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.

Diese Unterrichtseinheit beschäftigt sich mit den Grundlagen des elektrischen Widerstands, einer physikalischen Größe, die von Georg Simon Ohm im Jahr 1826 aus der Proportionalität von Spannung und Stromstärke gefunden wurde. Die Schülerinnen und Schüler lernen mit einfachen Versuchen, dass sich die den Stromfluss darstellenden Elektronen nicht reibungsfrei bewegen können. Vielmehr ist es so, dass es keinen Stromkreis ohne Widerstand gibt, wenn man den physikalischen Spezialfall Supraleitung außer Acht lässt. Der elektrische Widerstand ist vom Material, der Temperatur und anderen Größen wie Länge und Querschnittsfläche eines Leiters abhängig. Die Zusammenhänge werden den Lernenden über das Ohmsche Gesetz nähergebracht, das den Widerstand aus dem Quotienten von Spannung durch Stromstärke berechnet.Zunächst werden den Lernenden die Besonderheiten der Leitfähigkeit von Leitern - im Gegensatz zu Nichtleitern - vorgestellt. Der entscheidende Unterschied zwischen Leitern und Nichtleitern besteht darin, dass Leiter Elektronen in ihrer äußeren Schale besitzen, die bei Anlegen einer elektrischen Spannung die negativ geladenen Elektronen in Bewegung setzen. Anhand von Versuchen und zugehörigen Diagrammen erkennen die Schülerinnen und Schüler, dass das Ohmsche Gesetz nur für bestimmte Leiter, wie etwa Konstantan, gilt. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Einführung des spezifischen Widerstandes, der für die unterschiedlichen Materialien zu ermitteln ist. Der elektrische Widerstand als Thema im Physik-Unterricht Uns allen bekannte elektrische Anwendungen wie Radio oder Computer kannte der Erlanger Physiker Georg Simon Ohm im 19. Jahrhundert noch nicht. Mit seinen Experimenten hat er jedoch gezeigt, dass zwischen der an einen Leiter angelegten Spannung und der daraufhin durch ihn fließenden Stromstärke ein Zusammenhang bestand. Mit dem nach ihm benannten Ohmschen Gesetz hat Georg Simon Ohm bewiesen, dass unter bestimmten Voraussetzungen der Quotient zwischen Spannung und Stromstärke konstant ist. Er hatte mit der Konstante den elektrischen Widerstand und damit die wichtigste Grundlage vieler Berechnungen in der Elektrotechnik gelegt. Vorkenntnisse Vorkenntnisse von Lernenden dürfen nur dann erwartet werden, wenn sie sich bereits mit Elektro- oder Elektronik-Baukästen beschäftigt haben. Im Übrigen sind Spannung und Stromstärke als Begriffe sicher bekannt, den Wenigsten aber kaum die Zusammenhänge zwischen beiden. Didaktische Analyse Bei der Besprechung des Themas muss man darauf achten, den Lernenden klar zu machen, dass mit unterschiedlichen Widerständen in einem einfachen Stromkreis, aber auch in der Elektronik der Stromfluss durch die verschiedenen Bereiche des Stromkreises gesteuert werden kann. Methodische Analyse Der Begriff des Widerstandes lässt sich an verschiedenen Beispielen aus dem Alltag relativ leicht zeigen, wie etwa bei einem Schlauch, durch den man Wasser pumpen will: Man wird dabei schnell erkennen, dass dieselbe Menge an durchlaufendem Wasser bei einem dünneren Schlauch mehr Druck erfordert als bei einem dicken Schlauch. Mit anderen Worten setzt der dünne Schlauch dem dicken mehr Widerstand entgegen. Angewandt auf den elektrischen Widerstand kann man das problemlos mit einem dünnen und einem dicken Kabel gleicher Länge zeigen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wissen um die Bedeutung des Widerstandes in Elektrizitätslehre und Elektronik. kennen die Unterschiede zwischen Ohmschem Widerstand und spezifischem Widerstand. können Berechnungen in verzweigten Stromkreisen mit mehreren Widerständen anstellen. untersuchen die elektrische Leitfähigkeit von Stoffen experimentell (Leiter, Nichtleiter). lernen den Aufbau eines Stromkreises unter Vorgabe einer Schaltskizze durchzuführen sowie Stromkreise in Form von Schaltskizzen darstellen zu können. 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 lernen die Schülerinnen und Schüler, wie Kochsalzkristalle aufgebaut sind und welche Eigenschaften diese haben. Mithilfe von fünf Quizzen , einem Arbeitsblatt und einer Einstiegspräsentation können die Schülerinnen und Schüler einzelne Lernziele dieser Unterrichtseinheit erarbeiten. Die Lehrkraft unterstützt mithilfe der Einstiegspräsentation und Unterrichtsgesprächen. Als Highlight erstellen die Lernenden eigene Ionengittermodelle. Zu Beginn zeigt die Lehrkraft ein Bild eines Corona-Virus. Die Schülerinnen und Schüler sammeln Symptome einer Corona-Infektion, die visualisiert werden, und besprechen Ageusie (Geschmacksverlust). Dann zeigt die Lehrkraft Zucker und Salz in Kristallform und fragt, wie man die Stoffe ohne Geschmackssinn unterscheiden kann. Im ersten Teilziel mikroskopieren die Schülerinnen und Schüler Zucker und Salz und dokumentieren ihre Erkenntnisse. Sie erkennen, dass Zucker monokline und Salz würfelförmige Kristalle bildet. Die Schülerinnen und Schüler untersuchen den Kristallaufbau von Salz und beobachten die Kristallisation per H5P-Bilderfolge . Sie lernen, dass Kochsalz aus Ionen besteht, und arbeiten dies in einem Lückentext aus, der mit einem weiteren H5P-Quiz überprüft wird. Anschließend erstellen die Schülerinnen und Schüler mit Zahnstocher und Gummibärchen ein NaCl-Ionengittermodell und diskutieren dessen Schwächen. Schließlich lesen die Schülerinnen und Schüler über drei Eigenschaften von NaCl (hoher Schmelzpunkt, spröde, elektrische Leitfähigkeit) und notieren diese. Zum Abschluss lösen sie ein zusammenfassendes Quiz . Im Unterrichtsgespräch unterstützt durch eine Präsentation leitet die Lehrkraft zur folgenden Frage über: Wie könnte man Zucker und Kochsalz unterscheiden, wenn man an Ageusie leidet? Naturwissenschaftlich erarbeiten die Schülerinnen und Schüler in Paararbeit beziehungsweise Gruppenarbeit die unterschiedlichen Kristallstrukturen von Zucker und Kochsalz durch Mikroskopieren. Beim Zeichnen sollte die Lehrkraft dazu ermutigen, einen aussagekräftigen Kristall möglichst genau zu zeichnen. Bei digitalen Heften kann auch mit dem digitalen Endgerät, zum Beispiel Tablet durch das Okular des Mikroskops fotografiert werden und die Fotos in das Heft eingefügt werden. Mit Hilfe des H5P-Quiz "Infografik-Zucker-Salz" beobachten die Schülerinnen und Schüler selbstständig die Bilderfolge zur Kristallisation. Beim Erstellen der Modelle in Gruppenarbeit muss die Lehrkraft eventuell mit Hinweisen unterstützen und den Schülerinnen und Schüler den Tipp geben, dass sie mit einer einzigen Ionenschicht beginnen sollen. Des Weiteren können Hinweise zur Anzahl der Ionen in einer Schicht gegeben werden. Vor dem Ausfüllen und Lesen des Textes über das Modell von NaCl im Unterrichtsgespräch (im Anschluss an die Gruppenarbeit) kann die Lehrkraft, falls Bedarf besteht, mit Hilfe der Folie die NaCl-Struktur erklären. Nach dem Erarbeiten der Eigenschaften bietet sich ein weiteres zusammenfassendes Unterrichtsgespräch an, indem die Eigenschaften durch die Klasse in eigenen Worten erklärt werden. Die Einheit ist so gestaltet, dass die Schülerinnen und Schüler möglichst viel selbstständig und eigenverantwortlich erarbeiten. Sie könnte mit einigen Hinweisen auch als Arbeitsauftrag für eine Lerngruppe durchgeführt werden. Sollte die Lerngruppe noch nicht in Berührung mit H5P-Formaten gekommen sein, so müsste die Lehrkraft hier eventuell unterstützen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler unterscheiden Kochsalz und Zucker mikroskopisch. erklären die Entstehung und erstellen das Modell eines Ionengitters von NaCl. erklären drei Eigenschaften von NaCl mit Hilfe des Ionengitters. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler bearbeiten H5P-Quizze. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler vergleichen eigene Informationen mit Informationen von Mitlernenden. bauen in einer Gruppe ein Modell.

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.

Eine Flash-Animation veranschaulicht die chemischen Vorgänge, die in einer Zink-Kohle-Batterie bei einer Stromentnahme ablaufen. Das hier vorgestellte Flash-Programm bietet Schülerinnen und Schülern einen Einblick in den Aufbau einer Zink-Kohle-Batterie und stellt in einer Animation die chemischen Vorgänge während der Stromentnahme stark vereinfacht dar. Die Flash-Folie lässt sich im Unterricht per Beamer-Projektion einsetzen, um den Aufbau und die Funktion einer Zink-Kohle-Batterie kennenzulernen, zu verstehen und die Teilreaktionen in Reaktionsgleichungen zu fassen. Am heimischen Rechner können Schülerinnen und Schüler das frei zugängliche Angebot nutzen, um den Unterrichtsstoff zu wiederholen. Die Materialien der Unterrichtseinheit werden durch Beiträge der Gesellschaft Deutscher Chemiker e. V. (GDCh) ergänzt: Artikel aus der GDCh-Wochenschau-Artikel zum Thema stellen den seit fast 100 Jahren in Autos eingesetzten Bleiakkumulator sowie die noch sehr junge Technologie der Lithium-Batterien und ihre Einsatzmöglichkeiten vor. Betrachtung der Teilvorgänge und Aufstellen der Teilgleichungen Das "Innenleben" einer handelsüblichen Batterie kann den Schülerinnen und Schülern an aufgesägten Batterien gezeigt werden. Welche chemischen Vorgänge laufen ab? Der Zinkbecher fungiert als Elektronendonator. Zink wird oxidiert. Das ist aus der äußeren Beschriftung mit dem Minus-Symbol ersichtlich. Doch welcher Stoff wird reduziert? Dies wird in der hier vorgestellten Animation veranschaulicht, indem zum einen die Bestandteile der Batterie mithilfe von Formeln benannt werden (Ausgangsstoffe) und zum anderen die chemischen Veränderungen vereinfacht szenisch dargestellt werden (Produkte). Dabei werden die Oxidation von Zink, die Leitung der Elektronen über einen elektrischen Leiter hin zum Verbraucher und die Reduktion von Mangandioxid zeitlich nacheinander animiert vorgestellt, um den Fokus der Schülerinnen und Schüler verstärkt auf die Teilvorgänge zu konzentrieren. Anhand dieser "zeitlichen Akzentuierung" lassen sich leicht Teilgleichungen zu den Redoxvorgängen aufstellen. Unterrichtsgespräch und selbstständige Schülerarbeit Wird die Animation im Unterrichtsgepräch als Arbeitsmittel eingesetzt, werden ein kontinuierliches und zeitgleiches Prozedere im gesamten Redoxsystem und der kontinuierliche Verbrauch der Ausgangsstoffe thematisiert. Daneben können Schülerinnen und Schüler den Aufbau und die Funktion der Zink-Kohle-Batterie in einer selbstständigen Schülerarbeit am Rechner erarbeiten. Steuerung und Inhalte der Flash-Animation Die Animation kann über den Cursor oder die Tastatur gesteuert werden. Die Teilschritte der Reaktion werden hier per Screenshot vorgestellt und kurz erläutert. GDCh-Wochenschau-Artikel zum Thema Bei der Behandlung des Themas bietet sich ein Blick auf weitere Batterietypen an: klassischer Bleiakkumulator und die junge Technologie der Lithium-Ionen-Batterie Die Schülerinnen und Schüler sollen den Aufbau und die Organisation einer Zink-Kohle-Batterie beschreiben. anhand der Animation zur Zink-Kohle-Batterie erkennen, dass bei der Stromentnahme durch Anschluss eines Verbrauchers innerhalb der Batterie kontinuierlich stoffliche Veränderungen in den beiden Teilen eines Redoxsystems ablaufen. die dynamischen Teilchenmodellszenarien in Reaktionsgleichungen umsetzen. aus der Animation ableiten, dass durch die Kombination und räumlich Trennung geeigneter Reduktions- und Oxidationsmittel chemische Energie gespeichert und durch Anschluss eines Verbrauchers in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Die Flash-Animation kann mithilfe der Maus durch Anklicken der Buttons und des Schalters gesteuert werden. Alternativ kann dafür aber auch die Tastatur des Rechners genutzt werden. Diese Möglichkeit unterstützt insbesondere die "mausfreie" Präsentation während des Unterrichtsgesprächs durch die Lehrperson oder im Rahmen eines Schülervortrags. Hier die verschiedenen Steuerungsfunktionen im Überblick: Buttons (Animation) Für Start und Stopp der Animation können die für diese Funktionen üblichen Icons in der Flash-Folie verwendet werden. Ein-und Ausschalter (Animation) Über die Betätigung des Ein- und Ausschalters neben der Glühlampe (Abb. 1, Platzhalter bitte anklicken) startet man die Animation oder setzt sie zurück ("Reset"). Computer-Tastatur Alternativ zu den Buttons kann auch die Space-Taste der Tastatur zum Starten oder Stoppen der Animation genutzt werden. Mit den Pfeiltasten der Tastatur können Sie die Animation schrittweise vor oder auch zurücklaufen lassen. Die Animation beginnt mit der Bewegung zweier Elektronen (Abb. 1, Platzhalter bitte anklicken) über den elektrischen Leiter hin zum Verbraucher. Es ist sehr wichtig, dass die Lehrperson den Schülerinnen und Schülern hier klarmacht, dass diese beiden Elektronen in dem Modell nur exemplarisch dargestellt und bewegt werden. In Wirklichkeit fließen im gesamten Leiter Elektronen vom Minus- zum Pluspol. Die Elektronen entstehen bei der Oxidation von Zinkatomen des Zinkbechers. Daraus lässt sich die erste Teilgleichung (Oxidation von Zink) ableiten: Zn (s) → Zn 2+ (aq) + 2 e - Die Elektronen wandern über die Kohleelektrode in das leitfähige Gemisch aus Kohlenstoff und Braunstein (Abb. 2a). Dort wird Mangan(IV)dioxid reduziert. Unter Aufnahme eines Protons entsteht Mangan(III)oxidhydroxid (Abb. 2b): 2 MnO 2 (s) + 2 H 2 O (l) + 2e - → 2 MnO(OH) (s) + 2 OH - (aq) Die Ammonium-Ionen geben jeweils ein Proton an Hydroxid-Ionen ab (Abb. 2c): 2 OH - (aq) + 2 NH 4 + (aq) → 2 H 2 O (l) + 2 NH 3 (g) Ammoniak diffundiert innerhalb in der Batterie und bildet mit den bei der Oxidation des Zinkbechers entstandenen Zink-Ionen Aminkomplexe (Abb. 2d): Zn 2+ (aq) + 2 NH 3 (g) → [Zn(NH 3 ) 2 ] 2+ (aq) Folgende Sekundärreaktionen führen zur Auflösung des Zinkbechers und somit zur Alterung der Batterie: Zn 2+ (aq) + 2 OH - → Zn(OH) 2 (s) Zn(OH) 2 (s) → ZnO (s) + H 2 O (l) 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. Für diese Unterrichtseinheit relevante Artikel stellen wir hier kurz vor. Die vollständigen Beiträge stehen als PDF-Downloads 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. Die Karriere des Bleiakkumulators Der klassische Bleiakkumulator wird seit fast 100 Jahren als einziger elektrischer Energiespeicher für den Starter in Kraftfahrzeugen eingesetzt und ist mitverantwortlich für den Erfolg des Automobils. Der Erfolg der Bleibatterie ist in erster Linie auf den im Vergleich zu anderen Batteriesystemen konkurrenzlos niedrigen Preis zurückzuführen, der durch niedrige Rohstoffkosten, eine einfache und weitgehend automatisierte Fertigungstechnik und einen etablierten effizienten Recyclingprozess erreicht wird. Funktionsweise Die Arbeitsweise des Bleiakkumulators wird ausführlich beschrieben. Neben den Entladereaktionen werden auch die "Nebenwirkungen" erläutert. Neben der Rolle des bei der Entladungsreaktion entstehenden und auf der Elektrode ausfallenden Bleisulfats (Reduzierung der Elektroden-Porosität und dadurch Behinderung der Transportvorgänge in den Elektroden und Korrosionseffekte) werden auch die Folgen von Nebenreaktionen dargestellt (Wasserverlust und Gasbildung durch Wasserzersetzung). Zudem werden die grundsätzlichen Unterschiede zwischen zwei Batterietypen aufgezeigt: Geschlossene Batterien (Vented/flooded batteries) Diese haben einen aufschraubbaren Zellstopfen für die Wassernachfüllung und Öffnungen im Deckel für das Entweichen von Gasen. Verschlossenen Batterien (Valve Regulated Lead Acid batteries) Dieser Batterietyp ist fest verschlossen und verfügt über ein Ventil, das sich bei Überdruck öffnet um die entstandenen Gase freizusetzen. Warum Lithium? Lithium ist das leichteste Metall im Periodensystem und steht am negativen Ende der elektrochemischen Spannungsreihe. Die daraus resultierende hohe theoretische Kapazität und die in Kombination mit verschiedenen Kathodenmaterialien realisierbaren hohen Zellspannungen machen es zum idealen Anodenmaterial. Lithium- und Lithium-Ionen-Batterien Der Artikel beschreibt Aufbau und Funktion primärer (nicht wiederaufladbarer) und sekundärer (wiederaufladbarer) Lithium-Batterien. Zudem wird die Lithium-Ionen-Batterie vorgestellt. In diesem System können sowohl das Kathoden- als auch das Anodenmaterial Lithium reversibel einlagern. Die negative Elektrode enthält an Stelle metallischen Lithiums nun Kohlenstoff als Speichermedium, die positive ein Lithium-Übergangsmetalloxid. Beim Ladeprozess werden Lithium-Ionen aus dem Metalloxid ausgelagert, zur negativen Elektrode transportiert und dort in das Gitter des Kohlenstoffs eingelagert. Beim Entladeprozess verläuft der Prozess umgekehrt. Lithium-Polymer-Zelle Eine Variante der Lithium-Ionen-Zelle ist die Lithium-Polymer-Zelle. Elektrodenmaterialien und Zellchemie sind identisch. Es wird aber an Stelle des flüssigen Elektrolyten eine Polymermatrix verwendet, die den Flüssigelektrolyten vollständig aufsaugt und auslaufsicher fixiert. In Lithium-Polymerzellen mit (Fest-)Polymerelektrolyt wird als Elektrolyt wird ein Polymer mit einem darin gelösten Lithiumsalz eingesetzt, das keine flüssigen Lösungsmittel mehr enthält. Der Ionentransport erfolgt komplett über die Polymermatrix. Vielfältige Einsatzmöglichkeiten Lithium-Batterien sind, verglichen mit den konventionellen Systemen, eine sehr junge Technologie. Trotz ihrer erst relativ kurz zurückliegenden Markteinführung zeigen sie im Bereich der Gerätebatterien bereits das größte Marktwachstum und beginnen die etablierten Systeme zu verdrängen. Sie werden in Camcordern, Mobiltelefonen und tragbaren Computern eingesetzt. Zukünftige Fahrzeugkonzepte, wie zum Beispiel das Hybridauto, benötigen leistungsfähigere Batterien. Auch hier können Lithium-Batterien in Zukunft eine bedeutende Rolle spielen. Neue Materialien, Nanokomposite und neue Zellkonzepte bieten Entwicklungspotenzial für weitere Verbesserungen und vielfältige Anwendungen.