Der Batterieturm – Einführung der Stromkreise

Dieser Fachartikel zum Thema Elektrik beschäftigt sich mit dem Batterieturm zur anschaulichen Darstellung und Erstbegegnung mit elektrischer Spannung. Neben Größenvorstellungen wird ein Kontext hergestellt, der die Lernenden motiviert, mitzudenken und handeln zu lassen. Der Artikel wird im Kontext des von der Deutsche Telekom Stiftung geförderten Programms "Junior-Ingenieur-Akademie" in gekürzter Form veröffentlicht.

Im Zeitalter der Digitalisierung werden Systeme und Prozesse immer abstrakter und weniger durchschaubar. Selbst Personen, die den Weg der Entwicklung vom Transistor über die Logikschaltkreise zum Mikroprozessor begleiten konnten, haben heute nur einen partiellen Einblick in die moderne Mikrorechentechnik. Doch wie müssen sich junge Menschen fühlen, für die schon als Kleinkinder Spielkonsolen und Smartphones ganz selbstverständlich sind? Für sie muss die Technikwelt geradezu magisch wirken. Fehlende technisch-naturwissenschaftliche Grundlagen geben ihnen nämlich nur eine geringe Chance der Teilhabe, um technische Prozesse mitzugestalten.

Batterieturm mit Glühlampe
Abbildung 1: Batterieturm mit Glühlampe; © Volker Torgau

Der Batterieturm

Der Batterieturm ermöglicht die Begriffe Spannung, Potential und Polarität besser zu erfassen und "begreifbar" zu machen. Er wird erstmalig im Anfangsunterricht und dann später in höheren Klassenstufen immer wieder eingesetzt, um Grundlagen anschaulich zu vermitteln. In verschiedenen Bauformen kann die Anzahl der Monozellen sowie deren Kapazität variiert werden. Durch den Batterieturm wird deutlich, wie mit Erhöhung der Batteriezahl die Lampe immer heller wird. So wird mit einer Monozelle erst ein Glimmen der Lampe erreicht. Mit zunehmender Zellenzahl wird die Lampe immer heller, bis (je nach Zellenzahl und Spannungsfestigkeit der Lampe) ein grelles Licht erzeugt wird, was viele Lernende fasziniert. Diese Faszination gilt es zu nähren und nur in kleinen Schritten mit vielen Experimenten in das Gebiet der Elektrotechnik einzuführen. Nachfolgend werden Vermittlungsschritte präsentiert, die bereits erfolgreich zur Einführung des Batterieturms erprobt wurden.

Abhängigkeit der Spannung von der Höhe des Batterieturms
Abbildung 2: Abhängigkeit der Spannung von der Höhe des Batterieturms; © Volker Torgau

Grundverständnis aufbauen

Zunächst wird die Lampe mit dem unteren Pol des Turmes verbunden. Dann wird der zweite Anschluss der Lampe Schritt für Schritt an den nächsthöheren Kontakt (siehe Abbildung 2) des Batterieturms getastet. Die Lernenden beobachten und äußern anschließend Vermutungen.

Es wird auf den Aufdruck der Monozelle (1,5 V) hingewiesen und erwähnt, dass dies ein Maß für die Spannung der Monozelle ist. Weiterhin können Spannungen addiert werden, wenn die Monozellen übereinandergestapelt (in Reihe geschaltet) sind. Die Abhängigkeit von der Spannung wird mit weiteren Monozellenkombinationen bewiesen, indem von oben nach unten die Zellenzahl erhöht wird oder auch nur die mittleren Zellen angeschlossen werden.

Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstärke wird anschaulich erklärt. Eine verbrauchte Batterie besitzt keine Spannung und kann keinen Strom (Fluss von Elektronen) antreiben. Eine höhere Spannung übt mehr Antrieb auf die Elektronen aus. Die Stromstärke steigt, was an der Helligkeit der Lampe ersichtlich ist.

Um auch die weitere Wirkung des Stromflusses zu zeigen, wird die Erwärmung der Glühlampe festgestellt. Ein Motor zeigt die magnetische Wirkung in Form von Drehbewegungen des Rotors. Um die Polarität des Stromes anhand der Drehrichtung zu demonstrieren, wird ein Anschluss des Motors auf die Mitte des Batterieturms gelegt und mit dem anderen Anschluss nach oben oder unten getastet. Dazu kann auch eine Leuchtdiode genutzt werden, die dann nur in Flussrichtung leuchtet.

Schaltzeichen
Abbildung 3: Schaltzeichen; © Volker Torgau

Erst jetzt werden die Schaltzeichen eingeführt und der Stromkreis wird mit einem Schalter ergänzt. Mit Öffnen des Stromkreises wird der Stromfluss unterbrochen und die Lampe erlischt. Als nächstes bietet es sich an, die Unterscheidung von Leitern und Nichtleitern zu untersuchen. Dazu wird der Turm als Leitungsprüfer genutzt. 

Um die Spannung mit der Stapelhöhe des Batterieturms zu vergleichen, sollten möglichst D Zellen (R20) verwendet werden. Sie sind circa 6 cm hoch. Die höchstzulässige Berührungsspannung von 42 V ergibt mit 28 Monozellen schon eine Höhe von 1,68 m. Die Netzspannung ergibt bei 153 Zellen eine beachtliche Höhe von 9,2 m.

Verschiedene Batterietürme
Abbildung 4: Verschiedene Batterietürme; © Volker Torgau

Beim mehrmaligen Bau der Batterietürme konnten merkwürdige Batteriemassen festgestellt werden. Es ließ sich ein Betrug der Füllmenge vermuten. Durch diese Anregung entstanden nun auch Batterietürme mit anderen Batteriegrößen. Interessanterweise vermuteten die Schülerinnen und Schüler, dass die Helligkeit der Lampe auch vom Batterievolumen abhängt. Das würde bedeuten, dass die dicken Monozellen mehr "Strom" liefern. Die Vermutung ist gar nicht so falsch, bezieht sich aber auf die elektrische Arbeit (gespeicherte elektrische Energie in Form von chemischen Reaktionspartnern). Doch die Helligkeit ist nur von der Spannung – also der Zellenzahl – abhängig (abgesehen vom inneren Widerstand).

Ausblick

Im späteren Unterricht wird der Batterieturm im Analogievergleich bei der Einführung der Induktion genutzt. Die Windungszahl steigt auch nach oben an und es kann auf Teilspannungen geschlossen werden. In der Praxis sind die Wicklungen natürlich auch lagenweise ausgeführt.

Literaturverzeichnis

Torgau, Volker (2020). "Der Batterieturm – ein mächtiges Werkzeug für den Anfangsunterricht". In: Schönwitz, Harald. Praxisheft 30. Grünhainichen: praxisheft@aatis.de, S. 34 bis 37.

Material "Batterieturm" zum Download

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Volker Torgau

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