In dieser Materialsammlung für den Physik-Unterricht sind Unterrichtsmaterialien rund um die Elektrizitätslehre und ihre Teilbereiche gebündelt. Dazu zählen elektrische Ladungen und Strom, elektrische und magnetische Felder, die elektromagnetische Induktion, elektromagnetische Schwingungen und Wellen sowie Grundlagen der Elektronik. Die Elektrizitätslehre umfasst alle Vorgänge, die entweder mit ruhender Ladung (Elektrostatik) oder bewegter Ladung (Elektrodynamik) zu tun haben. Der Begriff selbst leitet sich aus dem griechischen Wort electron (deutsch: Bernstein) ab. Er geht zurück auf den griechischen Naturwissenschaftler und Philosoph Thales von Milet, der mit Bernstein vor etwa 2500 Jahren Versuche durchgeführt und dabei beim Reiben von Bernstein festgestellt hat, dass dieser kleine leichte Teilchen anziehen kann. Lernziele und Lehrplanbezüge für die Elektrizitätslehre im Fach Physik Elektrische Ladungen sind Bestandteile von Atomen und werden als Ladungsträger bezeichnet. Man unterscheidet die negativ geladenen Elektronen (m e = 9,11×10 -31 kg) der Atomhülle von den positiv geladenen Protonen (m p = 1,67×10 -27 kg) des Atomkernes, wobei der Betrag der Ladung bei beiden gleich groß ist. Bedeutsam ist, dass sich gleichnamige Ladungen abstoßen , während sich ungleichnamige Ladungen anziehen . Elektrischer Strom ist ein Naturphänomen und kein Produkt eines genialen Physikers. Es fließen dabei in erster Linie leicht bewegliche Elektronen der Atomhülle durch einen dafür geeigneten Leiter wie etwa Kupfer oder Wolfram . Ein elektrisches Feld entsteht, wenn sich um positive oder negative Ladungen herum infolge der gegenseitigen Anziehung oder Abstoßung bestimmte Kraftwirkungen ergeben, die man mithilfe von Feldlinienbildern darstellen kann. Ein magnetisches Feld hingegen entsteht sowohl durch die Kraftwirkung zwischen Dauermagneten aus Eisen, Kobalt oder Nickel als auch um bewegte elektrische Ladungen herum wie etwa Stromleitungen oder Spulen . Ein für sehr viele technische Entwicklungen äußerst wichtiger Bereich ist die elektromagnetische Induktion , bei der sowohl durch die Bewegung eines Leiters in einem Magnetfeld als auch durch Änderung eines von einem Leiter umschlossenen Magnetfeldes (zum Beispiel einer Spule) eine elektrische Spannung und ein elektrischer Stromfluss erzeugt werden. Von großer Bedeutung für die Stromerzeugung (zum Beispiel durch Generatoren) und die Stromübertragung über weite Strecken durch Hochspannung (erzeugt durch sogenannte Transformatoren) ist der Wechselstrom , der uns auch im Haushalt zur Verfügung gestellt wird. Er unterscheidet sich vom Gleichstrom dadurch, dass er regelmäßig seine Richtung ändert (in Deutschland mit 50 Hz, was 100 Richtungsänderungen pro Sekunde entspricht). Von elektromagnetischen Schwingungen spricht man, wenn sich die Feldstärke eines elektrischen Feldes und eines magnetischen Feldes periodisch ändern (zum Beispiel beim Kondensator oder bei Spulen). Zudem senden in einem Leiter beschleunigte oder abgebremste Ladungen elektromagnetische Felder aus, die sich im Raum mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Dabei ändern sich die Stärken des elektrischen und magnetischen Feldes sowohl räumlich als auch zeitlich periodisch und besitzen daher die gleichen Eigenschaften wie Wellen. Man bezeichnet sie deshalb als elektromagnetische Wellen . Die Grundlagen der Elektronik beschäftigen sich mit Bauelementen aus der Halbleitertechnologie wie etwa Dioden und Transistoren sowie den daraus anwendbaren Schaltungen .

Diese Unterrichtseinheit beschäftigt sich mit den physikalischen Phänomenen "Reibungselektrizität" und "Elektrische Influenz". An einfachen Beispielen aus dem täglichen Leben, wie etwa beim Kämmen von frisch gewaschenem Haar, kann man den Lernenden auf einfache Weise zeigen, wie es durch Reiben von zwei Nichtleitern aneinander zur Reibungselektrizität kommt. Dabei werden Elektronen von einem Stoff herausgelöst und fließen zum anderen mit der Folge, dass sich die Haare abstoßen.Zur Reibungselektrizität kommt es häufig, wenn zwei unterschiedliche Materialien aneinander gerieben werden – dabei bekommt ein Material zusätzliche Elektronen, während das andere Material Elektronen abgibt. Von elektrischer Influenz hingegen spricht man, wenn es bei einem Körper durch Annähern eines anderen geladenen Körpers zu einer Veränderung der Ladungsverteilung kommt. Elektrische Influenz kann man zum Beispiel mittels eines Elektroskopes zeigen, indem man eine geladene Kugel dem Elektroskop annähert: Je näher man mit der geladenen Kugel an das Elektroskop kommt, desto stärker werden sich die beweglichen Nadeln des Elektroskopes voneinander entfernen, weil sich die Ladung auf dem ungeladenen Elektroskop in Richtung der Nadeln verschiebt, mit dem Effekt, dass sich die beiden Nadeln abstoßen. Reibungselektrizität und elektrische Influenz Reibungselektrizität als Ablösung und elektrische Influenz als Verschiebung von elektrischen Ladungen bilden den Einstieg in den Bereich der Elektrostatik, die grundlegend sind für das Verständnis des elektrischen Feldes und den daraus resultierenden Begriffen wie elektrische Feldstärke, elektrische Spannung und Dielektrizität. Vorkenntnisse Grobe Vorkenntnisse von den Lernenden sind in Hinblick auf Reibungselektrizität dahingehend zu erwarten, dass jede Schülerin und jeder Schüler sicher schon einmal einen "elektrischen Schlag" bekommen hat, wenn er oder sie über einen Teppich aus Kunststoff gelaufen ist und dann ein Eisengeländer berührt hat. Die elektrische Influenz hingegen bedeutet für die meisten Lernenden sicher Neuland, kann aber durch einfache und anschauliche Versuche ohne großen Aufwand erläutert werden. Didaktische Analyse Die Behandlung von Reibungselektrizität und elektrischer Influenz sind im Unterricht der Sek. I wichtig, weil sonst die Behandlung der doch anspruchsvollen Vorgänge und Gesetzmäßigkeiten im Rahmen der statischen Physik des elektrischen Feldes im Unterricht der Sek. II schwierig würde. Methodische Analyse Das Verständnis für die Vorgänge bei Reibungselektrizität und elektrischer Influenz kann durch viele, leicht durchführbare Versuche, die den Lernenden Spaß machen und die sie gefahrlos an sich ausprobieren können, schnell zu einem nachhaltigen Lernerfolg führen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler können erklären, wie es zu positiv oder negativ geladenen Körpern kommt. kennen die Unterschiede zwischen Ladungstrennung und Ladungsverschiebung. wissen um die Gefährlichkeit von Ladungstrennung (zum Beispiel bei Gewittern). Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren selbständig Fakten, Hintergründe und Kommentare im Internet. können die Inhalte von Videos, Clips und Animationen auf ihre sachliche Richtigkeit hin überprüfen und einordnen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen durch Partner- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. setzen sich mit den Ergebnissen der Mitschülerinnen und Mitschüler auseinander und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen.

In dieser Unterrichtseinheit recherchieren die Schülerinnen und Schüler im Internet nach Firmenadressen für einen Serienbrief und formulieren einen Einladungstext.Für die Produktpräsentation eines Spielzeugherstellers eine Einladung formulieren, im Internet nach geeigneten Geschäftskunden suchen und mithilfe von Stadtplänen aus dem Internet eine Wegbeschreibung erstellen - diese komplexe Aufgabe erfordert den Einsatz von PC und Internet in typischen Situationen des Berufsalltags. Informationsbeschaffung und -auswertung sind Schlüsselqualifikationen, die im Berufsalltag gefordert werden. Es gilt, den effektiven Umgang mit Suchmaschinen und Webkatalogen in unterschiedlichen Lernsituationen zu trainieren.Die Unterrichtseinheit ist eingebunden in das Thema kaufmännischer Schriftverkehr. Die Dauer der hier vorgestellten Unterrichtseinheit kann je nach Vorkenntnissen der Auszubildenden variieren. Im Vorfeld sollten die Grundlagen der Internetrecherche und das Erstellen eines Serienbriefes nach den gängigen Regeln im kaufmännischen Schriftverkehr (DIN 5008) den Auszubildenden bekannt sein.Die Schülerinnen und Schüler recherchieren mithilfe von Suchmaschinen oder -katalogen (Gelbe Seiten) im Internet Firmenadressen. setzen einen Routenplaner ein und kopieren eine Wegbeschreibung in Word. formulieren einen ansprechenden Einladungstext. erstellen einen Serienbrief nach den gängigen Regeln im kaufmännischen Schriftverkehr (DIN 5008).

In dieser Unterrichtseinheit planen die Schülerinnen und Schüler ihre eigene imaginäre Geburtstagsparty mit einem Freund oder einer Freundin. Dazu verfassen sie mit Microsoft Word eine Einladungskarte, nutzen eine englischsprachige Website zur Erstellung einer Einkaufsliste und schreiben unter Verwendung der Einkaufliste einen Dialog.In Lehrwerken wird das Thema "Einkaufen" oft mit dem "Planen einer Party" verknüpft. Mit dem vorliegenden Unterrichtsmaterial lässt es sich noch einmal umwälzen und vertiefen, indem die Schülerinnen und Schüler eine eigene Geburtstagsparty planen. Dies geschieht mithilfe des Programmes Microsoft Word sowie der Website des englischen Supermarktes Tesco. Zur Verwendung von Microsoft Word gibt es eine Hilfekarte, die Website ist durch die Produktbilder gut zu verstehen. Bezug auf Datums- und Zeitangaben sowie Umsetzung der W-Fragen Die Schülerinnen und Schüler beschäftigen sich im Kontext einer Party mit den nötigen Vorbereitungen. Durch das Schreiben der Einladungskarte festigen sie ihr Wissen in Bezug auf Datums- und Zeitangaben sowie die Umsetzung der W-Fragen in allgemeinen Texten. Die Benutzung des Programmes Microsoft Word ist dabei eine erste methodische Erfahrung im Umgang mit dem Computer. Wortschatz-Erweiterung durch Internetarbeit Auch für junge Schülerinnen und Schüler hat das Internet bereits seinen Reiz, sodass davon auszugehen ist, dass sie besonders motiviert damit arbeiten werden. Die Vorgabe einer Unterkategorie der englischsprachigen Website des Supermarktes Tesco ermöglicht den Lernenden eine Wortschatz-Erweiterung ohne Überforderung, da die Seite mit vielen Bildern und Produktfotos arbeitet. Mündlichkeit fördern Um auch die Mündlichkeit zu fördern und die erarbeiteten Informationen in einer authentischen Situation enden zu lassen, erstellen die Schülerinnen und Schüler einen Dialog über ihre geplante Party. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler vertiefen ihr Vokabular zum Thema "party" und "shopping". wiederholen und festigen ihr Wissen zu Datums- und Zeitangaben. arbeiten mit den W-Fragen. festigen ihr Vokabular, um Vorschläge zu machen und auf diese zu reagieren. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler arbeiten mit dem Programm Microsoft Word und festigen beziehungsweise erlernen den Umgang mit Vorlagen und weiteren Gestaltungsmöglichkeiten. recherchieren im Internet auf einer vorgegeben Website. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler arbeiten im Team an den gestellten Aufgaben. fühlen sich empathisch in die gegebene Situation ein, um die Aufgaben lösen zu können.

In dieser Unterrichtseinheit entwickeln die Schülerinnen und Schüler ein Verständnis für die Voraussetzungen zur Erzeugung von elektrischem Strom, den wir ganz selbstverständlich der Steckdose entnehmen können. Den Lernenden wird dabei vermittelt, dass in einem Leiter, der senkrecht zu einem Magnetfeld bewegt wird, die mit dem Leiter mitbewegten Ladungsträger senkrecht zu ihrer Bewegungsrichtung abgelenkt werden. Diese Erkenntnis des niederländischen Physikers Hendrik Anton Lorentz schuf Ende des 19. Jahrhunderts die Grundlagen für die technische Stromerzeugung, die bis heute gültig sind.Mit einfachen Versuchen mittels einer sogenannten Leiterschaukel werden die Schülerinnen und Schüler damit vertraut gemacht, wie die Ladungsträger des elektrischen Stromes – die Elektronen – in einem Leiter je nach Bewegungsrichtung des Leiters abgelenkt werden. Somit baut sich an den Leiterenden eine Spannungsdifferenz auf und bei Verbindung der Leiterenden durch ein dünnes Kupferkabel entsteht ein mit einem Messgerät feststellbarer Stromfluss. Ebenso lässt sich ganz leicht zeigen, dass sich durch das sich selbst überlassene schaukelartige Hin- und Herschwingen des Leiters die Stromrichtung periodisch ändert; daraus entsteht eine Wechselspannung und somit Wechselstrom. Strom aus der Steckdose – wie funktioniert das eigentlich? Strom aus der Steckdose ist für Schülerinnen und Schüler eine Selbstverständlichkeit. Doch dass es sich dabei um Wechselstrom handelt, welcher Unterschied zwischen Wechselstrom und Gleichstrom besteht, warum manchmal Wechselstrom nötig ist und manchmal aber auch Gleichstrom notwendig ist – das dürfte für viele Lernende neu und interessant sein. Vorkenntnisse Physikalische Vorkenntnisse der Lernenden sind trotz der Kenntnis, dass der Strom für fast alle Haushaltsgeräte aus der Steckdose kommt und dass dieser Strom in Kraftwerken mit riesigen Generatoren erzeugt wird, kaum vorhanden. Dazu fehlt das Wissen, um die eigentlichen Vorgänge, die innerhalb des stromführenden Leiters ablaufen, zu beschreiben. Didaktische Analyse Die Grundlagen für die weiterführenden Themen in der Sek II – wie etwa die Vorgänge und Gesetzmäßigkeiten bei der elektromagnetischen Induktion – werden durch die einfachen Versuche zur Lorentzkraft gelegt. Haben die Lernenden diese Zusammenhänge verstanden, kann mit diesem Grundwissen auch der weiterführende Stoff gut verstanden werden. Methodische Analyse Durch die einfach durchzuführenden und nachzuvollziehenden Versuche mit der Leiterschaukel, die von den Lernenden gefahrlos selbst ausprobiert werden können, kann sowohl ein schneller Lernerfolg generiert werden als auch ein nachhaltiges Interesse an der Elektrizitätslehre. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler erkennen die Zusammenhänge bei der Ablenkung von Elektronen im Magnetfeld. können die Entstehung einer Wechselspannung mithilfe der Lorentzkraft beschreiben. kennen die Bedeutung der Lenz'schen Regel für die Stromerzeugung. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren selbständig Fakten und Hintergründe im Internet. können die Sachinhalte von Videos, Clips und Applets auf ihre Richtigkeit überprüfen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen durch Partner- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. setzen sich mit den Ergebnissen anderer Gruppen auseinander und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen. erwerben eine gewissen Fachkompetenz, um mit anderen Lernenden, Eltern, Freunden diskutieren zu können.

Das hier vorgestellte Flash-Programm zeigt den Aufbau einer galvanischen Zelle aus einer Zink- und einer Kupferhalbzelle. Die chemischen Abläufe bei einer Stromentnahme werden dynamisch dargestellt.Die Beamerprojektion der Animation unterstützt das Unterrichtsgespräch und soll genutzt werden, um die im vorhergehenden Experiment demonstrierte Erzeugung elektrischer Energie in einer Teilchenmodellanimation zu veranschaulichen. Dabei wird deutlich, durch welche chemischen Vorgänge der Strom erzeugt wird. Neben den an den Elektroden stattfindenden Reaktionen wird auch die Diffusion der Ionen durch das Diaphragma dargestellt. Dadurch wird der Ladungstransport von Halbzelle zu Halbzelle innerhalb der Lösungen gewährleistet. Mithilfe der projizierten Animation werden die Teilgleichungen sowie die Redoxgleichung für den Gesamtumsatz an der Tafel entwickelt. Die Materialien der Unterrichtseinheit werden durch einen Beitrag aus der GDCh-Wochenschau-Artikel zum Thema (Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.) ergänzt: Unfreiwillig trägt fast jeder Mensch eines oder mehrere galvanische Elemente im Mund. Was können Chemikerinnen und Chemiker für einen korrosionsarmen Zahnersatz tun?Am Präsentationsrechner können Lehrerinnen und Lehrer die Flash-Folie als Unterrichtsmedium im Unterrichtsgespräch einsetzen. Das Experiment verdeutlicht den Lernenden die technische Möglichkeit zur Gewinnung elektrischer Energie aus chemischen Reaktionen. Die Animation lässt sich ebenfalls in einer selbstständigen Computer-Schülerarbeit einsetzen, zum Beispiel als Analyseinstrument beim Schülerpraktikum. Die in den Schülergruppen am Rechner erarbeiteten Ergebnisse zur Funktion des galvanischen Elements lassen sich abschließend im Schülervortrag computergestützt präsentieren und erläutern. Hinweise zum Einsatz der Animation im Unterricht Screenshots veranschaulichen die Funktionen der interaktiven Flash-Animation. Während der Präsentation werden die Reaktionsgleichungen an der Tafel fixiert. GDCh-Wochenschau-Artikel zum Thema Unfreiwillig trägt fast jeder Mensch eines oder mehrere galvanische Elemente im Mund. Wie finden Chemikerinnen und Chemiker einen korrosionsarmen Zahnersatz? Die Schülerinnen und Schüler sollen den Aufbau einer galvanischen Zelle aus zwei Halbzellen mit verschiedenen Metallelektroden, die in entsprechende Metallsalzlösungen eintauchen, beschreiben. anhand der Animation zur galvanischen Zelle erkennen, dass beim Verbinden beider Halbzellen mittels eines elektrischen Leiters zeitgleich und kontinuierlich in der einen Halbzelle ein Oxidations- und in der anderen ein Reduktionsvorgang an den Metallelektroden abläuft. erkennen, dass der Elektronenübergang zwischen beiden Teilvorgängen durch den elektrischen Leiter vermittelt wird. die dynamischen Teilchenmodellszenarien an den Elektroden in Reaktionsgleichungen umsetzen. aus der Animation ableiten, dass die Kombination und räumliche Trennung geeigneter Reduktions- und Oxidationsmittel chemische Energie speichert und diese durch Anschluss eines Verbrauchers in nutzbare elektrische Energie umgewandelt werden kann. Thema Funktion einer galvanischen Zelle Autor Dr. Ralf-Peter Schmitz Fach Chemie Zielgruppe Klasse 9/10, Jahrgangsstufe 12 (Wiederholung) Zeitraum 1 Stunde Technische Voraussetzungen Präsentationsrechner mit Beamer, Flash-Player (ab Version 8, kostenloser Download) Beschriftung der Zelle Die Animation beginnt die Präsentation mit einem Einblick in den Aufbau und die chemische Zusammensetzung eines galvanischen Elements. Ein Zinkblech taucht in eine Zinksulfatlösung und ein Kupferblech in eine Kupfersulfatlösung ein. Beide Systeme (Halbzellen) sind durch ein poröses Diaphragma voneinander getrennt (kombiniert). Die Beschriftung der Darstellung (Abb. 1, Platzhalter bitte anklicken) lässt sich über das obere Icon in der Buttonleiste (rechts außen) ein- beziehungsweise ausblenden. Stromfluss Durch Anklicken des Schalters (rechts unten in Abb. 2) wird der Stromkreis geschlossen (alternativ über die Space-Taste). Durch ein erneutes Anklicken des Schalters wird der Stromkreis unterbrochen und die Teilchensymbole werden ausgeblendet. Bei geschlossenem Stromkreis stoppt die Space-Taste die Bewegung der Teilchensymbole beziehungsweise startet sie bei erneuter Betätigung. Die Animation zeigt die chemischen Vorgänge an den Metallblechen (Elektroden) und den dadurch entstehenden Stromfluss. Die leuchtende Glühlampe zeigt den Verbrauch elektrischer Energie an. Anhand der projizierten Animation lassen sich die Teilgleichungen sowie die Redoxgleichung für den Gesamtumsatz an der Tafel entwickeln. Um jeder Schülerin und jedem Schüler die Elektrodenvorgänge deutlich vor Augen zu führen, lässt sich die Animation nach dem Stoppen über die Space-Taste mithilfe der Pfeil-Tasten langsam vor- oder zurückspulen. So kann jeder Elektrodenvorgang in angemessenem Tempo visualisiert werden. Die Teilvorgänge werden parallel zu diesem Vorgehen an der Tafel fixiert. Anode: Zinkatome werden oxidiert In der Zinkhalbzelle werden Zinkatome oxidiert und gehen als Zink-Ionen in Lösung. Dabei werden zwei Elektronen über das Zinkblech zum Verbraucher abgeführt: Zn (s) → Zn 2+ (aq) + 2e - Kathode: Kupferionen werden reduziert In der Kupferhalbzelle werden dem Kupferblech zugeführte Elektronen auf die Kupferionen der Lösung übertragen. Durch die Reduktion dieser Kupferionen scheidet sich elementares Kupfer auf der Kathodenoberfläche ab: Cu 2+ (aq) + 2e - → 2 Cu (s) Darstellung des Ladungstransports Die Animation zeigt neben den Reaktionen an den Elektroden auch die Diffusion von Ionen durch das Diaphragma und damit den Ladungstransport in der Lösung, der die Aufrechterhaltung der Elektroneutralität in beiden Halbzellen gewährleistet. Die Erzeugung elektrischer Energie findet nur statt, wenn der Transport elektrischer Landungen im gesamten System (im gesamten Stromkreis) möglich ist: im metallischen Leiter und im Elektrolyten. Da positiv geladene Kupferionen an der Kupferelektrode entladen werden, wandern negativ geladene Sulfationen in die Zinkhalbzelle. Gleichzeitig wandern positiv geladene Zinkionen aus der Zinkhalbzelle in die Kupferhalbzelle. "Alterung" des Galvanischen Elements Durch die Veränderungen an den Elektroden (die allerdings in der Animation nicht gezeigt werden) lässt sich die Alterung des apparativen Systems erläutern und die Stromabnahme prognostizieren. Die GDCh-Wochenschau informiert über aktuelle Themen aus der chemischen Forschung und Entwicklung. Zum Unterrichtsthema passende Beiträge sind für Lehrerinnen und Lehrer bei der Vorbereitung des Unterrichts eine Fundgrube für interessante und weiterführende Informationen. Schülerinnen und Schüler können die Artikel im Rahmen von WebQuests oder zur Vorbereitung von Referaten nutzen. Einen für diese Unterrichtseinheit relevanten Artikel stellen wir hier kurz vor. Der vollständige Beitrag steht als PDF-Download zur Verfügung. Die Aktuelle Wochenschau der GDCh Jede Woche finden Sie auf der Webseite der Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh) einen Beitrag zur chemischen Forschung und Entwicklung. Potentialdifferenz im Mund Metallische Werkstoffe höchst unterschiedlicher Art sind aus der modernen Zahnheilkunde nicht fortzudenken. Mit zunehmendem Lebensalter und einem immer breiter werdenden Angebot dieser Werkstoffe ist die Wahrscheinlichkeit groß, dass im Mund Legierungen unterschiedlicher Zusammensetzung auftauchen. Sind sie hinsichtlich ihres Korrosionsverhaltens deutlich verschieden (also edler oder unedler), kann es bei direktem metallischen Kontakt zur Ausbildung eines Lokalelementes im Mund kommen - jeder unfreiwillige Biss auf ein Stück Aluminiumfolie mit einem Zahn, der eine metallische Krone oder ein Inlay aufweist, erinnert mit dem kribbelnden Gefühl im Mund an die auftretende Potentialdifferenz (elektrische Spannung). Der dann fließende Strom steht in direktem Zusammenhang mit der Korrosion und schließlich der Auflösung des unedleren Materials. Falls es bei der Einbringung von Zahnersatz zu ähnlichen Phänomenen kommt, ist wegen der lang andauernden Einwirkung und der oftmals biologisch bedenklichen Wirkung der freigesetzten Metalle die potentiell negative Auswirkung bedenklich. Durch sorgfältige Planung und Verarbeitung lassen sich derartige Fehler allerdings weitgehend vermeiden. Korrosion im Mund Galvanische Elemente bilden sich aber auch in anderer und kaum vermeidbarer Weise aus: Jeder metallische Werkstoff im Mund kann Bestandteil eines Belüftungselements werden. In ihm findet die korrosive Metallauflösung vor allem in für die Luft und den darin enthaltenen Sauerstoff schlecht zugänglichen Spalten statt, während die kathodische Sauerstoffreduktion an gut zugänglichen Oberflächen abläuft. Damit verbundene Phänomene wie Lochfraß oder Risskorrosion sind in der Technik wohlbekannt. Offenbar ist also jeder metallische Werkstoff im Mund - sofern er Kontakt mit Speichel hat - der Korrosion ausgesetzt. Dieses elektrochemische Phänomen kann mit elektrochemischen Methoden gut studiert werden. Die Artikel beschreibt (sehr detailliert), wie Chemikerinnen und Chemiker die Anfälligkeit verschiedener Legierungen untersuchen - ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum korrosionsarmen Zahnersatz.

In dieser Unterrichtseinheit zum Thema Lebensmittelverschwendung gehen die Schülerinnen und Schüler den Fragen nach, wie es zur hohen Verschwendung von Nahrungsmitteln kommt, welche Folgen daraus entstehen und was gegen die Verschwendung getan werden kann. Insgesamt wird in Deutschland über die Hälfte der Lebensmittel in den Müll geworfen. Das sind rund 20 Millionen Tonnen oder umgerechnet 500.000 LKW-Ladungen. Trotz dieser erschreckenden Zahlen ist das Thema Lebensmittelverschwendung gerade für Jugendliche vermutlich weit weg, da sie, abgesehen von Kleinigkeiten, nicht selbst einkaufen. Dennoch tragen sie als Verbraucher wesentlich zur Lebensmittelverschwendung bei. Diese Unterrichtseinheit führt die Schülerinnen und Schüler an das Thema Lebensmittelverschwendung heran. Sie setzen sich kritisch mit ihrer Rolle als Verbraucher sowie den Ursachen und Folgen der Lebensmittelverschwendung auseinander. Zudem lernen sie verschiedene Methoden kennen, wie sie der Verschwendung von Lebensmitteln im Alltag entgegenwirken können. Bezug zur Lebenswelt der Jugendlichen Die Unterrichtseinheit zum Thema Lebensmittelverschwendung ist so angelegt, dass sich die Schülerinnen und Schüler das Thema weitgehend selbstständig erarbeiten. Bei den einzelnen Aufgaben wird darauf geachtet, dass sie einen Bezug zur Lebenswelt der Jugendlichen haben und sie die Lernenden als Verbraucher ansprechen. Sie erhalten den Arbeitsauftrag, sich über die Ursachen und Folgen der Lebensmittelverschwendung zu informieren, die erhaltenen Informationen kritisch zu beleuchten und nach Lösungsmöglichkeiten zu suchen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler hinterfragen ihren eigenen Umgang mit Lebensmitteln. erwerben Kenntnisse über Produktion, Vertrieb und Konsum von Lebensmitteln. setzen sich selbstständig mit einem komplexen Thema auseinander. entwickeln eine eigene Meinung zum Thema und können diese argumentativ vertreten. erkennen den Zusammenhang zwischen der globalen Nahrungsmittelindustrie und dem Hungerproblem. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren selbstständig im Internet. lernen, unterschiedliche Websites kritisch zu analysieren und deren Inhalte zu hinterfragen. drehen eigenständig einen kleinen Film. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen verschiedene Standpunkte zum Thema kennen. arbeiten im Team und drehen gemeinsam einen Film. stellen gemeinsam ihre Arbeiten vor. lernen, Kompromisse zu schließen und diese zu akzeptieren. erfahren ihre eigene Verantwortung bezüglich des Themas und hinterfragen ihr eigenes Verhalten.

Auf dieser Seite haben wir Unterrichtsmaterialien zum Thema Kernphysik zusammengestellt. Zu den vier Unterthemen "Kernaufbau und Kerneigenschaften", "Natürliche und künstliche Radioaktivität", "Kernreaktionen" und "Kernspaltung und Kernfusion" finden Sie jeweils kurze Beschreibungstexte sowie passgenaue Unterrichtsvorschläge. Kernphysik ist der Zweig der Physik, der Aufbau, Struktur und auftretende Wechselwirkungen von und in Atomkernen beschreibt. Sie unterscheidet sich von der Atomphysik , die sich mit den vielfältigen Abläufen in der Atomhülle und den darin enthaltenen (negativ geladenen) Elektronen beschäftigt. Einteilen kann man die Kernphysik in die Teilbereiche Kernaufbau und Kerneigenschaften, Radioaktivität, Kernreaktionen sowie Kernspaltung und Kernfusion. Kernaufbau und Kerneigenschaften Die mit energiereichen α -Teilchen durchgeführten Streuversuche des neuseeländischen Physikers Ernest Rutherford (1871–1937) brachten im Jahr 1911 zutage, dass Atome keine homogenen und unteilbaren Massekugeln sind, sondern aus einem positiv geladenen Atomkern (Durchmesser je nach Teilchenzahl in der Größenordnung von 10 -15 m) und einer negativ geladenen Atomhülle (Größenordnung von 10 -10 m) bestehen. Dieser Atomkern setzt sich aus Protonen und Neutronen zusammen, die man als Nukleonen bezeichnet. Deren Massen liegen in der Größenordnung von 10 -27 kg; die Protonen tragen eine positive elektrische Ladung , während die Neutronen keine elektrische Ladung besitzen. Experimente in den 60er Jahren des 20. Jahrhunderts mit Teilchenbeschleunigern zeigten, dass Protonen und Neutronen jeweils aus zwei noch kleineren Teilchen aufgebaut sind – den sogenannten Quarks , die ihrerseits nach Up-Quarks und Down-Quarks unterschieden werden. So besteht ein Proton aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark, während ein Neutron aus einem Up-Quark und zwei Down-Quarks besteht. Mithilfe von Kernmodellen wie dem Potentialtopfmodell, Tröpfchenmodell und dem Schalenmodell werden die Abläufe im Atomkern unter Einbeziehung der Quantenphysik beschrieben. Natürliche und künstliche Radioaktivität Ein weites Feld bei der Beschreibung der Vorgänge im Atomkern nimmt die Radioaktivität ein. Die naturgegebene Radioaktivität tritt als radioaktive Strahlung – bis auf wenige Ausnahmen wie Kohlenstoff C-14 – bei schweren Atomkernen auf und kann vom Menschen nicht beeinflusst werden. Im Gegensatz dazu ist es aber auch möglich Radionuklide (Atome gleicher Protonenzahl, aber unterschiedlicher Neutronenzahl) durch Bestrahlung von Atomkernen mit Protonen, Neutronen oder Alphateilchen zu erzeugen – dann spricht man von künstlicher Radioaktivität . Radioaktivität tritt auf in Form von Alpha -, Beta- und Gamma-Strahlung und folgt dem radioaktiven Zerfallsgesetz . Mithilfe dieser Gesetzmäßigkeit können sowohl Altersbestimmungen nach der C-14 Methode oder der Uran-Blei-Methode als auch die Messung der Durchdringungsfähigkeit radioaktiver Strahlen durchgeführt werden. Die große Gefahr der radioaktiven Strahlung durch lebensbedrohliche Strahlungsdosen auf den Menschen ist in erster Linie der künstlichen radioaktiven Strahlung geschuldet – wie etwa durch Austritt von Radioaktivität bei Unfällen in Kernreaktoren (Tschernobyl 1986, Fukushima 2011) oder durch den Abwurf von Kernspaltungsbomben (im 2. Weltkrieg 1945 auf Hiroshima und Nagasaki) sowie ebenfalls zu Versuchszwecken bereits erfolgte Abwürfe von Wasserstoff-Fusionsbomben (zum Beispiel 1962 auf der russischen Insel Nowaja Semlja oder dem Bikini-Atoll etwa 3000 km nordöstlich von Neuguinea). Gleichzeitig macht die Nuklearmedizin mit verfeinerten und für den Patienten zusehens besser zu vertragenden Diagnose- und Therapiemethoden in Hinblick auf Anwendung radioaktiver Substanzen und kernphysikalischer Verfahren immer größere Fortschritte. So verfügt die nuklearmedizinische Diagnostik mit der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) sowie der Szintigrafie über Verfahren, die einen sehr präzisen Einblick in den menschlichen Körper erlauben. Zudem können in der Strahlenbehandlung von Krebspatienten – etwa durch die Protonen- und Schwerionentherapie – mittlerweile punktgenaue Strahlendosen auf den entarteten Tumor abgegeben werden, die das den Tumor umgebende Gewebe weitgehend verschonen können. Kernreaktionen Unter einer Kernreaktion versteht man einen physikalischen Prozess, bei dem ein Atomkern durch den Zusammenstoß mit einem anderen Atomkern oder einem freien Teilchen – wie etwa einem Neutron – entweder in mindestens ein neues Atom oder in freie Nukleonen umgewandelt wird. Dabei ändern Atomkerne durch Aufnahme oder Abgabe von Teilchen ihre atomare Zusammensetzung, wobei die Gesamtzahl der an der Reaktion beteiligten Nukleonen stets erhalten bleibt. Der radioaktive Zerfall zählt nicht zu den Kernreaktionen, weil in diesen Fällen die Reaktion nicht durch einen Zusammenstoß ausgelöst wird , sondern spontan – also nicht vorhersehbar – erfolgt. Kernspaltung und Kernfusion Zu den Kernreaktionen zählen sowohl der durch langsame Neutronen ausgelöste Prozess der Kernspaltung als auch der seit Jahrmilliarden in der Sonne bei Temperaturen von etwa 15 Millionen Grad ständig stattfindende Ablauf der Kernfusion . Bei beiden Formen tritt gemäß der Einsteinschen Masse-Energie-Äquivalenz ein sogenannter Massendefekt auf, der dazu führt, dass bei jedem der beiden Prozesse Energie freigesetzt werden kann. Während die im Jahr 1939 von Otto Hahn (1879–1968) und seinen Mitarbeitern entdeckte Kernspaltung in Deutschland bereits seit 1960 durch Kernreaktoren Energie liefert, befindet sich die Kernfusionstechnik auch im Jahr 2021 nach wie vor im Forschungsstadium. Im Gegensatz zur militärischen Forschung, die mit der Wasserstoffbombe (H-Bombe) schon Mitte des 20. Jahrhunderts eine vernichtende Fusionsbombe entwickelt hatte, ist es trotz der immens aufwendigen Forschungsreaktoren ITER, JET und Wendelstein bis heute noch nicht gelungen, die für die Fusion in einem Reaktor notwendigen Bedingungen bei Temperaturen von 100 bis 150 Millionen Grad für einen kommerziellen Reaktor zu realisieren.

Der Serienbrief ist ein universelles Mittel der Büroautomation. Mit ihm ist es möglich, Geschäftsbriefe an eine Vielzahl von Empfängern zu adressieren. Klassische Anwendungsbeispiele sind Werbebriefe und Einladungsschreiben. Der computergestützte Serienbrief erleichtert die Zusendung eines Schriftdokuments an viele Empfänger und lässt dennoch die Möglichkeit, trotz identischen Inhalts, den persönlichen Charakter in der Anrede zu wahren. Der Serienbrief basiert in der Regel auf den Kriterien und Normen des Geschäftsbriefes und gehört wie dieser zu den Grundlagen in vielen kaufmännischen Berufen. Neben dem Erstellen einer Serientextdatei, die als Hauptdokument fungiert, ist die Anlage einer Datenbank eine wichtige Vorbereitung. Das Ziel der Unterrichtseinheit besteht darin, Kenntnisse in der Textverarbeitung bezüglich des Serienbriefes zu erweitern und auf betriebliche Probleme anzuwenden. Vorausgesetzt werden Kenntnisse in den Themen Textverarbeitung und Geschäftsbrief. Unterrichtsablauf Der Ablauf der Unterrichtsstunde mit dem Einsatz der Materialien wird hier detailliert erläutert. Die Schülerinnen und Schüler sollen Serienbriefe unter Beachtung aller formalen Kriterien erstellen und im betrieblichen Kontext anwenden können. selbständig entscheiden, in welchen Fällen der Einsatz eines Serienbriefes sinnvoll sein kann. ihre Kenntnisse in der Textverarbeitung vertiefen und auf betriebliche Erfordernisse anwenden können. Thema Die Erstellung eines Serienbriefes Autor André Leupold Fach Organisationslehre, Informationswirtschaft, Informatik Zielgruppe Berufsschule Wirtschaft/Verwaltung/Gesundheit Zeitumfang 6 Unterrichtsstunden Technische Voraussetzungen Lehrer-PC mit Beamer, Netzwerkordner(Public Laufwerk) um Vorlagen und Übungsanleitungen den Schülern zur Verfügung zu stellen, Schüler PC mit MS Office Paket Planung Verlaufsplan Serienbrief Die Lehrperson bietet zunächst anhand einer PowerPoint-Präsentation den Einstieg ins Thema und entwickelt an einer konkreten Situation einen Überblick über den nötigen Aufbau eines Serienbriefes und den Ablauf der Erstellung. Zunächst wird der Aufbau eines Geschäftsbriefes kurz wiederholt. Dazu wird den Schülerinnen und Schülern die Vorlage eines Geschäftsbriefes über ein Public-Verzeichnis bereitgestellt. Im Anschluss erfolgt die Bearbeitung des Einführungsbeispiels. Die Lernenden wenden nun die erworbenen Kenntnisse in weiteren Übungen an. Dazu stehen auf den folgenden Arbeitsblättern verschiedene Beispiele aus den Bereichen "Handel" und "Gesundheit" zur Verfügung. Die Schülerinnen und Schüler beantworten die Kontrollfragen im Team. Eine Auswertung können sie anschließend selbständig mit Hilfe des Online-Tests durchführen. Die Fragen sind die Grundlage einer schriftlichen Leistungskontrolle. Zur weiteren Überprüfung des Wissenstandes dient die abschließende praktische Leistungskontrolle.

Das Unterrichtsmaterial führt Schülerinnen und Schüler der Primarstufe spielerisch, mithilfe schülerorientierter Texte und Methoden, an das Thema Elektrizität und elektrische Spannung heran. Das Unterrichtsmaterial vermittelt Schülerinnen und Schülern der Grundschule erste Grundlagen zum Thema Elektrizität. Mithilfe von sympathischen Figuren, Rätseln und Experimenten lernen sie spielerisch den Stromkreis kennen. Durch Wiederholungen und handlungsorientierte Methoden sowie wechselnde Sozialformen wird der Kompetenzaufbau gezielt gefördert. Ein ergänzendes interaktives Tafelbild ermöglicht eine spielerische und schülerorientierte Vermittlung wichtiger Sicherheitshinweise im Umgang mit Elektrizität. Spielerische Heranführung an das Thema "Elektrizität" Das Unterrichtsmaterial "Erik und Tina, die Elektroniker" richtet sich an Schülerinnen und Schüler der Grundschule, insbesondere an die Klassenstufen 3 und 4. Die Kinder sollen mithilfe der beiden sympathischen Figuren spielerisch an Themen rund um die Elektrizität herangeführt werden. Verschiedene didaktische Angebote, wie Rätsel und Experimente, Spiele oder Bilder, ermöglichen den Schülerinnen und Schülern einen abwechslungsreichen und anregenden Einstieg in diesen Themenkomplex. Das Material kann sowohl in Gruppen als auch in Einzelarbeit, zum Beispiel als Zusatzaufgabe, von der Lehrkraft angeboten werden. "Energie mit Erik und Tina entdecken" eignet sich als weiterführende und vertiefende Unterrichtseinheite. Sie ist ebenfalls in diesem Dossier verfügbar. Lehrplanbezug Die Themen Elektrizität und Energie sind elementare Lehrplanbestandteile des Unterrichts in der Grundschule aller deutschen Bundesländer. Hier werden den Kindern erste Grundkenntnisse im Fach Sachkunde/Sachunterricht/Heimat- und Sachkunde vermittelt. Beobachten die Schülerinnen und Schüler in den Klassen 1 und 2 zunächst ihre Umwelt, werden sie in den Klassenstufen 3 und 4 projektorientiert und mithilfe von Experimenten deutlich stärker an verschiedene, komplexere Themenbereiche herangeführt. Diese Vorgaben greift die Unterrichtseinheit auf. Sie ermöglicht neben fundierten Sachinformationen auch die experimentelle Anwendung des neu Gelernten und fördert die Neugier der Schülerinnen und Schüler. Sie entdecken selbstständig die Funktionsweise eines Stromkreises, erstellen eine Signalanlage und überprüfen Materialien und Stoffe auf ihre spezielle elektrische Leitfähigkeit. Einsatzmöglichkeiten Die Unterrichtseinheit eignet sich besonders für die Projektarbeit, da die Durchführung der Versuche vom Aufbau über das Experiment bis hin zu der Dokumentation der Ergebnisse eine gewisse Zeit beansprucht. Die Arbeitsblätter legen den Schwerpunkt zwar auf Projektarbeit, ermöglichen aber auch eine individuelle Anpassung an die Lerngruppe und die schulischen Rahmenbedingungen und bieten sich daher auch für den Vertretungsunterricht an. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler können erklären, was Elektronen und Protonen sind. können einen einfachen Stromkreis erklären und zeichnen. können den Unterschied zwischen offenen und einem geschlossenen Stromkreis erkennen. können mithilfe einer Bauanleitung einen Stromkreis bauen. können einfache Worte mithilfe des Morsealphabets übersetzen. können zwischen Stoffen der Gruppen "Leiter" und "Nichtleiter" unterscheiden. können Hypothesen über die Leitfähigkeit von Stoffen und Materialien aufstellen und diese durch ein Experiment überprüfen. kennen die Gefahren im Zusammenhang mit Strom beziehungsweise Elektrizität. wissen, dass Elektrizität auch in der Natur vorkommt. können berechnen, wie weit ein Gewitter von ihnen entfernt ist. entdecken die Wirkung positiv und negativ geladener Teilchen auf Gegenstände. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler trainieren im Rahmen von Partner- beziehungsweise Gruppenarbeit ihre Zusammenarbeit mit anderen Personen. lernen das strukturierte Erfassen von Informationen aus Sachtexten. erarbeiten in Gruppen mithilfe eines Versuchsaufbaus ein eigenes Experiment und führen dieses durch. stärken ihr Gemeinschaftsgefühl in der Klasse. Kennenlernen der Figuren Die Schülerinnen und Schüler lernen die Figur Erik kennen, die sie durch die Arbeitsblätter begleiten wird. Darüber hinaus erhalten sie erste Sicherheitshinweise für die Arbeit mit Elektrizität. Im weiteren Verlauf stellt Erik den Schülerinnen und Schülern seine Freunde vor, die sie in den nächsten Stunden wiedererkennen werden. Sie sind aufgefordert, sich die Geschichten zu Eriks Freunden anzuhören, die die Lehrerin oder der Lehrer ihnen vorliest. Parallel hierzu können die Schülerinnen und Schüler die einzelnen Figuren farbig ausmalen. In einem Lückentext haben sie die Möglichkeit, das Gehörte anzuwenden und einzutragen. Kreuzworträtsel In einem Kreuzworträtsel tragen die Schülerinnen und Schüler Begriffe zum Thema Elektrizität, die ihnen bereits bekannt sind, ein. Einige der bereits vorgestellten Figuren werden ebenfalls wiederholt. Ein Lösungsblatt wird für die Lehrkräfte bereitgestellt, das sie an die Schülerinnen und Schüler bei Bedarf verteilen können. Einführungstext Die Schülerinnen und Schüler beginnen die Versuchsphase mit einem ersten einführenden Text, der sie mit den Begriffen vertraut macht. Sie lesen den Text in Einzelarbeit und markieren Worte oder Passagen, die sie nicht verstanden haben. In Gruppenarbeit können erste Fragen beantwortet und gegebenenfalls an der Tafel mit allen Schülerinnen und Schülern gemeinsam besprochen werden. Hierbei schulen sie nicht nur ihre Fachkompetenz durch das Erlernen neuer Begriffe und Sachverhalte, sondern stärken ebenfalls ihre Lesekompetenz. Die Anwendung des neu Erlernten wird durch das Bearbeiten einer kurzen Skizze gewährleistet. Versuch zu einem einfachen Stromkreis In der darauffolgenden Stunde werden die neuen Begriffe zunächst wiederholt, um diese zu festigen. Die Schülerinnen und Schüler sind im Anschluss aufgefordert, in Gruppenarbeit einen Versuch zu einem einfachen Stromkreis durchzuführen. Hierfür benötigen sie verschiedene Materialien, die ihnen seitens der Lehrkraft zur Verfügung gestellt werden müssen. Mithilfe einer kurzen Anleitung können die Schülerinnen und Schüler dann eine Signalanlage bauen. Sie können die Funktion direkt überprüfen und erste Signale untereinander ausprobieren. Eine Hausaufgabe leitet zu der nächsten Stunde über, in der sie das Morsealphabet kennenlernen. Morsealphabet In Partnerarbeit stellen sich die Schülerinnen und Schüler Aufgaben und üben so das Morsealphabet ein. Hierfür benötigen Sie einen leicht abgedunkelten Klassenraum, um die Lichtzeichen eindeutig zu identifizieren. In einem Quiz können Gruppen innerhalb der Klasse gegeneinander antreten und in einem kleinen Wettbewerb die Morse-Meister ermitteln. Dabei wenden die Schülerinnen und Schüler ihre neuen Fähigkeiten und Fertigkeiten immer wieder an und festigen diese. Versuch zur Leitfähigkeit verschiedener Materialien Anschließend führen sie einen weiteren Versuch durch, bei dem sie mit verschiedenen Materialien experimentieren, um ihre Leitfähigkeit zu testen und dokumentieren ihre Ergebnisse. Elektrische Spannung in der Natur: (NEU) Die Schülerinnen und Schüler lernen, dass Elektrizität auch in der Natur vorkommt. Anhand eines Einführungstextes und eines Suchbildes erfahren sie, wie ein Blitz bei einem Gewitter entsteht. Anschließend lernen sie, wie sie selbst berechnen können, wie weit ein Gewitter von ihnen entfernt ist. Die auf dem Arbeitsblatt hinterlegte Rechenaufgabe kann in Einzelarbeit gelöst, die Frage der Entfernung im Klassenverband diskutiert werden. Optional kann die Lösung der Rechenaufgaben auch als Wettbewerb gestaltet werden, in dem der schnellste „Blitzrechner“ der Klasse ermittelt wird. Spiele zur elektrostatischen Ladung (NEU) Anschließend setzen sich die Schülerinnen und Schüler anhand eines Versuchs mit dem Thema elektrostatische Ladung auseinander. Dabei entdecken sie die Wirkung positiv und negativ geladener Teilchen. Das Spiel „Froschkönig“ macht dieses physikalische Phänomen noch einmal auf andere Weise sichtbar. Da die Schülerinnen und Schüler bei diesem Spiel in Teams antreten, wird neben Fach- und Sozialkompetenzen auch das Gemeinschaftsgefühl gestärkt. Die Materialien können zur Vertiefung in der Projektarbeit oder im Vertretungsunterricht zum Einsatz kommen. Durch ein interaktives Tafelbild erhalten die Schülerinnen und Schüler wichtige Informationen und Tipps zu den Gefahren durch Strom. Das Tafelbild kann später ausgeteilt und von den Schülerinnen und Schülern ausgemalt werden. Sie haben hierdurch erneut die Möglichkeit, die Hinweise zu verinnerlichen.

Organische Leuchtdioden (OLEDs) besitzen enormes Zukunftspotenzial als energieeffiziente Beleuchtungsmittel. Neben einem deutlich geringeren Energieverbrauch als bei LED-Displays weisen OLEDs eine hervorragende Bildqualität und noch viele weitere Vorteile auf.Organische Leuchtdioden (OLEDs) revolutionieren derzeit die Beleuchtungsindustrie. Energiesparlampen und Halogenstrahler - in wenigen Jahren werden diese Lichtquellen vielleicht vergessen sein. Bei OLEDs handelt es sich um dünne Folien, die tagsüber transparent sind und nachts in allen denkbaren Farben leuchten. Organische Leuchtdioden sind hocheffiziente Lichtquellen, die viele positive Eigenschaften haben: sie sind äußerst energiesparend, leuchten großflächig, sind extrem dünn und außerdem voll dimmbar. Außerdem haben OLEDs keine Verzögerungszeit beim Einschalten und sie sind so flexibel und transparent herzustellen, dass man sie sogar in Fensterscheiben integrieren kann. Relevanz des Themas Die Unterrichtseinheit kann beispielsweise zu einer längeren Unterrichtsreihe in Physik zum Thema "Licht" eingegliedert werden. Zunächst müssen im Unterricht wichtige Grundlagen der Strahlen- und Wellenoptik sowie der Quantenphysik erarbeitet werden. Zu den vorab zu behandelnden Themen sollten unter anderem die Reflexion, Brechung, Brechungsgesetz, Beugung und Interferenz von Licht sowie der Welle-Teilchen-Dualismus des Photons gehören. Die Schülerinnen und Schüler sollen sich mit aktuellen Forschungsergebnissen zur Bedeutung von OLEDs für neue optische Licht- und Speichermedien auseinandersetzen und diese auswerten. Hintergrundinformationen zu OLEDs Hier finden Sie nähere Informationen zu OLEDs und Biolumineszenz von Leuchtkäfern sowie zu Perspektiven für die Medizinforschung. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen den Aufbau und das Funktionsprinzip einer Organischen Leuchtdiode verstehen und beschreiben können. ein Thema selbstständig recherchieren und beschreiben können. wichtige Anwendungsbereiche für OLEDs kennenlernen. in reduzierter Form wissenschaftliche Neuentwicklungen für OLEDs bewerten. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen eine interaktive Lernumgebung bedienen können. Informationen zur Thematik aus einem Text entnehmen, wesentliche Aussagen verstehen und in eigenen Texten wiedergeben können. die Nutzungsmöglichkeiten des Internets kennen- und anwenden lernen. Thema Organische Leuchtdioden aus Kohlenstoff Autorin Jana Haberstroh Fächer Physik, Chemie, Biologie, Technik, Naturwissenschaften Zielgruppe ab Klasse 7 Zeitraum circa 2-3 Unterrichtsstunden Technische Voraussetzungen Internetzugang (am besten für je 2 Personen), Beamer Der deutsche Chemiker Herbert Naarmann hat bereits 1969 Strom leitende Polymere - die Vorstufe der OLED - beobachtet, doch es sind noch ganze 21 Jahre vergangen, bis eine Forschergruppe in Cambridge erstmals eine Leuchtdiode herstellte. Die verwendeten organischen Halbleiterschichten waren nur etwa 100 Nanometer dick, also zehntausend Mal dünner als ein Millimeter. Alleine die Leuchteffizienz und Lebensdauer der OLEDs blieben jahrelang hinter der Konkurrenz zurück. Immer wieder entdeckten Forscher "Nebenwirkungen", wie zum Beispiel die Verkürzung der Lebensdauer durch kleinste Verunreinigungen. Auch der Aufbau wurde immer komplizierter. Um gegen Luftfeuchtigkeit resistent zu werden, müssen die OLEDs hinter Glas geschützt werden. Aufbau einer organischen Leuchtdiode Ein transparentes Substrat (Glas, Quarz oder Polymerfolie) dient als Basis für den Aufbau. Die Anode, eine ITO-(Indium-Zinn-Oxid-) Schicht ist elektrisch leitfähig und für sichtbares Licht durchlässig. Das Licht entsteht in den "aktiven" organischen Schichten, wenn dort Paare von Elektronen und "Löchern" rekombinieren und jeweils ein Photon erzeugen. Das Licht wird durch das optisch transparente Substrat abgestrahlt. Um eine hohe Effizienz zu erreichen, werden für den Transport von Ladungsträgern eine oder mehrere zusätzliche Schichten aufgebracht. Schließlich wird als Kathode ein optisch nicht transparenter Metallkontakt aufgedampft. Beim Anlegen einer äußeren Spannung von weniger als 5 Volt zwischen Kathode und Anode kommt es zur Emission von Licht, dessen Farbe von den eingesetzten aktiven Materialien abhängt. Die Chemie der OLEDs Die OLED basieren auf organischen Kohlenstoffmolekülen, also Verbindungen aus mehreren Kohlenstoffteilchen mit anderen Elementen. Setzen sich mehrere gleiche Molekülketten aneinander, dann entstehen sogenannte Polymere. Diese verhalten sich wie Halbleiter, was zur Folge hat, dass sie elektrischen Strom leiten. Und mit diesem bringt man die Folien zum Leuchten. Die Lichtfarben bestehen aus Kohlenstoff-Ringstrukturen, in die ein metallisches Zentralatom integriert wird - beispielsweise Edelmetalle wie Platin oder Iridium. Der OLED-Regenbogen Die OLEDs leuchten beim Anlegen einer Spannung, ob gelb, grün, rot oder blau - alle Farben sind möglich. Die Farbe der Emission wird anders als bei den anorganischen LEDs durch die Energielücke des Halbleiters bestimmt (durch die Energie, die frei wird, wenn ein Elektron und ein "Loch" zusammentreffen und rekombinieren). Diese Energie und damit die Farbe der Emission kann durch die Wahl des organischen Materials gezielt verändert werden. Innerhalb weniger Jahre hat man bereits sämtliche Farben von Rot über Grün bis Blau realisiert. Die Entwicklung ist bereits so weit fortgeschritten, dass erste vollfarbige Bildschirmprototypen hergestellt werden konnten. LED versus OLEDs Anders als bei den anorganischen LEDs wird weißes Licht durch Mischen der Grundfarben rot, blau und gelb erzeugt. Blau ist die Achillesferse der weißen OLED - dieser Farbstoff ist am kurzlebigsten. Multitalent OLED Der größte Markt für OLEDs ist der Bereich "Display", das heißt, OLEDs werden beispielsweise für Fernseher oder Displays von Mobiltelefonen eingesetzt. Displays aus organischen Leuchtdioden benötigen keine Hintergrundbeleuchtung und ermöglichen einen geringen Stromverbrauch. Sie ermöglichen zudem einen größeren Betrachtungswinkel. Zukunftsvision leuchtende Tapeten Organische Leuchtdioden dienen sogar als Basis für Tapeten, die Licht erzeugen und sogar, je nach Stimmung, die Farbe wechseln können. Diese gedruckte Elektronik wird im Fachjargon Polytronik genannt. Die Leuchtfolie emittiert ein für das Auge angenehmes, monochromatisches Kaltlicht, das auch bei Staub, Rauch oder Nebel besser sichtbar sein soll als jede andere Lichtquelle. Die Glühwürmchen sind die OLEDs des Tierreiches. Sie können ihr gelbliches Licht, welches in der Paarungszeit werbewirksam eingesetzt wird, ein- und ausschalten. Forscherinnen und Forscher haben die dahinter stehenden Grundlagen der Lumineszenz analysiert und festgestellt, dass einige natürliche Polymere Halbleitereigenschaften haben und somit für den Transport elektrischer Ladungen geeignet sind. Solche konjugierten Polymere können mittlerweile künstlich und genau spezifiziert hergestellt werden. Halbleiter und andere elektrische Bauteile sind also bald nicht mehr auf Kristallstrukturen angewiesen, sondern können aus Kunststoffen gefertigt werden. In der medizinischen Forschung benutzt man ebenfalls Zellen oder Bakterien mit integiertem Luciferase-Gen. Injiziert man beispielsweise einer Maus Salmonellen-Erreger, die das Luciferase-Gen tragen, so breiten sich die Erreger in ihrem Körper aus. Infusiert man eine Luciferinlösung, so kann man diese Ausbreitung durch das entstehende Licht von außen verfolgen, ohne die Maus zu töten. Analog verhält es sich mit markierten Karzinomen bei denen man die Metastasenbildung und Verbreitung optisch durch das emittierte Licht verfolgen kann.