Viele Menschen haben Angst vor Elektrizität. Das ist zum Teil auch begründet. Geht man jedoch mit Elektrizität richtig um und verwendet die geeigneten Geräte, besteht kein Grund zur Sorge. Der folgende Text erklärt, welche Geräte Sie bedenkenlos verwenden dürfen. Außerdem werden einige Grundlagen eingeführt, die für einen sicheren Umgang mit Elektrizität wichtig sind. Show
Welche Geräte sind für den Unterricht geeignet?Spannungs- und StromquellenGrundsätzlich gilt: Im Unterricht dürfen elektrische Stromkreise auf keinen Fall an eine Steckdose angeschlossen werden. Die Spannung an der Steckdose beträgt 230 Volt (bzw. 400 Volt an einer Drehstromsteckdose) und ist lebensgefährlich. Solche hohen Spannungen sind im Alltag erst durch entsprechende Schutzmaßnahmen ohne Gefahr nutzbar (siehe "Elektrische Anlagen – Elektrik im Haus"). Wird im Unterricht eine elektrische Schaltung aufgebaut, können diese Schutzmaßnahmen in der Regel nicht eingehalten werden, so dass auf geeignete Spannungsquellen zurückgegriffen werden muss. Geeignet sind Spannungsquellen, die eine sogenannte Schutzkleinspannung mit sicherer Trennung zur Verfügung stellen. Für Schülerversuche darf eine Spannung von 25 Volt Wechselspannung bzw. 60 Volt Gleichspannung [1] nicht überschritten werden. Zu den geeigneten Spannungsquellen gehören Batterien oder Akkumulatoren (Akkus) mit Nennspannungen [2] von 1,5 V, 4,5 V oder 9 V. Batterien und Akkus sind auch deshalb sehr geeignet, weil sie einen Bezug zum Alltag der Schülerinnen und Schüler darstellen. Zu den geeigneten Spannungsquellen zählen auch Netzgeräte, die eine entsprechend niedrige Spannung ausgeben. Es empfiehlt sich auf das Angebot bekannter Lehrmittelhersteller zurückzugreifen. Der Vorteil ist, dass an diesen Geräten unterschiedliche Spannungen eingestellt werden können. Lampen, Widerstände, ...Lampen eignen sich gut, um einen einfachen Stromkreis aufzubauen. Mit Lampen kann man die Wirkung von Elektrizität sichtbar machen. Außerdem ist eine leuchtende (oder nicht leuchtende oder schwach/stark leuchtende) Lampe leicht zu zeichnen, wenn der Stromkreis ins Arbeitsheft oder auf ein Arbeitsblatt übertragen werden soll. Abb. 1: Eine kleine Glühlampe (links); Glühlmape für die Verwendung in einem Steckbrett (rechts) Achten Sie darauf, dass die Glühlampen, die Sie verwenden wollen, auch an die "richtige" Spannungsquelle angeschlossen werden. Eine Lampe, die für einen Betrieb bei 12 V gebaut wurde, leuchtet bei einer Spannung von 1,5 V nur sehr schwach oder gar nicht. Und eine Lampe, die für einen Betrieb bei 1,5 V bestimmt ist, geht sehr wahrscheinlich kaputt, wenn man sie "an 12 V" anschließt. Widerstände (z. B. für Steckbretter, siehe Abb. 2) wandeln elektrische Energie in innere Energie (Wärme) um. Die Erkenntnisse bzw. die Erfahrung wird in diesem Fall über die haptische Wahrnehmung im Gedächtnis verankert. Allerdings lässt sich ein "warmer Widerstand" nicht so leicht zeichnen. Abb. 2: Widerstand für die Verwendung in einem Steckbrett: links ohne und rechts mit Gehäuse Da Widerstände – ähnlich wie Lampen – nur für eine bestimmte maximale Spannung ausgelegt sind, muss auch hier darauf geachtet werden, dass diese Spannung nicht überschritten wird. Da auf den Widerständen meistens nicht die maximale Spannung sondern die maximale Leistung angegeben ist, muss die entsprechende maximale Spannung über eine kleine Rechnung bestimmt werden [3]. Sie können auch, anstatt zu rechnen, den Widerstand an eine regelbare Spannungsquelle anschließen, die Spannung langsam erhöhen und fühlen, wie warm der Widerstand wird. Achtung: Der Widerstand darf sich dafür nicht in einem geschlossenen Gehäuse befinden. Natürlich kann man außer bzw. anstatt Glühlampen und Widerständen noch weitere Verbraucher in Stromkreisen einsetzen: einen Summer etwa, oder einen kleinen motorbetriebenen Propeller usw. Leitungen und DrähteGrundsätzlich sind alle (Metall-)Drähte geeignet, um einfache Stromkreise aufzubauen. Lange dünne Drähte sollten jedoch vermieden werden. Drähte werden in den meisten Betrachtungen als ideal, also widerstandslos und leitend angenommen. Bei langen dünnen Drähten ist der Widerstand jedoch relativ groß. Die Folge ist, dass eine Lampe eventuell nicht leuchtet, weil ein zu großer Teil der Spannung am Drahtwiderstand abfällt. Abb. 3: Kabel (links) und Brücken (rechst) Vorgefertigte Laborleitungen für die Schule haben den Vorteil, dass die Stecker in die zugehörigen Steckbretter, Schalter oder Lampenfassungen passen. Für die Steckbretter gibt es auch Brücken, mit denen die Drahtverbindungen auf den Steckbrettern "hergestellt" werden können. Der Vorteil dieser Bauteile ist, dass der Stromkreis dem zugrunde liegenden Schaltplan ähnlicher sieht. Drähte aus dem Baumarkt sind dafür preiswerter. Schalter, Steckbretter, ...Die Lehrmittelhersteller bieten verschiedene Materialbausätze an, deren Elemente – Schalter, Steckbretter mit Brücken usw. – zusammenpassen. Abb. 4: Steckbrett mit Brücken und Glühlampe. Die Spannungsquelle ist über Laborleitungen angeschlossen. Je nach Ziel des Unterrichts kann man aber auch auf andere Weise einen Stromkreis zusammenbauen, zum Beispiel indem man sich im Haushalt bedient. So können Stromkreise an den offenen Drahtenden mit Heftzwecken geschlossen werden. Wichtig ist nur, dass Sie ihren Schülern verständlich machen, dass dies nur im Versuch in der Schule bzw. nur mit Kleinspannungsquellen geschehen darf. Steckbretter haben den Vorteil, dass die Schaltung sehr stark einem Schlatplan (Stromlaufplan) ähnelt. Dies fördert die Vernetzung des abstrakten Schaltplans mit dem Versuchsaufbau. Abb. 5: Einfacher Stromkreis mit Batterie, Büroklammern, Kupferdrähten und einer Glühlampe Wichtige Begriffe und AusdrückeDie korrekte Fachsprache verwendenIn der Elektrizitätslehre gibt es eine Fachsprache, die gewährleisten soll, dass fachliche Zusammenhänge präzise und möglichst unmissverständlich ausgedrückt werden. Wird die Fachsprache richtig verwendet, kann sie außerdem helfen, Fehlvorstellungen zu vermeiden oder auszuräumen. Appell an Lehrende, die im Unterricht das Thema Elektrizität behandeln
Die wichtigsten Begriffe und Ausdrucksweisen im ÜberblickStrom
Spannung
Energie
Widerstand
Abb. 6: Unterschiedliche Wiederstände Parallelschaltung
Abb. 7: Parallelschaltung von zwei Lampen auf einem Steckbrett Abb. 7a: Parallelschaltung von zwei Lampen Reihen- oder Serienschaltung
Abb. 8: Reihenschaltung von zwei Lampen auf einem Steckbrett Abb. 8a: Reihenschaltung von zwei Lampen Was leitet und was nicht?Im Grundschulunterricht bietet es sich an, die Schülerinnen und Schüler kleine Experimente machen zu lassen, um selbstständig herauszufinden, was leitet und was nicht. Am einfachsten geht es, wenn man einen kleinen Stromkreis aufbaut, bestehend aus einer Batterie und einer Lampe. Öffnet man diesen Stromkreis an einer Stelle und fügt den jeweiligen Gegenstand ein, kann man überprüfen, ob es sich um einen Leiter handelt oder nicht. Im Folgenden sind zahlreiche Gegenstände angegeben, die sich für diese Experimente eignen. Metalle
Kunststoffe
(Quelle: Kreuzschnabel, Wikimedia Commons, artlibre) Keramik und Glas
Holz
Der elektrische StromkreisEin elektrischer Stromkreis besteht immer aus einer Strom- bzw. Spannungsquelle und unterschiedlichen Elementen, die so miteinander verbunden werden, dass ein leitender "Kreis" entsteht; man spricht daher von einem geschlossenen Stromkreis. Der einfachste Stromkreis besteht aus einer Batterie (Spannungsquelle) und einem Draht, der die beiden Pole der Batterie miteinander verbindet. Ein solcher Stromkreis stellt allerdings einen Kurzschluss dar. Da der Widerstand des Drahtes sehr klein ist, wird bei einem Kurzschluss der Strom sehr groß [4]; der Draht wird heiß. In einem Stromkreis sollte aus diesem Grund ein Verbraucher (z. B. eine Lampe oder ein Motor) eingebaut sein. Ein Verbraucher hat einen größeren Widerstand und begrenzt dadurch den Strom. Der einfachste ("sinnvolle") Stromkreis besteht demnach aus:
Abb. 10: Ein einfacher Stromkreis Dieser einfache Stromkreis kann durch weitere Verbraucher, aber auch durch zusätzliche Spannungs- und Stromquellen oder Schalter erweitert werden. Diese müssen dann in Reihe oder parallel geschaltet werden. Abb. 11: Beispiele für weitere Stromkreise (zum
Vergrößern auf das Bild klicken) Fußnoten1: Für Gleichspannung und Wechselspannung werden häufig die englischen Kürzel DC und AC verwendet. Sie stehen für direct current (= Gleichstrom) und alternating current (= Wechselstrom). 2: Die Nennspannung ist der vom Hersteller angegebene Spannungswert, den die Batterie oder der Akku im Normalbetrieb bereitstellt. 3: Über die Beziehungen "Leistung ist gleich Spannung mal Strom" (P = U I) und "Spannung ist gleich Widerstand mal Strom" (U = R I), folgt für die Spannung: U = √(P R) (Spannung ist gleich Wurzel aus Leistung mal Widerstand). 4: Da die Spannung der Batterie konstant ist, ergibt sich aus der Formel U = R I, dass bei kleinem Widerstand der Strom groß ist. Letzte Aktualisierung: 18.10.2017 Was Herrscht am Pluspol der Batterie?Batterie Eine Batterie ist eine elektrische Energiequelle, die Gleichstrom liefert. Pluspol: Hier herrscht Elektronenmangel. Er zieht Elektronen aus dem Leiter. Minuspol: Hier herrscht Elektronenüberschuss.
Wie funktioniert ein Akku einfach erklärt?Akkumulatoren (Akkus) sind wieder aufladbare elektrochemische Zellen. In ihnen ist elektrische Energie gespeichert. Sie sorgen als Spannungsquellen für den Antrieb in elektrischen Stromkreisen. Die Wirkungsweise von Akkumulatoren basiert auf elektrische Leitungsvorgänge in Flüssigkeiten und elektrochemische Reaktionen.
Was passiert wenn Autobatterie zu viel Ampere hat?Je mehr Amperestunden, desto größer und auch teurer ist die Batterie in der Regel. Mehr Kapazität kann generell nicht schaden. Ist die Batterie jedoch zu groß, passt sie nicht mehr in die vorgesehene Halterung. Eine zu kleine Batterie hingegen kann möglicherweise nicht richtig befestigt werden.
Was ist Akku für eine Stromquelle?Eine Batterie ist eine Vorrichtung, die elektrische Energie in Form von chemischer Energie speichert. Bei Bedarf wird die Energie erneut als elektrischer Strom für Gleichstrom-Verbraucher, wie Beleuchtung und Anlassmotoren, freigegeben.
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