Die Verwendung von 3D-Animationen erhöht die Anschaulichkeit und unterstützt die Visualisierung von Aufgabenstellungen. Dies unterstützt das Verständnis der Vorgänge in dem für uns unsichtbaren Universum der Elementarteilchen.Dieser Selbstlernkurs soll den Schülerinnen und Schülern der Mittelstufe helfen, die komplexe Problematik der Elektrizität und des elektrischen Stromes schrittweise zu erkennen und den Umgang mit den physikalischen Grundgrößen Stromstärke, Spannung und Widerstand zur Problemlösung sicher zu beherrschen. Dazu werden die Vorgänge im submikroskopisch kleinen Universum der Elementarteilchen mithilfe von 3D-Animationen verdeutlicht und auf eine höhere Ebene der Anschaulichkeit gehoben. Die Arbeit mit dem Kurs ist in Abschlussklassen zur Wiederholung und selbstständigen Prüfungsvorbereitung hilfreich. Technische Hinweise Der Kurs ist in Form einer interaktiven Webseite angelegt und wird nach dem Download (siehe unten) mit der Datei "index.htm" gestartet. Um das Menü (am linken Rand) anzeigen zu können, muss Ihr Browser in der Lage sein, Flash-Dateien anzuzeigen. Die dreidimensionalen Darstellungen der Lernumgebung wurden durch die objektorientierte Programmiersprache VRML (Virtual Reality Modeling Language) umgesetzt. Das zur Nutzung der 3D-Darstellungen erforderliche Plugin blaxxun Contact kann kostenlos aus dem Internet heruntergeladen werden (siehe unten). Nach dem Installieren des Plugins können die World-Dateien (WRL), die die VRML-Inhalte enthalten, im Browser angezeigt werden. Mit einem Rechtsklick in die 3D-Darstellung öffnet sich ein Kontextmenü, über das man verschiedene Funktionen aufrufen kann. Einsatz im Unterricht Dieser Selbstlernkurs soll als klassenstufenübergreifender Kurs einerseits die Grundlagen für die Arbeit mit den physikalischen Größen Stromstärke, Spannung und Widerstand in der Orientierungsstufe legen und andererseits in den darauf folgenden Klassenstufen gemäß der Kurrikulumsspirale darauf aufbauen. Vom Verständnis des Begriffs "elektrischer Strom" bis hin zu Berechnungen und Analysen von Stromkreisen führt der Kurs die Schülerinnen und Schüler mithilfe interaktiver Übungen zum sicheren Beherrschen dieses interessanten physikalischen Phänomens. Alle Kapitel sind zum besseren Verständnis mit 3D-Animationen ausgestattet. Insbesondere wenn die Schülerinnen und Schüler den Umgang mit dem Plugin blaxxun Contact sowie mit interaktiven Arbeitsblättern noch nicht gewohnt sind, ist der Einsatz eines Beamers bei der Einführung des Kurses zu empfehlen. Themen und Materialien Stoffaufbau - Leiter und Isolatoren Die Begriffe Leiter und Isolator werden mithilfe des Teilchenmodells eingeführt und mit 3D-Animationen veranschaulicht. Elektrischer Strom, Stromstärke und elektrische Spannung Frei bewegliche Elektronen in einem metallischen Leiter werden als Grundvoraussetzung des Modells der Elektronenleitung erkannt. Knotenpunktregel und Maschenregel Schülerinnen und Schüler untersuchen das Verhalten der physikalischen Grundgrößen Stromstärke und Spannung in verschiedenen Stromkreisen. Elektrischer Widerstand, Ohmsches Gesetz und Widerstandsgesetz Das Ohmsche Gesetz wird in einem virtuellen Experiment hergeleitet. Die Formulierung des Widerstandsgesetzes bildet den Abschluss des Kurses zur Elektrizitätslehre. Fachkompetenzen beim Einsatz in Klasse 6 Die Schülerinnen und Schüler sollen im Lernbereich "Elektrische Stromkreise" einfache Modellvorstellungen des elektrischen Stroms kennen lernen. die Begriffe "Leiter" und "Isolatoren" kennen lernen. Bestandteile und Symbole von Schaltplänen beherrschen. Arten von Stromkreisen (einfache, verzweigte und unverzweigte) beherrschen. Fachkompetenzen beim Einsatz in Klasse 7 Die Schülerinnen und Schüler sollen im Lernbereich "Elektrische Leitungsvorgänge" die elektrische Stromstärke kennen, insbesondere die Ladungstrennung, das elektrische Leitungsmodell, die physikalische Größe der elektrischen Stromstärke, die Stromstärkemessung [Umgang mit Messgeräten], die Stromstärke in verschiedenen Stromkreisen, das Erste Kirchhoffsche Gesetz, die Knotenpunktregel. die elektrische Spannung kennen, insbesondere die physikalische Größe der elektrischen Spannung, die Spannungsmessung, die Spannung in verschiedenen Stromkreisen, das Zweite Kirchhoffsche Gesetz, die Maschenregel. Fachkompetenzen beim Einsatz in Klasse 8 Die Schülerinnen und Schüler sollen im Lernbereich "Leitungsvorgänge in Metallen" zusätzlich zu den oben beschriebenen Kompetenzen den Zusammenhang zwischen Stromstärke und Spannung kennen lernen, insbesondere das Ohmsche Gesetz, das I(U)-Diagramm von Konstantandraht und Glühlampe sowie den Begriff "Kennlinie". Leben und Werk von Georg Simon Ohm (1789-1854) kennen lernen. die physikalische Größe des elektrischen Widerstands kennen, insbesondere die Deutung mit dem elektrischen Leitungsmodell, die Berechnung von Widerständen, Spannung und Stromstärke und die Abhängigkeit des Widerstandes eines Leiters von Länge, Querschnittsfläche und Material. die Kenntnisse über den elektrischen Widerstand auf technische Sachverhalte anwenden, insbesondere auf Festwiderstände und verstellbare Widerstände (Potentiometer), Vorwiderstände (mit Berechnung) und die Wheatstonesche Brücke. Die Schülerinnen und Schüler sollen einfache Modellvorstellungen des elektrischen Stroms kennen lernen. die Begriffe Leiter und Isolatoren kennen lernen. Die Schülerinnen und Schüler sollen zusätzlich zu den oben genannten fachlichen Kompetenzen das elektrische Leitungsmodell und die Elektronenleitung kennen lernen. Vom Kugelmodell zum Atommodell Zu Beginn des Kurses "Die strömende Elektrizität" wird, aufbauend auf die Eigenschaften von Körpern, der Begriff "Stoff" näher untersucht und der Aufbau der Stoffe aus kleinsten Teilchen verdeutlicht. Die Elementarteilchen Proton und Elektron werden im Besonderen untersucht, da diese für die elektrische Leitung die entscheidende Rolle spielen. Eine 3D-Animation zeigt den Übergang vom Kugelmodell zum Atommodell nach Niels Bohr. Nach dem Start der Animation wird ein Atom zunächst als Kugel dargestellt (Abb. 1, oben; Platzhalter bitte anklicken). Über das Kontextmenü (mit rechter Maustaste in die Animation klicken und "Standorte/Naechster" wählen) rücken Sie in der Animation stufenweise vor (Abb. 1, unten). Gitterstruktur von Metallen Das Atommodell (Abb. 2, Platzhalter bitte anklicken) können Sie mit dem Mauszeiger "anfassen" und bewegen (Kontextmenü: "Bewegung/Betrachten"). Die Gitterstruktur von Metallen wird in dem Kapitel besonders hervorgehoben. Es folgen interaktive Übungen, mit denen die Schülerinnen und Schüler das Gelernte festigen und vertiefen können. Atommodelle von Leitern und Nichtleitern Das nächste Kapitel widmet sich der Unterscheidung von Leitern und Isolatoren. Als Voraussetzung für das Begreifen des Modells der Elektronenleitung wird Wert gelegt auf das Vorhandensein frei beweglicher Elektronen bei einem metallischen Leiter. 3D-Animationen und interaktive Übungen helfen dabei, das Gelernt zu verstehen und umzusetzen. Abb. 3 (Platzhalter bitte anklicken) zeigt einen Screenshot der VRML-Animation zum Aufbau eines typischen Leiters (Aluminiumatom). Die Schülerinnen und Schüler in Klasse 7 sollen im Rahmen des Themas "Elektrische Leitungsvorgänge" die elektrische Stromstärke kennen, insbesondere die Ladungstrennung, das elektrische Leitungsmodell, die physikalische Größe der elektrischen Stromstärke, die Stromstärkemessung (Umgang mit Messgeräten) und die Stromstärke in verschiedenen Stromkreisen. die elektrische Spannung kennen, insbesondere de physikalische Größe der elektrischen Spannung, die Spannungsmessung und die Spannung in verschiedenen Stromkreisen. Stromloser und stromführender Leiter Die beiden ersten 3D-Animationen zeigen den Übergang vom stromlosen Leiter zum stromführenden Leiter. Durch unterschiedliche Betrachtungsweisen (Kontextmenü "Bewegung/Betrachten") kann die Bewegung der Elektronen sehr gut erkannt werden. Das Atomgitter wird durch rote Kugeln, die Elektronen werden durch kleine grüne Kugeln dargestellt (Abb. 4, Platzhalter bitte anklicken). Stromkreis Weitere Animationen zeigen einen einfachen Stromkreis, in dem die Bewegung der Elektronen durch Heranzoomen an den Leiter genau beobachtet werden kann (im Kontextmenü "Standorte/Standard Tour" wählen; Abb. 5, Platzhalter bitte anklicken). So wird der Zusammenhang zwischen geöffnetem Stromkreis und Unterbrechen des Stromflusses gezeigt. Mit interaktiven Übungen (Lückentext, Zuordnung, Schüttelsatz) kann das Gelernte überprüft und geübt werden. Definition der physikalischen Grundgrößen Der nächst Schwerpunkt des Kurses ist die Definition der physikalischen Grundgrößen Stromstärke und Spannung. Neben den Merksätzen werden der Anschluss der Messgeräte erklärt und somit die Begriffe "in Reihe" und "parallel zu" wiederholt und gefestigt. Eine Flash-Animation verdeutlicht den Zusammenhang zwischen dem Anlegen einer äußeren Spannung an den metallischen Leiter und der Bewegung seiner freien Elektronen. Dabei kann zwischen keiner und verschieden großen Spannungen gewählt werden. Abb. 6 zeigt einen Screenshot der Animation. Die Schülerinnen und Schüler in Klasse 7 sollen im Rahmen des Themas "Elektrische Leitungsvorgänge" die elektrische Stromstärke kennen, insbesondere das elektrische Leitungsmodell, die physikalische Größe der elektrischen Stromstärke, die Stromstärkemessung (Umgang mit Messgeräten), die Stromstärke in verschiedenen Stromkreisen und das Erste Kirchhoffsche Gesetz (Knotenpunktregel). die physikalische Größe der elektrischen Spannung, die Spannungsmessung, die Spannung in verschiedenen Stromkreisen, und das Zweite Kirchhoffsche Gesetz (Maschenregel) kennen lernen. Das Erste Kirchhoffsche Gesetz Das Verhalten der physikalischen Grundgrößen Stromstärke und Spannung in Stromkreisen wird ausführlich untersucht. Ziel dabei ist auch das Auffinden von formelmäßigen Zusammenhängen. Viel wichtiger ist aber das Begreifen der inneren Zusammenhänge - und die werden durch die Kirchhoffschen Gesetze bestens erklärt. Auch wenn weder die Knotenpunktregel noch die Maschenregel vom Lehrplan ausdrücklich verlangt werden, hat sich im Unterricht gezeigt, dass die Schülerinnen und Schüler das Thema so besser verstehen als durch bloßes "Formelwissen". Zu Anfang werden die Formeln für die Stromstärke im unverzweigten und verzweigten Stromkreis hergeleitet. Der allgemeingültige Zusammenhang in Form der Knotenpunktregel als Erstes Kirchhoffsches Gesetz bildet die Grundlage für die Analyse aufwändigerer Stromkreise. Online-Materialien In animierten Stromkreisen wird das Maß der elektrischen Stromstärke durch die Dicke der Animationslinie anschaulich dargestellt. So ist klar erkennbar, wo viel Strom fließt und wo weniger. In einer daran anschließend betrachteten 3D-Animation wird nun der Kreis zur Bewegung der Elektronen geschlossen (Abb. 7, Platzhalter bitte anklicken). So kann die Bewegung der Elektronen am Knotenpunkt genau "unter die Lupe" genommen werden. Interaktive Übungen dienen der Kontrolle und Festigung des Gelernten. Das Zweite Kirchhoffsche Gesetz Das Verhalten der physikalischen Grundgrößen Spannung in den verschiedenen Stromkreisen ist das Thema dieses Kapitels. Auch hier werden zuerst die Formeln für die Spannung im unverzweigten und im verzweigten Stromkreis hergeleitet. GIF-Animationen erklären dann den Begriff der Masche im Stromkreis aus physikalischer Sicht. Es folgt die Verallgemeinerung der Formeln für die Spannung zur Maschenregel - dem Zweiten Kirchhoffschen Gesetz. Eine interaktive Flash-Animation zeigt den Zusammenhang zwischen den unterschiedlichen Maschen und der Summe der Einzelspannungen in diesen Maschen. Zum Schluss wird die Maschenregel auf Teilstromkreise übertragen. Online-Materialien Auch in diesem Kapitel dienen interaktive Übungen der Kontrolle und Festigung des Gelernten. Abb. 8 (Platzhalter bitte anklicken) zeigt einen Screenshot (Ausschnitt) aus dem interaktiven Arbeitsblatt von Übung 5. Die Schülerinnen und Schüler in Klasse 8 sollen im Rahmen des Themas "Leitungsvorgänge in Metallen" den Zusammenhang zwischen Stromstärke und Spannung kennen. sich mit Leben und Werk von Georg Simon Ohm (1789-1854) beschäftigen. das Ohmsche Gesetz, das I(U)-Diagramm von Konstantandraht und Glühlampe sowie den Begriff "Kennlinie" kennen. die physikalische Größe des elektrischen Widerstands kennen, insbesondere die Deutung mit dem elektrischen Leitungsmodell, die Berechnung von Widerständen, Spannung und Stromstärke sowie die Abhängigkeit des Widerstands eines Leiters von Länge, Querschnittsfläche und Material. Kenntnisse über den elektrischen Widerstand auf technische Sachverhalte anwenden, insbesondere auf Festwiderstände und verstellbare Widerstände (Potentiometer), Vorwiderstände (mit Berechnung) und die Wheatstonesche Brücke. Geltungsbereich des Ohmschen Gesetzes Das Ohmsche Gesetz wird in einem virtuellen Experiment hergeleitet. Durch die Nutzung verschiedener "Standorte" (Kontextmenü dazu per rechtem Mausklick aufrufen) in der 3D-Visualisierung ist es möglich, zeitgleich die Spannung zu wählen (Abb. 9, Platzhalter bitte anklicken) und dann die Auswirkung auf die frei beweglichen Elektronen zu beobachten und die Stromstärke abzulesen. Der Schritt zum Ohmschen Gesetz als Ergebnis der Untersuchungen ist dann reine Formsache. Es folgt der gleiche Versuch mit einer Glühlampe an Stelle des Ohmschen Widerstandes. Durch die zuvor untersuchte Abhängigkeit der Teilchenbewegung von der Temperatur wird der Geltungsbereich des Ohmschen Gesetzes auf nahezu konstante Temperatur eingeschränkt. Nach der Formulierung des Ohmschen Gesetzes wird die physikalische Größe des elektrischen Widerstands definiert. Online-Materialien Nach der Bearbeitung des Kapitels folgen interaktive Übungen zur Prüfung und Festigung des Gelernten. Informationen und Animationen Das Ohmsche Gesetz und der elektrische Widerstand Übungsaufgaben zum Ohmschen Gesetz Interaktive Übungen, Aufgaben von Dieter Welz, Leben und Werk von Georg Simon Ohm Einfluss von Querschnitt und Länge des Leiters Die Formulierung des Widerstandsgesetzes bildet den Abschluss dieses Kurses. Die Abhängigkeit des elektrischen Widerstands von Querschnitt (Abb. 10, Platzhalter bitte anklicken) und Länge des Leiters wird in einer Folge von virtuellen Experimenten untersucht. Danach folgt die Herleitung des eigentlichen Widerstandsgesetzes. Die Einteilung der Stoffe in Leiter, Halbleiter und Nichtleiter ist dann die logische Folgerung, mit der der Kurs abschließt.

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 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 erarbeiten sich Schülerinnen und Schüler, welche Gefahren beim Umgang mit elektrischem Strom bestehen. Während das Berühren der mit Gleichspannung betriebenen gängigen Akkus und Batterien weitestgehend ungefährlich ist, kann ein Kontakt mit dem Phasenleiter einer 230 V Wechselstromquelle im Haushalt unter bestimmten Bedingungen auch tödlich enden.Anhand bereits vorhandener Grundkenntnisse über Gleich- und Wechselspannung, Widerstände und Gesetzmäßigkeiten beim elektrischen Stromkreis werden die Lernenden mit den Gefahren, die von elektrischen Stromkreisen – vor allem aber mit Wechselstrom betriebenen Stromkreisen – ausgehen, bekannt gemacht. Dabei ist es besonders wichtig, die Bedeutung von Spannung und Stromstärke herauszuarbeiten, wobei die extreme und oft todbringende Gefahr von der Stromstärke hervorzuheben ist. Dies ist umso bedeutsamer, weil auch vermeintlich geringe Stromstärken ab etwa 30 mA bei entsprechend "langer" Einwirkungszeit von über 100 ms lebensgefährlich sein können. Die Lernenden erhalten dazu zunächst einen Informationstext. Anschließend bearbeiten sie ein Arbeitsblatt mit verschiedenen Übungsaufgaben zum Thema. Im Sinne des selbstgesteuerten Lernens können die Lernenden das Arbeitsblatt auch in Eigenearbeit bearbeiten und anschließend mit dem Lösungsblatt (inklusive Erklärungen) vergleichen. Schutzeinrichtungen bei Gefahren durch elektrischen Strom Die Gefahren, die von Hochspannungsleitungen, Trafos und der 15000 V Fahrleitung der Deutschen Bahn ausgehen, sind hinlänglich bekannt – und im Normalfall auch nicht zugänglich. Unterschätzt wird die häufig vom elektrischen Haushalt ausgehende Gefahr, wenn man eine neue Lampe anschließen will oder ein Elektrogerät reparieren möchte. Beides erfordert Fachwissen und sollte deshalb nicht von Laien durchgeführt werden. Für den Unterricht sollten sich Lehrkräfte ausreichend Zeit nehmen, um das nicht auf den ersten Blick erkennbare Gefahrenpotential der häuslichen Elektrizitätsversorgung zu verdeutlichen. Vorkenntnisse Grobe Vorkenntnisse von Lernenden können nur insofern vorausgesetzt werden, dass jede Schülerin und jeder Schüler beim Umgang mit elektrischen Geräten im Haushalt wissen sollte, dass es sich um Elektrogeräte handelt, die über die Steckdose betrieben werden – bereits im Kindesalter sollten sie auf die davon ausgehende Gefahr hingewiesen worden sein. Diese mit Wechselstrom betriebenen Geräte haben im Gegensatz zu mit Gleichstrom betriebenen kleinen Akkus oder Batterien ein erhebliches Gefahrenpotential. Didaktisch-methodische Analyse Bei aller Gefährlichkeit von großtechnisch erzeugtem Dreh- beziehungsweise Wechselstrom bei unsachgemäßer Handhabung ist dessen Bedeutung für unser tägliches Leben unbestritten, was man immer dann besonders spürt, wenn der Strom einmal etwas länger ausfällt. Insofern sollte die Gefahr zwar thematisiert, aber nicht überbewertet werden, weil die Gefahr bei sachgemäßer Handhabung dank der vorhandenen Sicherheitsvorkehrungen gegen Null geht. Die Lernenden sollten nach dieser Unterrichtseinheit in der Lage sein, die Gefahr von Strom aus der Steckdose richtig einzuschätzen. Gleichzeitig sollten sie Bescheid wissen über die im Haushalt vorhandenen Schutzmaßnahmen und deren Wirkweise. Die Lernenden lesen dazu zunächst einen Informationstext und bearbeiten anschließend ein Arbeitsblatt mit Übungsaufgaben. Die Lösungen können abschließend gemeinsam im Plenum besprochen werden oder die Schülerinnen und Schüler kontrollieren die Lösungen selbstständig mit dem Lösungsblatt. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wissen um die gesundheitlichen Gefahren, die von der häuslichen Elektrizitätsversorgung bei unsachgemäßer Handhabung beziehungsweise laienhafter Reparatur ausgehen können. verstehen die Funktionsweise von entsprechenden Schutzmaßnahmen im Haushalt. können auch rechnerisch nachvollziehen, welche lebensgefährlichen kleinen und großen Stromstärken über den menschlichen Körper bei Kontakt mit dem Wechselstromnetz fließen 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 Paar- 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 und Freunden wertfrei diskutieren zu können.

Im Rahmen dieser Unterrichtseinheit erlernen die Schülerinnen und Schüler den Umgang mit der Augmented-Reality (AR)-Applikation "PUMA : Spannungslabor" und nutzen diese für die Arbeit in Kleingruppen. In zwei Experimenten werden die Applikation beziehungsweise die in der Applikation dargestellten didaktischen Modelle der Elektrizität genutzt, um anhand der Modelle zu argumentieren und Hypothesen für den Experimentierprozess zu generieren. Die Unterrichtseinheit ist in drei Unterrichtsstunden gegliedert. Im Verlauf der ersten Unterrichtsstunde wird die AR-Applikation "PUMA : Spannungslabor" von der Lehrkraft im Rahmen eines Demonstrationsexperiments genutzt, um die Darstellung der didaktischen Modelle "Elektronengasmodell", "Rutschenmodell" und "Stäbchenmodell" mit den Schülerinnen und Schülern zu erarbeiten. Die Lehrkraft erklärt und demonstriert den richtigen Umgang mit der Applikation. Im Rahmen der folgenden zwei Unterrichtsstunden erarbeiten die Schülerinnen und Schüler in Kleingruppen in Experimenten die Gesetzmäßigkeiten zur Stromstärke und Spannung bei Parallel- bzw. Reihenschaltungen. In den Experimentierphasen "Hypothesen formulieren" und "Ergebnisse mit der Ausgangshypothese vergleichen" nutzen die Schülerinnen und Schüler dabei die Applikation "PUMA : Spannungslabor" zur Unterstützung der Argumentation mit didaktischen Modellen. Kurzbeschreibung der Applikation "PUMA : Spannungslabor" Die Applikation überblendet einen Stromkreis mit Darstellungen der Leitungselektronen (in Form kleiner weißer Kugeln) und Visualisierungen des elektrischen Potentials. Die Darstellung des elektrischen Potentials kann gemäß des Elektronengasmodells (in Form einer Färbung der Leiterbahnen entsprechend des elektrischen Potentials), gemäß des Stäbchenmodells (in Form einer Anhebung der Leiterbahnendarstellung entsprechend des elektrischen Potentials) oder gemäß des Rutschenmodells (durch zur Anhebung der Leiterbahnen zusätzlichen Einblendung der sich bewegenden Leitungselektronen) erfolgen. Für den Einsatz der Applikation wird ein Experimentierset ELEKTRIK 1 der Firma MEKRUPHY benötigt. Neben den bereits beschriebenen Darstellungen können außerdem Messdaten der elektrischen Grundgrößen (Spannung, Stromstärke, elektrischer Widerstand) an den Bauteilen eingeblendet werden und für eine qualitative Interpretation des elektrischen Widerstands kann eine Visualisierung der Darstellung der Interaktion von Leitungselektronen und Materie auf Teilcheneben gemäß des Drude-Modells des elektrischen Widerstands eingeblendet werden. Für die beschriebene Unterrichtseinheit werden die Darstellungen der Leitungselektronen und der Modelle der elektrischen Potentiale benötigt. In der Applikation ist ein Tutorial mit Videos implementiert, welches Lehrkräfte in ihrer ersten Nutzung anleiten kann. Weitere Informationen und eine Möglichkeit zum Download der Applikation finden Sie über den Link am Ende dieser Seite. Relevanz des Themas Die jüngere fachdidaktische Forschung zur Elektrizitätslehre der Sekundarstufe I hat festgestellt, dass viele Schülerinnen und Schüler den Unterricht mit teils stark prävalenten fehlerhaften Vorstellungen zum Stromkreis verlassen (etwa die Stromverbrauchsvorstellung, unzureichende Trennung der Konzepte von Spannung und Stromstärke oder fehlendes Systemdenken beim Betrachten eines Stromkreises). Durch die explizite Aufforderung der Nutzung didaktischer Modelle zur Generierung von Hypothesen und Plausibilisierung von Ergebnissen soll eine stärkere Verknüpfung von Fachinhalt und didaktischem Analogie-Modell erreicht werden, was die Vernetzung der Fachinhalte im Gedächtnis unterstützt und zu gefestigteren Wissensstrukturen führen soll. Die Darstellung der Analogie-Modelle der Elektrizität durch Augmented Reality reduziert zusätzlich die mentale Hürde, sich der Modelle bei der Argumentation und Diskussion physikalischer Sachverhalte zu bedienen. Notwendige und förderliche Voraussetzungen Für einen Einsatz der beschriebenen Unterrichtseinheit ist das Vorhandensein eines Klassensatzes des Experimentierkastens ELEKTRIK 1 erforderlich. Die Lehrkraft muss die Kästen im Vorfeld entsprechend der Anleitung in der Applikation "PUMA : Spannungslabor" präparieren. Die Lehrkraft sollte vor Durchführung der ersten Unterrichtsstunde dieser Einheit die Applikation selbst sorgfältig durchgearbeitet haben. Dafür kann die in der Applikation verfügbare Tutorial-Ressource und das Informationsblatt zur Applikation genutzt werden. Für die Schülerinnen und Schüler ist es ideal, wenn die in der Applikation darstellbaren Analogie-Modelle der Elektrizität (Elektronengasmodell, Rutschenmodell, Stäbchenmodell) bereits bekannt sind und im Unterricht eingeführt wurden. Die Applikation kann aber auch ohne vorherige Nutzung der genannten Modelle im Unterricht für die Erarbeitung der Gesetzmäßigkeiten bei Parallel- und Reihenschaltung auf die beschriebene Art und Weise genutzt werden. Digitale Kompetenzen, die Lehrende zur Umsetzung der Unterrichtseinheit benötigen (nach dem DigCompEdu Modell) Die Lehrenden sollten in der Lage sein, die Lernenden im Selbstgesteuerten Lernen unter Verwendung digitaler Technologien unterstützen (3.4 Selbstgesteuertes Lernen). Die Lehrenden sollten gewährleisten, dass die Lernenden für die Präsentation ihrer Ergebnisse die digitalen Medien nutzen, um ihre Argumentationen zu ihren wissenschaftlichen Untersuchungen zu unterstützen (5.3 Aktive Einbindung der Lernenden). Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler verwenden Analogien und Modellvorstellungen zur Wissensgenerierung. stellen an einfachen Beispielen Hypothesen auf. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler setzen digitale Werkzeuge bedarfsgerecht zur Wissensgenerierung ein. können digitale Umgebungen und Werkzeuge für den Gebrauch anpassen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler tauschen sich über physikalische Erkenntnisse und deren Anwendungen unter angemessener Verwendung der Fachsprache und fachtypischer Darstellungen aus. diskutieren Arbeitsergebnisse und Sachverhalte unter physikalischen Gesichtspunkten. 21st Century Skills Die Schülerinnen und Schüler nutzen digitale Werkzeuge zur Unterstützung ihrer Kommunikation und Argumentation. stärken ihre Technologiekompetenz im Umgang mit neuer Software durch zielgenaue Nutzung digitaler Werkzeuge. erkennen den Nutzen von digitalen Medien bei der Visualisierung von abstrakten mentalen Modellen.

In dieser Unterrichtseinheit zum Thema Elektrosmog führen die Schülerinnen und Schüler Messungen durch und leiten Maßnahmen zur Verminderung des Elektrosmog ab, dessen Wirkungen auf den menschlichen Organismus derzeit rege diskutiert werden. Im technischen Experiment setzen Schülerinnen und Schüler moderne Elektrosmog-Messgeräte ein. Sie nehmen Fotos von der Versuchsanordnung mit der Digitalkamera auf und fügen diese dem Messprotokoll bei. In der Auswertung werden mithilfe eines Tabellenkalkulationsprogramms Diagramme erstellt. Die Unterrichtseinheit endet mit der Erarbeitung von Maßnahmen zur Verminderung der Belastung durch Elektrosmog. Nachdem die Lernenden kompetent Messungen und Beratung durchführen können, wird in Erwägung gezogen, eine Übungsfirma zu gründen. Die Schülerfirma bietet den Angehörigen der Schule kostenpflichtige Elektrosmog-Messungen an. Als Zusatzangebot werden basierend auf den Messergebnissen Maßnahmen zur Reduzierung des Elektrosmogs vorgeschlagen. Elektrische und magnetische Wechselfelder sind nicht direkt sichtbare physikalische Erscheinungen. Die Schülerinnen und Schüler führen Elektrosmog-Messungen durch, so werden die Felder für sie greifbar. Gegenstand der technischen Experimente sind niederfrequente elektrische und magnetische Wechselfelder. Mit preisgünstigen Messgeräten lassen sich Messungen durchführen. Hinweise zum Unterrichtsverlauf Die Aufgabenstellung in der Unterrichtseinheit "Elektrosmog messen" ist praxisnah und für die Schülerinnen und Schüler motivierend. Alle Erläuterungen und was es bei der Durchführung zu beachten gilt, ist hier ausführlich erklärt. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler messen niederfrequente elektrische und magnetische Wechselfelder. lernen die Formelzeichen und Einheiten der magnetischen Flussdichte und der elektrischen Feldstärke kennen. entwickeln ein Gefühl für die Werte der Felder im Alltag. erstellen Messprotokolle. erkennen, dass magnetische Felder durch Ströme erzeugt werden. erkennen, dass elektrische Felder durch elektrische Spannungen erzeugt werden. erarbeiten Maßnahmen zur Verminderung der Belastung durch elektrische und magnetische Wechselfelder. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler werten Messergebnisse in einem Tabellenkalkulationsprogramm aus und erstellen Diagramme. nehmen Fotos mit einer Digitalkamera auf und bearbeiten die Bilder mit einer Bildbearbeitungssoftware. führen eine Internetrecherche zum Thema durch. Empfehlenswert sind die Messgeräte ME 3030B oder ME3830B von GIGAHERTZ SOLUTIONS. Der Frequenzbereich geht beim ME 3030B von 16 Hz bis 2 kHz und beim ME 3830B von 5 Hz bis 100 kHz. Mit beiden Messgeräten lassen sich die Wechselfelder der Deutschen Bahn messen. Die Felder der Oberleitungen haben eine Frequenz von 16 2/3 Hz und reichen oft hunderte Meter weit. Handys senden hochfrequente elektromagnetische Strahlung aus, die sich nur mit teuren Messgeräten zufriedenstellend messen lässt. Die Durchführung der Messungen ist anspruchsvoll und wird von Experten durchgeführt. Hochfrequente Frequenzen eignen sich weniger für unterrichtliche Experimente. Im technischen Experiment sollen die elektrische Feldstärke und die magnetische Flussdichte verschiedener niederfrequenter Feldquellen gemessen werden. Parameter ist für jede Messreihe der Abstand vom Elektrosmog-Messgerät zur Feldquelle. Die Schülerinnen und Schüler führen die Messungen in Gruppen durch. Feldquellen innerhalb von Gebäuden Stereoanlage Radiowecker Computer Fernseher Babyphone elektrische Küchengeräte Installationsleitungen et cetera Feldquellen außerhalb von Gebäuden Hochspannungsleitungen Bahnstrom Ortsnetztransformatoren Umspannwerke et cetera Mit dem Messgerät ME 3030B von GIGAHERTZ SOLUTIONS kann für das untere Frequenzband überprüft werden, ob Computer-Bildschirme TCO '99 konform sind. Das untere Frequenzband geht von 5 Hz bis 2 kHz und deckt sich damit fast mit dem des Messgeräts. Der Messfehler aufgrund der Abweichung des Spektrums ist gering. Die TCO-Norm erlaubt für das untere Frequenzband eine elektrische Feldstärke von maximal 10 V/m und für die magnetische Flussdichte 200 nT. Es ist in einem Abstand von 30 cm zum Bildschirm zu messen. Denkbar sind auch Messungen, die Felder von Leuchtmitteln miteinander vergleichen. Gewählt werden Glühlampen, Leuchtstoffröhren, Energiesparlampen, Niedervolt-Halogenlampen und Hochvolt-Halogenlampen. Bei der Messung von Feldern einzelner Feldquellen ist die allgemeine Belastung durch andere Feldquellen (Installationsleitungen, elektrische Geräte im Nachbarzimmer, Hochspannungsleitungen, et cetera) zu berücksichtigen. Dies gilt vor allem für Magnetfelder. Zunächst wird an dem jeweiligen Messort die magnetische Flussdichte bei eingeschaltetem Gerät gemessen. Das Messgerät wird in verschiedene Richtungen ausgerichtet. Es wird diejenige Ausrichtung ermittelt, bei der der höchste Messwert angezeigt wird. Anschließend wird das Gerät ausgeschaltet und die durch die Umgebung verursachte magnetische Flussdichte gemessen. Dabei wird das Messgerät in die gleiche Richtung ausgerichtet, in die vorher bei der Messung mit eingeschaltetem Gerät der höchste Wert angezeigt wurde. Bei der erdbezogenen Messung der elektrischen Feldstärke wird eine Verzerrung des Feldes bewusst in Kauf genommen. Die Messverhältnisse entsprechen der realen Situation, dass sich eine Person im elektrischen Feld befindet und dieses verzerrt. Die TCO-Norm und der Standard der baubiologischen Messtechnik schreiben erdbezogene Messungen vor. Um bei der Messung der elektrischen Feldstärke brauchbare Messergebnisse zu erhalten, darf das Messgerät nicht näher als 10 cm an die Feldquelle herangeführt werden. Außerdem ist ein Abstand von mindestens 10 cm zu Gegenständen wie Bettgestell, Matratze, Kissen oder Wand einzuhalten. Auf keinen Fall sollten die Schülerinnen und Schüler die Krokoklemme des Erdungskabels an den Schutzkontakt der Steckdose anbringen. Es besteht die Gefahr eines Unfalls durch elektrischen Strom. Zur Vermeidung eines Unfalls sollten die Schülerinnen und Schüler über die Gefahren des elektrischen Stroms aufgeklärt werden und der Anschluss der Krokoklemme an den Schutzkontakt der Steckdose untersagt werden. Die Lehrkraft sollte stets den Überblick über alle Gruppen haben. Zur Erdung eignen sich metallische Wasser-, Gas-, oder Heizkörperrohre. GIGAHERTZ SOLUTIONS bietet als optionales Zubehör Erdungsklammern zur Befestigung an den Rohren an. Die Gruppen protokollieren ihre Messungen. Von der Versuchsanordnung werden mit einer Digitalkamera Fotos aufgenommen. Durch die Protokollierung kann das Experiment reproduziert und nachträglich analysiert werden. In der Auswertungsphase vergleichen die Gruppen ihre Ergebnisse mit Grenzwerten. Die deutsche Elektrosmog-Verordnung von 1997 erlaubt elektrische Feldstärken von 5.000 V/m und magnetische Flussdichten von 100.000 nT. Diese übersteigen um das 500fache die inzwischen weltweit akzeptierte TCO-Norm für Computer-Bildschirme. Die Schülerinnen und Schüler vergleichen ihre Ergebnisse für alle Feldquellen daher mit der TCO-Norm, die in einem Abstand von 30 Zentimetern nur elektrische Feldstärken bis 10 V/m und magnetische Flussdichten bis 200 nT zulässt. Diese Grenzwerte gelten für das untere Frequenzband von 5 Hz bis 2 kHz. Es wird ersichtlich, dass die elektrische Feldstärke und die magnetische Flussdichte mit dem Abstand zur Feldquelle abnehmen. Ein weiteres wichtiges Ergebnis ist, dass im niederfrequenten Bereich magnetische Felder durch Ströme und elektrische Felder durch elektrische Spannungen erzeugt werden. Die Gruppen leiten aus den Messergebnissen Maßnahmen zur Reduzierung der Felder ab. Die Messung von Elektrosmog eignet sich auch als Geschäftsidee für eine Schülerfirma: Den Angehörigen der Schule können Elektrosmog-Messungen in den Wohnungen mit entsprechenden Maßnahmen zur Reduzierung des Elektrosmogs angeboten werden.

In dieser Unterrichtseinheit lernen die Schülerinnen und Schüler die Solarenergie kennen und wie diese genutzt werden kann, um Strom für den Verbrauch auf der Erde zu erzeugen. Solarenergie wird oft für Raumfahrtmissionen genutzt, da sie die einzige Energiequelle ist, die nicht mit dem Raumschiff gestartet werden muss und das Raumschiff mehrere Jahre lang mit Strom versorgen kann. In dieser Unterrichtseinheit lernen die Schülerinnen und Schüler zwei physikalische Gesetze kennen, die das Design von Solarmodulen für Raumfahrtmissionen beeinflussen: das Abstandsgesetz (auch reziprokes Quadratgesetz oder quadratisches Entfernungsgesetz) und den Einfallswinkel. Die Lernenden führen zwei einfache Untersuchungen mit einer Photovoltaikzelle (Solarzelle) und einer Lichtquelle durch. Zuerst messen sie, wie sich die von den Solarzellen erzeugte Leistung mit der Entfernung von der Lichtquelle ändert und versuchen, das Abstandsgesetz für die Strahlungsintensität experimentell zu ermitteln. Die Lernenden führen dann ein zweites Experiment durch, um die Abhängigkeit der Leistung der Solarzelle vom Einfallswinkel zu untersuchen. Schließlich werden sie diese Konzepte auf echte ESA-Raumfahrtmissionen anwenden. Die Schülerinnen und Schüler erkennen in dieser Unterrichtseinheit den Nutzen von Solarenergie und verstehen die Abläufe, die bei der Umwandlung von Lichtenergie in Strom stattfinden. Dabei wird die Bedeutung des Einfallwinkels der Sonneneinstrahlung behandelt und wie deren Intensität zu berechnen wird. Anschließend wird der Aufbau und die Funktionsweise einer Solarzelle behandelt. Um das Erlernte zu verinnerlichen und anzuwenden, werden daraufhin Experimente zu den Themen Abstandsgesetz und Einfallswinkel durchgeführt. Zudem werden eigene Stromkreisläufe mit Solarzellen gebaut. Dabei machen sich die Schülerinnen und Schüler sich mit der elektrischen Spannung, der Stromstärke, der Leistung und der Strahlungsintensität vertraut. Zuletzt werden die Anforderungen an die Solarenergie in der praktischen Anwendung bei Weltraummissionen untersucht. Altersgruppe: 14-18 Jahre Schwierigkeitsgrad: mittel Vorbereitungszeit: Eine Stunde Kosten: gering Die Schülerinnen und Schüler verstehen, was Strahlungsintensität ist und lernen sie zu berechnen. erfahren den Aufbau und die Funktionsweise von Solarzellen. lernen die Bedeutung des Einfallswinkels kennen und führen Experimente dazu durch. führen Experimente zum Abstandsgesetz durch. analysieren Daten und stellen diese graphisch dar. bauen und gestalten eigene Stromkreise mit Solarzellen. machen sich mit der elektrischen Spannung, der Stromstärke, der Leistung und der Strahlungsintensität vertraut. untersuchen die Anforderungen an Solarenergie bei ihrem Einsatz bei Weltallmissionen.

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 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.

In dieser Unterrichtseinheit wird anschaulich gezeigt, dass die Struktur aller Schwingungen in den meisten Fällen sehr gut mit der von mechanischen Schwingungen verglichen werden kann. Egal, ob es sich um Feder- oder Pendelschwingungen, Wasserwellen oder elektromagnetische Schwingungen handelt – sie folgen alle den gleichen Abläufen. Ausgehend von Grundkenntnissen zu den Gesetzmäßigkeiten, mit denen der Kondensator und die Spule im elektrischen Stromkreis beschrieben werden, soll ein einfacher elektromagnetischer Schwingkreis mit einem harmonischen mechanischen Federpendel verglichen werden. Die entsprechenden Zusammenhänge werden mithilfe von Zeichnungen grafisch dargestellt und anschließend mathematisch anhand der zugehörigen Gleichungen ausgewertet. So kann sehr anschaulich gezeigt werden, dass beide Schwingungsarten strukturell identischen Gesetzmäßigkeiten folgen. Mit dieser Unterrichtseinheit werden den Lernenden die Gesetze und Zusammenhänge zwischen den einzelnen physikalischen Teilbereichen – wie etwa zwischen Mechanik und elektrischem Stromkreis – vorgestellt. Eine tiefergreifende Auseinandersetzung mit dieser Thematik bleibt auf jeden Fall der Kursphase der Sekundarstufe II vorbehalten. Die Aufgaben werden in Einzel- und Gruppenarbeit erledigt, um auch die Teamarbeit zu fördern. Die Darstellung der Vorgänge wird grafisch auf einem Arbeitsblatt dargestellt, außerdem werden zur Veranschaulichung praktische Versuche im Unterricht durchgeführt. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wissen um die vielfältigen Zusammenhänge von mechanischen und elektromagnetischen Schwingungen. können die für die Beschreibung beider Schwingungen notwendigen Gleichungen herleiten. kennen die Gemeinsamkeiten beider Schwingungsarten und können die unterschiedlichen Größen der jeweiligen Schwingungen miteinander vergleichen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren selbständig Fakten und Hintergründe im Internet. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen durch Paar- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. müssen sich mit den Ergebnissen anderer Gruppen auseinandersetzen und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen. erwerben eine gewisse Fachkompetenz, um mit anderen Lernenden, Eltern und Freunden diskutieren zu können.

Der Ausbau erneuerbarer Energien macht gleichzeitig auch die Weiterentwicklung von Speichertechnologien notwendig, da Stromproduktion und Stromnachfrage im Zeitverlauf schwanken. Gerade beim Thema Erneuerbare Energien spielen Speichertechnologien eine bedeutsame Rolle. Denn häufig ist die Menge der Stromproduktion aus Solar- oder Windkraft nicht genau vorhersehbar und entspricht nicht immer der Nachfrage. Speichertechnologien sind aus diesem wichtig, um überschüssigen Strom (beispielsweise bei starkem Wind) zwischenzuspeichern und in Zeiten höherer Nachfrage in das Netz einzuspeisen. Ohne sie erscheint ein weiterer Ausbau Erneuerbarer Energien kaum denkbar. Ziel dieser Unterrichtseinheit ist es, den Schülerinnen und Schülern zu vermitteln, dass der Ausbau erneuerbarer Energien ebenso eine parallele Weiterentwicklung von Möglichkeiten zur Energiespeicherung erfordert. Die Lernenden sollen im Internet verschiedene Speicherformen und ihre Funktionsweise recherchieren und die Ergebnisse dann im Plenum präsentieren. Energiespeicher in Stromversorgungssystemen Der Text des VDE bietet zusammenfassende Informationen zu verschiedenen Formen von Energiespeichern und kann als Ausgangsbasis für die Internetrecherche dienen. Die Schülerinnen und Schüler sollen lernen, dass Stromversorgungssysteme mit einem hohen Anteil an regenerativen Energien wie Solar- oder Windkraft aufgrund des schwankenden Angebots Energiespeicher benötigen. im Internet Informationen zu Energiespeichern recherchieren und dabei verschiedene Energieformen unterscheiden (mechanisch, chemisch). in Partner- oder Gruppenarbeit das Funktionsprinzip einzelner Speichertechnologien genauer erarbeiten. ihre Ergebnisse den Mitschülerinnen und Mitschülern in geeigneter Form präsentieren. Thema Energiespeicher in Stromversorgungssystemen Autor Antje Schmidt Fach Physik, Technik Zielgruppe Klasse 8 bis 10 Zeitraum 2-3 Stunden Technische Voraussetzungen Computer mit Internetzugang (im Idealfall ein Computer für 2 Personen) In einem Stromversorgungsnetz muss die erzeugte Leistung zu jeder Zeit dem Bedarf entsprechen. Insbesondere die meisten erneuerbaren Energien (Wind, Sonne, Laufwasser) sind jedoch nicht gleichmäßig verfügbar. Zudem werden keine Vorräte gebildet, und sie sind in ihrer Intensität im Voraus nicht exakt planbar. Daher stellt sich die Herausforderung, wie mit Schwankungen zwischen Stromangebot und -nachfrage umzugehen ist. Erforderlich sind flexible Lösungen, die kurzfristig Ausgleich schaffen können. Geplant ist der Ausbau erneuerbarer Energien bis 2020 auf bis zu 40 % der gesamten Stromerzeugung. Dies kann bei einem Überangebot (zum Beispiel bei Starkwind) dazu führen, dass thermische Kraftwerke zum Ausgleich gedrosselt oder abgeschaltet werden müssen, da erneuerbare Energien als CO 2 -freie Energiequelle Vorrang haben. Wenn solche thermischen Kraftwerke nur im Teillastbetrieb laufen, erhöhen sich der Verschleiß und die Aufwendungen für Wartung und Instandhaltung. Insgesamt sind dadurch steigende Stromerzeugungskosten zu erwarten. Ideal wäre es daher, Speichermöglichkeiten für Strom aus erneuerbaren Energiequellen zu haben, um den Strom dann abzurufen, wenn er gebraucht wird und Angebotsschwankungen abzufedern. Solche Energiespeicher können einen Überschuss an erzeugter Energie für einige Tage oder Wochen zwischenspeichern. Prinzipiell sind solche Technologien verfügbar, jedoch sind bis zur Marktreife noch hohe Investitionen für Forschung und Entwicklung erforderlich. Im Folgenden werden einige Speichertechnologien vorgestellt. Diese Wasserkraftwerke verbinden zwei Wasserbecken unterschiedlicher Höhe. Ist das Angebot an elektrischer Energie größer als die Nachfrage (in der Regel nachts), kann der Überschuss an Energie genutzt werden, um Wasser aus dem unteren Becken in das obere Becken zu pumpen. Bei Bedarf lässt man das Wasser zurück in das untere Becken fließen und so eine Turbine antreiben. Der mit der Turbine verbundene Motor-Generator kann dann die gespeicherte Energie wieder in Elektrizität wandeln und in das Stromnetz einspeisen. Der Wirkungsgrad liegt derzeit im Bereich 70 bis 80 %, da zum Hochpumpen mehr Energie benötigt wird als beim Herunterfließen des Wassers wieder gewonnen werden kann. Im Vergleich zu anderen Speichertechnologien ist die Leistung deutlich höher und die Generatoren können etwa 4 bis 8 Stunden Strom erzeugen. Pumpspeicher sind jedoch an bestimmte topografische Voraussetzungen gebunden. Abgesehen von den Landschaftseingriffen beim Bau solcher Anlagen sind geeignete Standorte in der Regel zu weit entfernt von Gebieten mit hohem Windpotenzial wie Küstengegenden. Diese auch als CAES-Kraftwerke bezeichneten Energiespeicher (CAES = Compressed Air Energy Storage) arbeiten nach dem Prinzip, ein Luftreservoir in einer unterirdischen Kaverne (meist ein ausgehöhlter Salzstock) zu verdichten. In Spitzenzeiten wird die so gespeicherte Energie zum Antrieb von Gasturbinen genutzt, indem man die komprimierte Luft sich wieder ausdehnen lässt. Eine solche Anlage dient im Wesentlichen zur Netzregelung, da sie zur Abfederung von Spitzenlasten eingesetzt wird. Ein wichtiges Merkmal ist die Fähigkeit, das ein solches Werk schnell gestartet werden kann (innerhalb von Minuten stehen 100 % der Leistung zur Verfügung). Weltweit gibt es derzeit zwei diabate CAES-Anlagen, davon eine in den USA und eine in Deutschland. Die deutsche Anlage in norddeutschen Huntorf hat die Aufgabe, Strom in Schwachlastzeiten vom Kernkraftwerk Unterweser zwischenzuspeichern. Daneben sichert sie die Stromversorgung des Kernkraftwerks im Fall eines Netzzusammenbruchs ab. Druckluftspeicher sind an bestimmte geologische Voraussetzungen gebunden (Salzstöcke), die in Norddeutschland häufig vorkommen. Damit können sie als Speicher für den weiteren Ausbau von Windkraftanlagen in der Nordsee dienen und zukünftig eine größere Bedeutung erlangen. Um elektrische Energie über längere Zeit zu speichern (mehrere Tage bis Wochen), kommen Systeme infrage, die Wasserstoff als Energieträger nutzen. Dazu wird mithilfe von Elektrolyse überschüssige elektrische Energie in Wasserstoff gewandelt, der dann verdichtet und in unterirdischen Kavernen gespeichert werden kann. Somit bieten insbesondere Wasserstoffspeicher die technische Möglichkeit, fluktuierende erneuerbare Energiequellen wie Sonne und Wind bei Bedarf auszugleichen. Aufgrund der höheren Energiedichte kann mit Wasserstoff in Kavernen im Vergleich zu Druckluftspeichern die 60-fache Nutz-Energiemenge gespeichert werden. Wasserstoff-Speichersysteme bieten zwei Vorteile: zum einen eignen sie sich für Szenarien, bei denen die Energie relativ selten, das heißt im Schnitt weniger als einmal pro Woche, benötigt wird. Zum anderen muss der Wasserstoff nicht zwingend in elektrische Energie zurückgewandelt werden, sondern es ist auch eine direkte Nutzung des Wasserstoffs etwa als Fahrzeugantrieb (Brennstoffzellen) oder in der industriellen Produktion denkbar. Grob lassen sich elektrochemische Speicher in zwei Gruppen einteilen: mit internem und mit externem Speicher. Zur ersten Gruppe zählen übliche Batterien für tragbare Geräte wie Laptops, Handys oder MP3-Player. In diesen Systemen wird die Energie dort gespeichert, wo auch die elektrochemische Reaktion stattfindet. Bei Systemen mit externem Speicher kann das Speichermedium getrennt der Reaktionseinheit gelagert werden, beide können unabhängig voneinander dimensioniert werden. Blei-Säure-Akkumulatoren Sie finden derzeit die größte Verwendung. Genutzt werden sie als Starterbatterien in Verbrennungsmotoren, als Traktionsbatterien in Elektrofahrzeugen sowie für die Notstromversorgung. Im Bereich erneuerbare Energien dienen Blei-Säure-Akkumulatoren als Zwischenspeicher für Photovoltaik- oder Windkraftanlagen. Lithium-Ionen-Batterien Schon seit einiger Zeit werden Lithium-Batterien erfolgreich in Laptops und Handys als Energiespeicher genutzt. Ihr Vorteil liegt in einer geringen Selbstentladungsrate und einer hohen Energiedichte. Sie gelten auch als vielversprechend für Elektrofahrzeuge (siehe auch Energiespeicherung im Verkehrssektor). Redox-Flow-Batterien Zur Langzeitspeicherung oder Spannungsregulierung bieten sich Redox-Flow-Batterien an. Da hier das Seichermedium getrennt von der Umwandlungseinheit ist, kann die Energiemenge flexibel dimensioniert werden. In zwei Tanks werden die Flüssigkeiten, bestehend aus in flüssigen Elektrolyten gelösten Salzen, getrennt gelagert. Bei Bedarf werden die Flüssigkeiten mittels Pumpen der zentralen Reaktionseinheit für den Lade- oder Entladeprozess zugeführt. Diese Batterien haben den Vorteil, dass sie sich praktisch nicht entladen und daher sehr lange Energie speichern können. Für die zukünftige Entwicklung des Verkehrssektors werden erneuerbare Energien eine zunehmende Bedeutung haben. Viele Autokonzerne bringen derzeit Elektrofahrzeuge auf den Markt. Man unterscheidet drei Varianten: Hybridfahrzeug (HEV) Diese Fahrzeugart besitzt einen Speicher von etwa 1 kWh und lädt diesen nur während der Fahrt auf. Mithilfe des Elektroantriebs lässt sich eine Einsparung von Kraftstoff von bis zum 20% erzielen. Plug-in Hybrid (PEHV) Hier handelt es sich um ein Kraftfahrzeug mit Hybridantrieb, dessen Elektroantrieb über eine Steckdose geladen werden kann. Der Speicher ist größer als bei einem reinen Hybridfahrzeug und enthält 5 bis 10 kWh. Die Reichweite des Elektromotors beträgt 30 bis 70 km, bei längeren Strecken erfolgt der Antrieb über Kraftstoff wie Benzin, Erdgas oder auch Biokraftstoffe. Elektrofahrzeug (EV) Ein reines Elektrofahrzeug hat derzeit eine Reichweite von 100 bis 300 km bei einem Speicher von 14 bis 40 kWh. Auch hier lässt sich die Batterie über Steckdosen gewöhnlicher Hausanschlüsse laden. Zeiten, in denen das Fahrzeug nicht benötigt wird, zum Beispiel während der Arbeitszeit oder in den Nachtstunden, können zum Aufladen genutzt werden. Als geeignete Speichertechnologie erweist sich dabei vorzugsweise die Lithium-Ionen-Batterie, da sie eine hohe Energiedichte besitzt. Viele der genannten Speichersysteme weisen ein erhebliches Entwicklungspotenzial auf. Teilweise ist noch Forschungs- und Entwicklungsarbeit notwendig, um die erforderliche Marktreife zu erreichen. Insbesondere die Batterieentwicklung als eine Schlüsseltechnologie für Elektrofahrzeuge wird eine große Rolle spielen. Bedeutsam für die Etablierung von Speichersystemen allgemein sind zudem planbare energiewirtschaftliche Rahmenbedingungen, wie sie beispielsweise Anreizsysteme bieten. Parallel zum Einsatz von Energiespeichern ist der Ausbau der Netzkapazitäten erforderlich, um die Menge an erzeugtem Strom durch regenerative Energieträger über lange Distanzen zu übertragen und lokale Netzengpässe zu entspannen. Der Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V. (VDE) hat im Jahr 2008 eine Studie veröffentlicht zum Thema "Energiespeicher in Stromversorgungssystemen". In ausführlicher Form behandelt die Studie die verschiedenen Energiespeicher und ihre Rolle bei der Entkoppelung von Angebot und Bedarf an elektrischer Energie. Interessierte Lehrkräfte können die Studie direkt beim VDE bestellen (250 Euro für Nichtmitglieder): VDE Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V. Stresemannallee 15 60596 Frankfurt am Main service@vde.com

In dieser Unterrichtseinheit wird Schülerinnen und Schülern gezeigt, wie durch Windkraftanlagen die kinetische Energie des Windes in mechanische Arbeit umgewandelt wird, bevor daraus mithilfe von Generatoren elektrischer Strom erzeugt wird. Sie sollen dabei verstehen lernen, dass aus physikalischen Gründen maximal bis zu 59 Prozent der kinetischen Energie des Windes nutzbar sind, wodurch Windenergie einen sehr bedeutenden Beitrag zur klimafreundlichen Nutzung erneuerbarer Energien leisten kann. Windkraftanlagen können in allen Klimazonen genutzt werden – an Land (Onshore) und in Offshore-Windparks im Küstenbereich der Meere.Anhand von anschaulichen Abbildungen oder Animationen, beispielsweise aus dem Info-Artikel "Wie funktioniert eine Windkraftanlage?" , oder mithilfe zusätzlicher Videos werden die Lernenden in Bau- und Funktionsweise der heute gebräuchlichen Windkraftanlagen eingeführt. Ganz wesentlich für das Verständnis solcher Anlagen ist dabei das Auftriebsprinzip, mit dem die an den Rotorblättern vorbeiströmende Luft dafür sorgt, dass sich die Rotorblätter drehen können. Angelehnt an dieselben Gesetzmäßigkeiten wie bei einem Flugzeugflügel erkennen die Schülerinnen und Schüler, dass dafür eine spezielle Form der Rotorblätter nötig ist – nämlich eine gewölbte Bauform, bei der sich durch die unterschiedlich schnell vorbeiströmende Luft oberhalb und unterhalb des Rotorblattes ein Unter- beziehungsweise Überdruck ergibt, der zum Auftrieb führt. Einordnung Windenergie wurde früher in Form von Windmühlen zum Mahlen von Getreide, Pressen von Oliven oder zum Sägen von Holz benutzt. Heute dient die Windenergie nahezu ausschließlich zur Erzeugung von Strom und hat als klimafreundliche Energiequelle bereits einen Anteil von rund 25 Prozent am Stromverbrauch Deutschlands erreicht. Ihr großer Vorteil liegt darin, dass Windkraftanlagen unabhängig sind von Klimazonen und sowohl an Land als sogenannte Onshore-Anlagen als auch auf dem küstennahen Meer als Offshore-Anlagen Tag und Nacht – bei entsprechendem Wind – betrieben werden können. Vorkenntnisse Windkraftanlagen kennt heute jedes Kind – die Funktionsweise der Übertragung der Windenergie auf die Rotorblätter und die physikalischen Gegebenheiten zur optimalen Ausnutzung dieser Energieform dürften allerdings bei Schülerinnen und Schülern als Vorkenntnisse kaum vorhanden sein. Didaktische Analyse Allein die Bedeutung der Windenergie für die dringend notwendige Verbesserung des Weltklimas sollte bei der Behandlung des Themas auf großes Interesse der Lernenden stoßen – hängt davon doch ganz wesentlich die Lebensqualität von künftigen Generationen ab. Deshalb sollte man zusammen mit der physikalischen Bearbeitung des Themas auch Zeit für Diskussion einplanen. Methodische Analyse Die Herleitung der physikalischen Formeln, die das Umwandeln der kinetischen Energie des Windes in elektrischen Strom beschreiben, sollte mit den mathematischen Kenntnissen der Sekundarstufe I gut machbar sein. Die Schülerinnen und Schüler lernen dabei – einmal mehr – physikalische Inhalte zu verstehen, die bei der Meinungsbildung in Hinblick auf die Energieerzeugung im 21. Jahrhundert von großer Wichtigkeit sind. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler können Bau und Funktion von Windkraftanlagen beschreiben und erläutern. kennen die Gesetzmäßigkeiten bei der Umwandlung von Wind in Strom. wissen um die Bedeutung der Windenergie als erneuerbare Energieform für das Weltklima. 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. müssen sich mit den Ergebnissen anderer Gruppen auseinandersetzen und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen. erwerben eine gewisse Fachkompetenz, um mit anderen Lernenden, Eltern und Freunden diskutieren zu können.