Die Helligkeit der Glühlampen steigt mit der Größe der Betriebsspannung. Nach den Kirchhoff'schen Gesetzen bleibt die anliegende Spannung an allen Glühlampen im Parallelstromkreis konstant, während sich im Reihenstromkreis die einzelnen Spannungsabfälle an den Lampen zur Gesamtspannung addieren (vgl. Demtröder (2013), S. 55) . Dem Modell der "Abschwächung" widerspricht dies recht eindeutig: Nicht die Position der Glühlampen ist entscheidend für das Ausmaß der Leuchtwirkung, sondern allein ihr ohm'scher Widerstand.

Das Experiment zeigt weiterhin auf eindrucksvolle Weise, wie eine Schmelzsicherung bei Überlastung des Stromkreises funktioniert. Sie ist innerhalb des Versuchs ein dezidierter Bestandteil der Schaltung und als erstes bzw. letztes Glied in der Reihe positioniert, wenn man von der technischen bzw. physikalischen Stromrichtung ausgeht. Dies wäre eine Richtigstellung gegenüber der Idee des "unipolaren" Modells, wo der rückführende Leiter in der Vorstellung nur als "Sicherung" dient.

Sicherheitshinweise

Da der Eisendraht durch die Erhitzung eine hohe Temperatur erreicht und beim Schmelzen einige Funken schlägt, sollte er mit einigem Abstand zum Rest des Aufbaus positioniert werden, um die anderen Geräte nicht in Mitleidenschaft zu ziehen. Der Experimentierende selbst sollte auch einen gewissen Sicherheitsabstand einhalten.

Abhängigkeit des Widerstandes von der Länge eines Drahtes

Dieses Experiment eignet sich als Schülerversuch und untersucht den ohm'schen Widerstand eines Leiters in Abhängikeit von seiner Länge. Der Versuch ist einer Anleitung von Leybold entnommen (siehe [6] Leybold)

Aufbau

Um das Experiment durchzuführen, werden die folgenden Materialien benötigt:

Abb. 9: Exemplarischer Aufbau des Versuchs

• Gleichstromgenerator
• Schalter
• 2 analoge Demonstrations-Multimeter
• mittelgroße Aufsteckplatte
• Experimentierkabel
• Krokoklemme
• Draht-Wickelplatte
• Chromnickeldraht (Durchmesser 0,25 cm)

Ein exemplarischer Aufbau kann der Abbildung entnommen werden. Dieser richtet sich nach dem Schema, das in der Versuchsanleitung vorgeschlagen wird. Der Chromnickeldraht wird dazu so um die Platte gewickelt, dass 25 Windungen entstehen. Laut Hersteller beträgt die Drahtlänge pro Wicklung dann

$L_{0}=8cm$

Durchführung

Ist die Schaltung aufgebaut, werden mit der Krokodilklemme zunächst 6 Wicklungen abgegriffen und der Schalter geschlossen. Mithilfe des Gleichstrom-Netzgeräts und des analogen Multimeters wird nun eine Spannung von 3V eingestellt. Die Stromstärke kann nun unter Angabe der Spannung und der Anzahl der Wicklungen notiert werden. Nun greift man eine höhere Anzahl an Wicklungen ab, hält die Spannung konstant und liest erneut die zugehörige Stromstärke ab. Das Vorgehen sollte solange wiederholt werden, bis man mindestens 4 Messwerte erhalten hat. Es lohnt sich weiterhin, die Position des Amperemeters innerhalb der Reihenschaltung zu ändern, um z.B. den Stromfluss vor dem Chromnickeldraht zu untersuchen.

Ergebnisse

Aus der Anzahl der Windungen kann mit $L=N*L_{0}$ die entsprechende Länge des Drahtes berechnet werden. Aus $R=U/I$ erhält man den ohm'schen Widerstand (vgl. Demtröder (2013), S. 48). Aus den Daten kann man nun den elektrischen Widerstand des Drahtes in Abhängigkeit von seiner Länge ermitteln. Die folgende Tabelle enthält die Messbeispiele, die vom Hersteller in seiner Anleitung angegeben werden (siehe [7] Leybold). Die Position des Amperemeters führt dabei zu keiner Veränderung der Messergebnisse.

N	L in cm	U in V	I in A	R in $\Omega$
6	48	3	0,330	9
12	96	3	0,160	19
18	144	3	0,105	29
24	192	3	0,075	43

Es lässt sich erkennen, dass sich der elektrische Widerstand und die Länge des Drahtes proportional zueinander verhalten. Auf eine grafische Auswertung und die Bestimmung der Messungenauigkeiten wird aufgrund der didaktischen Fragestellung innerhalb dieser Versuchsreihe verzichtet.

Auswertung

Das Experiment demonstriert die Charakteristik des elektrischen Widerstandes, in seinem Wert zu wachsen, je länger der elektrische Leiter ist. In Bezug auf die oben genannten Vorstellungen vom elektrischen Stromkreis lässt sich festhalten, dass das "Teilen" Modell zur Erklärung des Phänomens hier an seine Grenzen stößt. Misst man den elektrischen Strom an verschiedenen Positionen im Stromkreis, so zeigt sich keine Veränderung der Messwerte, was einen konstanten Stromfluss in der Masche bedeutet. Ein "Verbrauch" des elektrischen Stroms, wie in dem Modell illustriert, gibt es also nicht.

Sicherheitshinweise

Aufgrund der niedrigen Spannungen gilt das Experiment als unbedenklich und bietet sich daher ausgezeichnet als Schülerversuch an.

Siehe auch

• Versuchsanleitung zum einfachen Stromkreis von LD Didactic [29.03.2018]
• Richtberg: Der Mensch als Leiter; http://www.richtberg.org/der-mensch-als-leiter/ [29.03.2018]
• Versuchsanleitung zur Reihenschaltung von Widerständen [29.03.2018]
• Versuchsanleitung zur Parallelschaltung von Widerständen [29.03.2018]
• Versuchsanleitung zur Schmelzsicherung [29.03.2018]
• Versuchsanleitung zum Zusammenhang zwischen Widerstand und Länge eines Drahtes [29.03.2018]

• Versuchsreihe zu den Kernphänomenen der Wechselstromlehre
• Grundlagen des Elektromotors anschaulich verstehen – Die Abhängigkeiten des Magnetfelds der endlichen Spule bestimmen
• Schaltung einer Treppenhausbeleuchtung