In dieser Unterrichtseinheit erfahren die Lernenden, dass es neben der Stromerzeugung mittels einer bewegten Leiterschleife in einem Magnetfeld auch möglich ist, allein durch die Änderung eines vorhandenen Magnetfeldes in einer Spule eine Spannung und damit Stromfluss zu induzieren.Dieses vom englischen Physiker Michael Faraday bereits im Jahr 1831 entdeckte physikalische Phänomen macht es möglich, anhand von Transformatoren Spannungen und Ströme auf entsprechende Beträge hinauf- oder hinunter zu transformieren, was heute vor allem in der Starkstromtechnik und der Energieübertragung, aber auch für das Laden von Kleinstgeräten an der heimischen Steckdose von essentieller Bedeutung ist. Ausgehend von einfachen Grundversuchen mit einem Permanentmagneten können Schülerinnen und Schüler leicht nachvollziehen, welche Wirkung eine Änderung der Stärke eines eine Spule durchsetzenden Magnetfeldes auf den entstehenden Stromfluss hat. Mit der Erweiterung auf einen Elektromagneten und der Möglichkeit, diesen an eine Wechselspannung anzuschließen, erhöhen die Lernenden ihr Wissen dahingehend, dass durch diese Wechselspannung in einer über einen gemeinsamen Weicheisenkern gekoppelte Induktionsspule zum einen ebenfalls eine Wechselspannung induziert werden kann und zum anderen diese Wechselspannung in Abhängigkeit von der Stärke des Magnetfeldes und der Windungszahl der Spulen auf unterschiedliche Werte transformiert werden kann. Elektromagnetische Induktion – Stromerzeugung im ruhenden Leiter Das Vorhandensein von Stromquellen in Form von Batterien, Akkus oder Steckdosen ist heutzutage für uns alle eine Selbstverständlichkeit. Für die großtechnische Stromproduktion ist dabei die Umwandlung von magnetischer Energie in elektrische Energie - und umgekehrt – in Form der elektromagnetischen Induktion von entscheidender Bedeutung. Nur auf diese Weise lassen sich die für den Stromfluss nötigen Elektronen in Leitern in nahezu beliebiger Menge in Bewegung setzen und auf unterschiedliche Stromstärken und Stromspannungen transformieren. Vorkenntnisse Vorkenntnisse von Lernenden können nur insofern vorausgesetzt werden, dass der Strombegriff natürlich bekannt ist – einschließlich aller seiner Anwendungsmöglichkeiten im täglichen Leben. Die Vorgänge bei Gleichstrom liefernden Batterien beziehungsweise Akkus und Wechselstrom liefernden Steckdosen unter Einbeziehung der unterschiedlichen Elektronenbewegung dürfte für meisten Lernenden eher neu sein. Didaktische Analyse Die Erzeugung von Strom durch Generatoren in riesigen Kraftwerken sowie deren Weitertransport zu den vielfältigsten Verbrauchern über komplexe Netzstrukturen ist nicht zuletzt wegen der komplizierten Physik von Wechselstrom bzw. Drehstrom im Rahmen des normalen Schulunterrichts nur eingeschränkt zu vermitteln. Die Lernenden können aber trotz dieser Tatsachen durchaus dafür sensibilisiert werden, wie die Stromversorgung prinzipiell funktioniert. Methodische Analyse Die in der Sekundarstufe I vermittelbaren Kenntnisse zur Stromerzeugung sind in erster Linie auf grundlegende Beschreibungen und Erklärungen beschränkt. Ergänzende Übungsaufgaben wie etwa zu den einfachen Gesetzmäßigkeiten beim Transformator sind zwar möglich, zeigen aber nur sehr idealisiert die realen Zusammenhänge. Letztere können nur in entsprechenden Kursen im Rahmen der Sekundarstufe II in einem trotzdem noch eingeschränkten Rahmen angeboten werden. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler kennen die unterschiedlichen Möglichkeiten der Stromerzeugung. wissen um die technische Bedeutung der Induktion im ruhenden Leiter. können die die Vorgänge bei der Stromerzeugung im ruhenden Leiter beschreiben und anhand der Lenz'schen Regel näher erläutern. 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. erwerben genügend fachliches Wissen, um mit anderen Lernenden, Eltern oder Freunden wertfrei diskutieren zu können.

In dieser Unterrichtseinheit zum Thema "Erzeugung von Wechselstrom und Drehstrom" beschäftigen sich die Lernenden mit den einfachen Möglichkeiten der Stromerzeugung (Drehspule im Magnetfeld und Fahrraddynamo) sowie den aus diesen Prinzipien abgeleiteten Möglichkeiten der technischen Stromerzeugung von Wechselstrom und Drehstrom mittels entsprechender Generatoren.Mithilfe einfacher Schulversuche zur Erzeugung von Wechselstrom wird das Prinzip der sich daraus ergebenden sinusförmigen Wechselspannung eingehend vorgestellt und erläutert. Anhand entsprechender Abbildungen (Folien) oder auch geeigneten Animationen/Videos werden den Lernenden die Abläufe bei der Herstellung von Drehstrom nähergebracht. Zudem werden die Vorteile dieser Spezialform des Wechselstroms in Hinblick auf Transport über weite Strecken sowie für den Hausgebrauch besprochen. Ziel der Unterrichtseinheit ist es, dass die Lernenden einen ersten groben Einblick in die Bedeutung der Drehstromerzeugung erhalten – ohne eine vertiefende Herleitung der Gesetzmäßigkeiten der Wechselstromtechnik. Dazu erhalten die Lernenden ein Arbeitsblatt, das ihnen die Thematik in verschiedenen Übungsaufgaben näherbringt. Im Sinne des selbstständigen Arbeitens können die Schülerinnen und Schüler auch die Musterlösung erhalten, um die bearbeiteten Aufgaben eigenständig zu kontrollieren. Erzeugung von Strom im Unterricht Das Wissen um die Erzeugung von Strom wird sich bei vielen Menschen darauf reduzieren, dass dies in großen Kraftwerken (Wasser-, Kern-, Gas- und Kohlekraftwerken) geschieht. Der eigene Umgang mit Strom beschränkt sich meist auf das Wechseln von Batterien, das Laden von Akkus oder das Tauschen einer Glühlampe. Erst wenn es – wegen eines Problems im gigantischen Stromleitungssystem – zu einem Stromausfall kommt, wird man schnell unruhig, wenn nicht binnen kurzer Zeit die Stromversorgung wiederhergestellt ist. Dabei wäre es für das Verständnis für ein fast ausnahmslos einwandfreies Funktionieren der Stromversorgung sehr wichtig zu wissen, was alles lückenlos ineinandergreifen muss, damit wir zu jeder Tages- und Nachtzeit auf den Strom in der Steckdose zurückgreifen können. Nicht zuletzt deshalb sollte im Unterricht an allen Schulen die Stromversorgung und die dazu notwendigen Geräte wie Generatoren, Transformatoren, Hochspannungsleitungen und der Anschluss an den eigenen Haushalt zum Thema gemacht werden. Vorkenntnisse Vorkenntnisse von Lernenden werden sich meist darauf beschränken, dass man für verschiedene Kleingeräte Strom aus Batterien und Akkus benötigt. Ein grobes Wissen um die Erzeugung von Strom in Kraftwerken wird bei Lernenden kaum vorhanden sein – kann aber mithilfe von einfachen und anschaulichen Versuchen im Physikunterricht problemlos gefördert werden. Didaktische Analyse Die Wichtigkeit des Themas für unser Alltagsleben und die dauernde Abhängigkeit von funktionierenden Stromnetzen sollte ausreichen, um bei den Schülerinnen und Schülern Interesse für die Grundlagen der Erzeugung von Wechsel- und Drehstrom zu wecken. Dazu sind die in der Schule möglichen Grundversuche ausreichend – darüber hinaus gehende physikalische Kenntnisse sind nur für interessierte Lernende von Bedeutung und können gegebenenfalls in der gymnasialen Oberstufe (Sek II) erworben werden. Methodische Analyse Die Erzeugung von Wechselstrom ist mithilfe der "Rechten-Hand-Regel" leicht nachvollziehbar. Etwas schwieriger wird es, wenn aus einzelnen Wechselströmen ein sich kreisförmig "fortbewegender" Drehstrom verstanden werden soll. Deshalb sollten die aufgrund der Kreisbewegung des Permanentmagneten entstehenden und um 120° gegeneinander versetzten Wechselströme genau erklärt und besprochen werden. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler beschreiben und erklären, welche Vorgänge während einer kompletten Umdrehung einer Leiterschleife im Feld eines Permanentmagneten zu einer Sinuskurve führen. wissen, wie ein Fahrraddynamo funktioniert und dass die technische Erzeugung von Wechsel- und Drehstrom prinzipiell ähnlich funktioniert. unterscheiden bei der Stromerzeugung zwischen einem Drehstrom-Generator und einem reinen Wechselstrom-Generator. 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 Paar- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. setzen sich mit den Ergebnissen der Mitschülerinnen und Mitschüler auseinander und vergleichen deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen. erwerben fachliches Wissen, um mit anderen Lernenden, Eltern und Freunden wertfrei diskutieren zu können.