Das elektrische Messen nichtelektrischer Messgrößen hat mittlerweile so starke Verbreitung erlangt, dass es derart alltäglich scheint, dass dem Einen oder Anderen2 sicherlich nicht sofort unzählige Anwendungen in den Sinn kommen, würde man danach fragen. Doch sei es in der Fahrzeugtechnik (Geschwindigkeitsmessung, Temperaturmessung des Motors und so weiter), beim Sport (Tiefen- und Höhenmessung beim Tauchen oder Bergsteigen oder Geschwindigkeitsmessungen in der Leichtathletik und anderen Sportarten) oder im Haushalt (Temperaturmessung mittels üblichem Thermometer, Touchscreens bei Smartphones und so weiter), um hier nur ein paar Beispiele aufzuführen, die Thematik ist in Wissenschaft, Technik, Forschung und auch Alltag allgegenwärtig, wie auch Herr Schubert bereits herausgestellt hat. Sicherlich gibt es im Rahmen der Veranstaltung „physikalische Schulexperimente III“ andere Themengebiete, die eine hohe Bedeutung besitzen, doch ist kaum vorstellbar, dass, auch aufgrund des auf den ersten Blick verwirrend klingenden Titels, ein Thema, oberflächlich betrachtet, so in seiner Bedeutung unterschätzt wird, wie dieses.
Inhaltsverzeichnis:
I. Einführung
II. Hauptteil/gewählte Vorgehensweise
II.I Prinzip der Temperaturmessung über den Widerstand eines Halbleiters
II.II Dämmerungsschalter mit Transistor, bei dem bei Dunkelheit das Licht eingeschaltet wird
II.III Bestimmen der Füllstandshöhe durch Messung der Ka- pazität eines Plattenkondensators
III. Schluss/Fazit
IV. Eidesstattliche Erklärung
V. Abbildungsverzeichnis
VI. Anhang
VII. Literatur
I. Einführung
„Die Entwicklung von Technik und Naturwissenschaften ist ohne den Einsatz des elektrischen Messens nichtelektrischer Größen undenkbar. Diese Meßtechnik [sic!] wird in unterschiedlichen Bereichen wie Forschung, Entwicklung, Erprobung, Prüfung, Produktionsüberwachung sowie in Steuerungs- und Regelungsanlagen angewandt.“[1]
Herr Schubert stellt bereits in den ersten zwei Sätzen seines Aufsatzes nicht nur Einsatzmöglichkeiten des hier zu behandelnden Themengebietes dar, sondern gibt damit auch gleich einen Hinweis darauf, welcher außerordentlichen Bedeutung die Betrachtungen und Überlegungen zum Thema zu kommen. Das elektrische Messen nichtelektrischer Messgrößen hat mittlerweile so starke Verbreitung erlangt, dass es derart alltäglich scheint, dass dem Einen oder Anderen[2] sicherlich nicht sofort unzählige Anwendungen in den Sinn kommen, würde man danach fragen. Doch sei es in der Fahrzeugtechnik (Geschwindigkeitsmessung, Temperaturmessung des Motors und so weiter), beim Sport (Tiefen- und Höhenmessung beim Tauchen oder Bergsteigen oder Geschwindigkeitsmessungen in der Leichtathletik und anderen Sportarten) oder im Haushalt (Temperaturmessung mittels üblichem Thermometer, Touchscreens bei Smartphones und so weiter), um hier nur ein paar Beispiele aufzuführen, die Thematik ist in Wissenschaft, Technik, Forschung und auch Alltag allgegenwärtig, wie auch Herr Schubert bereits herausgestellt hat. Sicherlich gibt es im Rahmen der Veranstaltung „physikalische Schulexperimente III“ andere Themengebiete, die eine hohe Bedeutung besitzen, doch ist kaum vorstellbar, dass, auch aufgrund des auf den ersten Blick verwirrend klingenden Titels, ein Thema, oberflächlich betrachtet, so in seiner Bedeutung unterschätzt wird, wie dieses.
Nachdem versucht wurde den Stellenwert des Themas, natürlich durch den Beleg subjektiv beeinflusst, darzustellen, soll nun die ungefähre Zielsetzung dieser Arbeit aufgezeigt werden: Das Analysieren (unter anderem hinsichtlich der wissenschaftlichen und didaktischen Eignung), Beschreiben, Auswerten und Reflektieren dreier Experimente bezüglich ihres möglichen Einsatzes im schulischen Betrieb. Außerdem sollen, von wissenschaftlicher Seite, Erläuterungen der vorzustellenden Phänomene nicht ausbleiben und die Verknüpfung dieser zum Einsatz in der Schule hergestellt werden, was eine Analyse und „didaktische Reduktion“[3] in Bezug auf den Lehrplan voraussetzt. Diese Zielstellung klingt optimistisch und es wird sich zeigen, in wie weit vor allem in die Tiefe der Thematik vorgedrungen werden kann, da besonders die Themengebiete Transistor und Fotowiderstand, deren Aufbau und Funktionsweisen alleine schon Bücher füllen, sehr umfassend sind. Zunächst soll jedoch die genutzte Vorgehensweise vorgestellt werden, um die Strukturierung der Arbeit besser verstehen zu können.
II. Hauptteil/gewählte Vorgehensweise
Aufgrund der Kritiken bezüglich der teilweise fehlenden, klaren Strukturierung der Belege, wurde vom Autor ein Schema erarbeitet, welches hier kurz vorgestellt werden soll und welches als Anleitung zum Lesen der Arbeit dienen soll, um nicht nur den „roten Faden“ besser erkennen zu können, sondern auch die klare Strukturierung der genannten Analyse, Beschreibung, Auswertung und Reflexion garantieren soll. Das Schema soll bei allen drei Experimenten angewendet werden und besteht aus fünf Schritten, die sich wie folgt darstellen:
1. Kategorisierung des Experimentes und Festlegung der wissenschaftlichen und der didaktischen Zielsetzung
2. Versuchsaufbau und –durchführung beschreiben
In Schritt 2 soll klar herausgestellt werden, wie das Experiment aufgebaut und durchgeführt wurde. Weiterhin soll mittels Bildern und Abbildungen das Verständnis des Lesenden visuell unterstützt werden. Anhand von konkreten Messwerten und Messergebnissen (Welche Größen wurden unter welchen Bedingungen und Einstellungen gemessen?) soll die Beschreibung gestützt und die Auswertung und Verständlichkeit gefördert werden
3. Wissenschaftliche Beschreibung des Experimentes
In Schritt 3 sollen auf universitärem Niveau die Vorgänge, Gesetzmäßigkeiten und Phänomene beschrieben und deren Hintergründe erläutert werden. Dabei soll (zum Teil) auch das Wissen aus dem im Versuchskomplex vorgegebenen Aufgabenteil und dem Testat angewendet und eingebunden werden
4. Bezug auf die Schule
In Schritt 4 soll der Bezug zur schulischen Anwendung, einschließlich der schon angesprochenen „didaktischen Reduktion“[4], dargestellt werden. Es soll darauf eingegangen werden, welche Sachverhalte in welchem Maße vereinfacht werden und wie dies geschieht. Dazu soll der Lehrplanbezug hergestellt werden, welcher dieses Vorhaben vereinfacht. Zuletzt soll noch bezüglich möglicher Lernschwierigkeiten, zum Beispiel bei Begriffen, Sachverhalten, Problemen bei der Durchführung/Organisation, fehlendem Vorwissen oder ähnlichem, spekuliert werden
5. Auswertung/Reflexion des Experiments
In Schritt 5 soll eine Auswertung beziehungsweise Reflexion stattfinden in der dargelegt wird, ob sich das Experiment für die Anwendung in der Schule überhaupt eignet und ob es ohne größere Schwierigkeiten durchführbar ist (vor allem für Schüler). Außerdem soll reflektiert werden, ob die wissenschaftliche und didaktische Zielsetzung erreicht werden kann und an welchen Stellen es eventuell in der Umsetzung zu Problemen kommen kann. Zuletzt soll noch hervorgehoben werden, ob es spezielle Hinweise in der Anwendung geben muss/sollte, ob zum Beispiel auf bestimmte Dinge besonders geachtet werden muss oder ob/was für die Schüler vorgegeben sein muss, um bestimmte Probleme in der Durchführung oder etwaige Lernschwierigkeiten zu vermeiden oder wenigstens zu minimieren.
Aus diesen fünf Schritten besteht das Schema, nach welchem im folgenden Kern der Arbeit vorgegangen werden soll. Dies soll eine möglichst umfassende und hohe Qualität der Analyse, Beschreibung, Auswertung und Reflexion garantieren und der Verständlichkeit und Nachvollziehbarkeit dienen, sodass Unklarheiten möglichst ausgeschlossen werden können. Insgesamt sollen bei den Betrachtungen auf diese Art und Weise keine Inhalte vernachlässigt werden.
Die Vorgaben zum Umfang des Beleges aus der Datei „Praktikumsablauf“[5] sollen dennoch eingehalten werden, jedoch ist es so möglich, den wissenschaftlichen Bezug und die didaktische Analyse noch präziser mit dem jeweiligen Thema zu verknüpfen. Da das Thema „elektrisches Messen nichtelektrischer Messgrößen“ einen schier grenzenlosen Umfang besitzen kann (je nach dem, worauf/auf welche Messgrößen die Fokussierung gerichtet wird), kann somit auf die für den Komplex wirklich relevanten fachlichen und didaktischen Hintergründe eingegangen werden. Es wird sich zeigen, dass der geforderte Umfang von drei bis vier Seiten (in 4.1.1 und 4.1.2)[6] sowohl im fachlichen als auch im didaktischen Bereich gedeckt sein wird. Fachlich und didaktisch sind jeweils drei bis vier Seiten gefordert, also wird der Umfang in dieser Vorgehensweise nicht verringert. Der Punkt 4.1.3, zu welchem sechs bis acht Seiten gefordert sind, wird durch die Schritte 1, (besonders) 2 und 5 abgedeckt, zu denen pro Experiment knapp über zwei Seiten eingeplant sind. Um es nochmals hervor zu heben: Der Themenkomplex ist so umfangreich, dass diese Vorgehensweise aus Sicht des Autoren analytischer und mit einem engeren Bezug zum zu untersuchenden Thema qualitativ hochwertiger dargestellt und untersucht werden kann.
Die Reihenfolge der Experimente wurde gemäß der Einordnung der Themen in den Lehrplan[7] nach Jahrgängen in aufsteigender Reihenfolge getätigt, sodass die Reihenfolge der Experimente so angeordnet ist, wie sie auch im Schulalltag auf die Schüler treffen würde.
II.I Prinzip der Temperaturmessung über der Widerstand eines Halbleiters
1. Kategorisierung des Experimentes und Festlegung der wissenschaftlichen und der didaktischen Zielsetzung
Das erste Experiment ist ein quantitatives Schülerexperiment. Obwohl die Schüler, laut Lehrplan, erstmalig mit dem Thema Halbleiter in der Klassenstufe 8 im Lernbereich 3: Eigenschaften elektrischer Bauelemente (siehe Abbildung 1) konfrontiert werden und sich der Lernbereich 1: Grundlagen der Elektronik in Klassenstufe 9 sehr ausführlich dem Thema Halbleiter widmet (siehe Abbildung 2; unter anderem soll erstmals ein Schülerexperiment bezüglich „ausgewählter Halbleiterbauelemente“[8] unter der Verwendung von Dioden durchgeführt werden), ist dieses Schülerexperiment eher in den Wahlpflichtbereich 2: Leitungsvorgänge in Halbleitern (siehe Abbildung 3) im Leistungskurs der Klassenstufe 11 einzuordnen. Hier kann vorausgesetzt werden, dass die Schüler über genügend Vorwissen verfügen, um das Experiment verstehen und durchführen zu können, zumal auch, wie in Abbildung 3 zu erkennen, ein Schülerexperiment im genannten Lernbereich angedacht ist.
Es ist noch zu sagen, dass in Klasse 8 im Wahlpflichtbereich 3: elektrisches Messen nichtelektrischer Größen ein Schülerexperiment zur Temperaturkurve eines Thermistors ausgeschrieben ist. Allerdings bedeutet Thermistor nicht zwingend Halbleiter, sodass es zwar möglich wäre, das Experiment auch in diesen Lernbereich zu kategorisieren, aber es sich aus genannten Vorteilen eher eignen würde, eine quantitative Untersuchung des Problems in der Sekundarstufe II einschließlich Vor- und Nachbereitung durchzuführen, nicht zuletzt weil vier Unterrichtsstunden im Wahlpflichtbereich für solch ein Thema in der 8. Klasse als relativ wenig erscheint, besonders in dem Kontext, dass die Schüler nicht nur „irgendetwas messen“ sollen, sondern eine signifikante Messreihe und Auswertung erhalten sollen, einschließlich der Tatsache, dass das Vorwissen bezüglich Halbleiterbauteilen in der Sekundarstufe II von Nutzen ist, wenn das Experiment durchgeführt wird.
Das wissenschaftliche Ziel des Experiments ist die Abhängigkeit beziehungsweise Änderung des Widerstandes eines Halb- oder Heißleiters von seiner Temperatur zu bestimmen und quantitativ auszuwerten.
Die didaktische Zielsetzung des Experiments ist vielschichtig: Die Schüler sollen zum Einen das wissenschaftliche Ziel, also die Tatsache, dass und wie ein Halbleiter seinen Widerstand in Abhängigkeit von der Temperatur ändert, nachvollziehen und verstehen. Des Weiteren sollen sie in der Lage sein, ein Experiment zu nennen, mit welchem man diesen Sachverhalt nachweisen kann und dieses aufbauen und durchführen können (psychomotorisches Ziel). Außerdem soll ihnen das Experiment die Gelegenheit bieten, nachzuvollziehen, inwieweit Halbleiter als nutzvolle Bauelemente in von ihnen genutzten Geräten vorhanden sind. Dies müsste natürlich im Unterricht besprochen und abgehandelt werden, doch dient das Experiment dem Nachweis und dem Festigen dieser Erkenntnis.
2. Versuchsaufbau und –durchführung
Für dieses Experiment werden folgende Materialien benötigt:
- 2 Spannungsquellen
- 7 Kabel
- Voltmeter
- Amperemeter
- Thermometer
- Stativmaterial
- Halbleiterbauteil mit Heizung
Wenn diese, wie im Schaltplan (Abbildung 4) zu sehen, aufgebaut werden, so sollte die Anordnung denen auf den Abbildungen 5, 6 und 7 gleichen. Nachdem alles wie gezeigt aufgebaut und verbunden wird, sollte das Thermometer durch das Loch in der Plastikabdeckung des Halbleiters (mit Heizung) geschoben werden, sodass das Thermometer knapp über diesem schwebt, ihn allerdings nicht berührt! Es ist darauf zu achten, dass Volt- und Amperemeter auf den größten Messbereich eingestellt werden, bevor die Messung gestartet wird. Nun wird an den Stromkreis eine Spannung von 2 Volt angelegt und die Heizung mit einer Spannung von 6 Volt betrieben. Die Messreihe beginnt. In regelmäßigen Abständen werden die Temperatur [°C] und die Stromstärke [A] gemessen und überprüft, ob der Wert für die Spannung [V] konstant ist. Diese Messreihe kann beliebig weit geführt werden, die Temperaturen sollten jedoch die Gerätschaften nicht belasten und somit ist darauf zu achten, dass die Apparatur nicht zu heiß wird! Hat man alles wie beschrieben befolgt, sollten die Ergebnisse in etwa denen in der nachfolgenden Tabelle gleichen:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Die Berechnung des Widerstandes erfolgt anschließend aus dem Ohmschen Gesetz: . Somit lässt sich, für die durchgeführte Messreihe, zeigen, dass es sich um einen Heißleiter handelt, dessen Widerstand, wie in Abbildung 8 zu sehen, mit zunehmender Temperatur exponentiell fällt.
3. Wissenschaftliche Beschreibung des Experimentes
Soll die Funktionsweise von Halbleitern beschrieben werden, so kann das Bändermodell zur Beschreibung nicht vernachlässigt werden. Die Elektronen eines Atoms wechselwirken ständig miteinander und befinden sich auf unterschiedlichen Energieniveaus. Diese lassen sich auch als Energiebänder beschreiben. Diese Energiebänder können, wie zum Beispiel bei einem Leiter, sehr dicht beieinander liegen oder, wie bei einem Isolator, weit voneinander entfernt liegen, dann spricht man von einer Bandlücke. Die Bandlücke bildet also den Abstand zwischen dem Valenz- und dem Leitungsband (mit Abstand ist hier kein räumlicher, sondern vielmehr ein energetischer Abstand gemeint), wobei das Valenzband das höchste mit Elektronen besetzte Energieband im Halbleiter und das Leitungsband das nächst höhere darstellt. Das Ferminiveau oder auch die Fermienergie liegt in diesem Fall genau zwischen den beiden Bändern. Nach der Fermi-Dirac-Statistik liegt die Besetzungswahrscheinlichkeit für einen Zustand mit der Energie des Fermi-Niveaus bei ½ und alle Zustände, mit einer Energie niedriger als die Fermienergie, besitzen eine Wahrscheinlichkeit von 1, besetzt zu sein. Dies folgt aus der Fermi-Verteilung bei der E der Energie, Ef der Fermienergie, k der Boltzmannkonstante und T der Temperatur entspricht. Ein voll besetztes Valenzband (zum Beispiel bei einer Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt) bedeutet auch ein komplett unbesetztes Leitungsband. Da weder ein voll besetztes Valenzband, aufgrund von fehlenden freien Zuständen (Defektelektronen), noch ein unbesetztes Leitungsband leitfähig sind, muss dieser Zustand geändert werden, damit der Halbleiter leitfähig wird. Im Gegensatz zu Isolatoren ist die Bandlücke bei Halbleitern allerdings verhältnismäßig gering (Beispiel „guter Isolator“[9]: EG = 4 eV; Beispiel Halbleiter: Bleitellurid[10]: EG = 0,3 eV)[11], sodass es möglich ist, durch Energiezufuhr in Form von Wärme (Temperaturerhöhung) oder Bestrahlung mit Photonen, genügend Energie auf die frei beweglichen Elektronen zu übertragen, sodass diese angeregt werden können und vom Valenz- in das Leitungsband wechseln können (bei Leitern, wie bereits erwähnt, ist die Bandlücke nicht vorhanden, sodass diese Problematik nicht auftritt.) und die freibeweglichen Defektelektronen in das Valenzband springen. Somit kann über die Temperaturerhöhung der Widerstand eines Halbleiters verändert und gemessen werden.
Werden Halbleiter dotiert, also „verunreinigt“, so kann dies ebenfalls für eine relativ exakte Messung genutzt werden. Wird ein p-Leiter (die Atome besitzen einen Überschuss an Defektelektronen) mit einem n-Leiter (die Atome besitzen einen Überschuss an frei beweglichen Außenelektronen) zusammen gebracht, so entsteht eine Halbleiterdiode. In deren Mitte befindet sich eine Grenzschicht, auch Raumladungszone genannt. Die Ladungsträger aus der n-dotierten Hälfte diffundieren nun zu den Defektelektronen (Löchern) und umgekehrt, sodass eine Diffusionsspannung vorliegt. Betreibt man die Halbleiterdiode in Sperrrichtung (also die p-Schicht am Minus-Pol und die n-Schicht am Pluspol angeschlossen), so vergrößert sich die Grenzschicht und es gelangen keine Ladungsträger mehr hindurch, da die Defektelektronen vom Minuspol und die Ladungsträger vom Pluspol angezogen werden. Doch auch hier ist die Temperaturabhängigkeit erkennbar: Bei ansteigender Temperatur verringert sich der Durchlasswiderstand und die Schwellspannung wird herabgesetzt. Das Temperaturverhalten beeinflusst also das Sperrverhalten des Halbleiters. Bei einer Erhöhung von 1K ändert sich die Durchlassspannung einer Diode „[…] linear mit etwa -2mV pro Grad Celsius (°C). Je höher die Temperatur, umso niedriger die Durchlassspannung.“[12] (Die Temperaturabhängigkeit (des Widerstands) lässt sich auch mit folgender Formel beschreiben: wobei R der Widerstand bei 20°C, die Temperatur und α der Temperaturkoeffizient des betrachteten Materials sind.)[13]
Mit diesem Wissen und dem bereits genannten ohmschen Gesetz: kann also über die Messung der Änderung der Stromstärke und Spannung der Widerstand berechnet und daraus, kennt man die Eigenschaften des Halbleiters, die Temperatur bestimmt werden.
4. Bezug auf die Schule
Wie bereits in Schritt 1 dargestellt, soll dieses Experiment in den Wahlpflichtbereich 2: Leitungsvorgänge in Halbleitern des Leistungskurses der 11. Klasse eingestuft werden. (In den bisherigen Betrachtungen wird das Experiment als Schülerexperiment eingestuft und diese Wahl legitimiert. Dass das Experiment auch als Demonstrationsexperiment vom Lehrer durchführbar ist, zeigt die Abbildung 9. In diesem Fall wird der Halbleiter mittels Fön erwärmt und an den Volt- und Amperemetern die Messreihe von den Schülern aufgenommen oder lediglich, wie das „vereinfachte“ Tafelbild in Abbildung 10 zeigt, kann das Experiment auch als halb-quantitatives Demonstrationsexperiment vorgestellt werden, sodass sich die Aussagen unter dem Stichwort „Beobachtung“ im Tafelbild (Abbildung 10) treffen lassen. Unter diesen Umständen wäre es auch denkbar, das Experiment in der Klassenstufe 9 anzuwenden). Wie in Abbildung 3 zu erkennen, umfasst der Lernbereich mit zehn Unterrichtsstunden die angesprochenen Themen wie „Bandaufspaltung im Festkörper“[14], den „pn-Übergang im Bändermodell“[15] und ein Schülerexperiment zur Halbleiterdiode (als welches sich das Experiment II.I durchaus eignen würde). Die Schüler haben bereits aus der 8. und 9. Klasse Vorwissen zu der Funktionsweise von Halbleitern und kennen deren Wirkungsweisen. Aus diesem Grund ist es auch korrekt, im Leistungskurs weiter ins Detail zu gehen und mit dem Bändermodell und pn-Übergängen explizit zu arbeiten. Die „didaktische Reduktion“[16] des in Schritt 3 vorgestellten Stoffes betrifft vornehmlich die Energieniveaus und die Fakten zur Fermienergie, -verteilung und Inhalten wie der Besetzungswahrscheinlichkeit, dem Plankschen Wirkungsquantum (damit einhergehend auch dem Spin, dem Pauli-Prinzip, Quantenzahl und so weiter), da hierzu quantenphysikalische Kenntnisse vorauszusetzen wären, die allerdings erst (auch nicht in dem Umfang) in der Klassenstufe 12 (Lernbereiche 3 und 4 im Grundkurs und Lernbereiche 4 und 5 im Leistungskurs) folgen. Um den pn-Übergang erklären zu können, muss das Bändermodell, basierend auf den unterschiedlichen Energieniveaus innerhalb des Atoms, eingeführt und erklärt werden. Hierzu sollte den Schülern vermittelt werden, dass die Leitfähigkeit von Leitern und Halbleitern nur dann möglich ist, wenn die, und diese Begriffe sollten im Kontext von p- und n-dotierten Halbleitern vorherig geklärt/eingeführt werden, Valenz- und Defektelektronen aus dem Valenz- beziehungsweise dem Leitungsband aufgrund von hinzugeführter Energie (zum Beispiel in Form von Wärme, wie es in dem Schülerexperiment beispielhaft zu erkennen ist) die Bandlücke überwinden können. Dass der p-n-Übergang verstanden wird, ist für diesen Lernbereich essentiell, vor allem, da auch die Erklärung der Funktionsweise des Transistors, auf welche noch im späteren Teil eingegangen werden soll, davon abhängig ist. Als weitere Vereinfachung ist die quantitative Auswertung des Experiments zu nennen. Die Schüler nutzen in diesem im Prinzip nur das ohmsche Gesetz und müssen sonst lediglich Messreihen aufnehmen. Weiterführende Berechnungen sind aufgrund der genannten Gründe (kein Vorwissen) nicht möglich.
Zu den Lernschwierigkeiten ist zu sagen, dass es vor kommen kann, dass die Schüler in den vorhergehenden Klassenstufen acht und neun gewisse Sachverhalte missverstanden haben und sich dieses Fehlwissen weiter fortpflanzt, sodass beim pn-Übergang Probleme auftreten könnten, auch wenn dies eher nicht zu erwarten ist, weil in Klasse acht und neun insgesamt über 20 Unterrichtsstunden investiert werden, um Unklarheiten zu beseitigen (was die Tatsache an sich dennoch nicht ausschließt). Weiterhin kann es sein, dass zuvor erarbeitetes Wissen nicht mehr präsent ist, da Halbleiter über zwei Jahre nicht besprochen wurden oder dieses Wissen eben durch andere Einflüsse in ungewollte Art und Weise verändert wurde. Begriffliche Lernschwierigkeiten sind tendenziell nicht zu erwarten, auch wenn die Schüler Begriffe wie „Bändermodell“ oder „Bandlücke“ mit hoher Wahrscheinlichkeit noch nicht kennen, so ist nicht davon auszugehen, dass diese Begriffe Probleme darstellen. Zu den dotierten Halbleitern besitzen die Schüler bereits genügend Vorwissen, sodass p- und n-Dotierung keine Lernschwierigkeiten bereiten sollten. Besitzen sie dieses Vorwissen nicht, könnte sich dies als Problem darstellen. Da allerdings in diesem Lernbereich davon ausgegangen werden muss, dass die theoretischen Grundlagen anfangs „aufgefrischt“ beziehungsweise wiederholt werden müssen, sollten auch hier begriffliche Schwierigkeiten ausgeschlossen werden können. Es wäre denkbar, dass die Vorstellung, welche die Schüler vom Atomaufbau besitzen, mit dem Bändermodell in Verbindung für Verwirrung sorgt, da das Thema Atommodell generell häufig nicht nachvollzogen werden kann, da der aktuelle Stand der Forschung in Bezug auf dieses Thema visuell und phänomenologisch anspruchsvoll umzusetzen ist. Hinzu kommt die Tatsache, dass dieses Thema nur in Klassenstufe 7 (Lernbereich 1: Kräfte à „Kern-Hülle-Modell des Atoms“[17] ) oberflächlich und in Klassenstufe 9 bezüglich des Aufbaus des Atomkerns (Lernbereich 2: Energieversorgung) thematisiert wird, die Schüler also nur geringfügige(s) Vorstellungen/Vorwissen bezüglich des Aufbaus besitzen und erst in der 12. Klassenstufe tiefgründiger darauf eingegangen wird. Die Schüler lernen also erst etwas über Vorgänge innerhalb der Atome, bevor sie überhaupt konkrete Vorstellungen zum Aufbau jener besitzen, was zu Vorstellungs- und Verständnisschwierigkeiten führen könnte.
5. Auswertung/Reflexion des Experiments
Das Experiment eignet sich durchaus in vielfältigem Sinne: Es kann sowohl als halb-quantitatives Demonstrationsexperiment in der Klassenstufe 9 eingesetzt werden, als auch als quantitatives Schülerexperiment in der Klassenstufe 11. Der Schaltplan ist übersichtlich, wenig verzweigt und es gibt kaum Gefahrenquellen (mit Ausnahme der Erhitzung des Halbleiterwiderstandes und der Verwendung einer Spannungsquelle, die in allen Schülerexperimenten besondere „Vorsicht“ voraussetzt). Die Umsetzung und das Aufbauen bedingen überwiegend Materialien, die im Physiklabor in der Schule vorhanden sind und die Messreihen, sowie die daraus resultierenden Messergebnisse, lassen sich ohne (vom heutigen Standpunkt aus) Komplikationen ermitteln. Das wissenschaftliche Ziel des Experimentes ist klar formulierbar und es wird, wird die Experimentieranordnung korrekt aufgebaut (vom Lehrer zu kontrollieren!), mit hoher Wahrscheinlichkeit erreicht. Wird das wissenschaftliche Ziel (die Überprüfung der Abhängigkeit des Widerstands eines Halbleiters von der Temperatur) zuvor postuliert, ist davon auszugehen, dass die Schüler dieses erreichen, sodass auch das erste formulierte didaktische Ziel („Die Schüler sollen […] das wissenschaftliche Ziel, also die Tatsache, dass und wie ein Halbleiter seinen Widerstand in Abhängigkeit von der Temperatur ändert, nachvollziehen und verstehen.“) mit großer Wahrscheinlichkeit erreicht wird, da die Überprüfung dieser These gelingen sollte. Auch haben die Abbildungen und der Schaltplan gezeigt, dass die psychomotorischen Ziele erreicht werden sollten. Der Bezug zum Alltag, nämlich, dass die Schüler die Funktionsweise der Halbleiterbauelemente in der Hinsicht verstehen, dass sie den Nutzen in alltäglichen Geräten wiedererkennen können, ist nur zum Teil herstellbar. Hierzu müsste in der Unterrichtssequenz nochmals darauf eingegangen werden, obwohl sich die Anwendung des Bauteils, zumindest für ein Gerät, sofort erschließen sollte: einem Thermometer. Die weiteren Anwendungsmöglichkeiten sollten, wie bereits erwähnt, nochmals in der folgenden Unterrichtsstunde erarbeitet werden, sodass sich auch das Verständnis festigt, aus welchem (übergeordneten Sinn/)Grund das Experiment durchgeführt wurde. (Nämlich nicht nur für den Physikunterricht!) Zu den Problemen in der Anwendbarkeit und der Durchführung des Experiments in der Realität können nicht viele Aussagen getroffen werden, außer der, dass es ohne Komplikationen funktionieren sollte. Einzig die Tatsache, dass der Lehrer den Versuchsaufbau kontrollieren sollte (und dabei dringend auf folgende Dinge achten muss: dass die Verkabelung korrekt ist, die Spannungsquellen korrekt eingestellt sind, die Volt- und Amperemeter auf die richtigen Messbereiche eingestellt sind und das Thermometer die Heizung im Halbleiterwiderstand nicht berühren darf) ist hier als Hinweis zu nennen. Inhaltlich müssen die Schüler natürlich auf das Experiment vorbereitet sein, was bedeutet, dass sie die theoretischen Grundlagen zum Verständnis des Bändermodells und besonders des pn-Übergangs verstanden haben sollten (das Experiment dient in dieser Betrachtungsweise der Überprüfung, weniger der Erschließung). So sollte auf die Gefahrenquellen hingewiesen werden und es sollte der korrekte Aufbau des Experiments besprochen werden. Im Zuge der Besprechung des geplanten Aufbaus muss natürlich auf die anzulegenden Spannungen hingewiesen werden und es sollte allen Schülern klar gemacht werden, welche Messgrößen zu ermitteln sind und warum. (Die angegebene Tabelle kann als Vorlage (unausgefüllt) vorgegeben werden, sodass eindeutig klar ist, welche Größen zu ermitteln sind.) Das ohmsche Gesetz muss nicht zwingend vorgegeben werden, weil es den Schülern bekannt sein sollte, jedoch wäre das auch eine Möglichkeit, dies müsste je nach Situation und individueller Gruppe/Klasse entschieden werden.
Alles in allem ist zu erwarten, dass das Experiment den Schülern eine hohe Erfolgswahrscheinlichkeit bietet und ebenfalls einen hohen Mehrwert in Bezug auf ihre Wahrnehmung bezüglich der Funktions- und Anwendungsweise von Halbleiterwiderständen. Es ist kaum mit Komplikationen zu rechnen und die Resultate werden in der Auswertung bezüglich dieses Themengebietes, mit hoher Wahrscheinlichkeit, bei allen Schülern für eine Bestätigung des Vorwissens und der zuvor postulierten Thesen sorgen und dem Lehrer im inhaltlichen Fortschritt mit dem Kurs sehr dienlich sein.
II.II Dämmerungsschalter mit Transistor, bei dem bei Dunkelheit das Licht eingeschaltet wird
1. Kategorisierung des Experimentes und Festlegung der wissenschaftlichen und der didaktischen Zielsetzung
Dieses Experiment ist ein qualitatives Schülerexperiment. Zentral für das Gelingen und Durchführen des Versuchs sind das Wissen und das Arbeiten mit einem Transistor und einem Fotowiderstand. Der Transistor taucht im Lehrplan erstmalig in der 9. Klasse im Lernbereich 1: Grundlagen der Elektronik, wie in Abbildung 2 zu sehen, im Kontext des Schülerexperiments zu „ausgewählte[n] Halbleiterbauelemente[n]“[18] auf, in welchem der Fokus überwiegend auf der Funktion als Halbleiterdiode/lichtemittierende Diode („LED“) liegt. Da im Experiment jedoch der Transistor als Bipolartransistor in seiner ursprünglichen Funktionsweise im Mittelpunkt steht, ist das Schülerexperiment ebenfalls wie Experiment II.I, in den Leistungskurs der Klassenstufe 11 im Wahlpflichtbereich 2: Leitungsvorgänge in Halbleitern, zu kategorisieren. Abbildung 3 zeigt, dass der Transistor in diesem Lernbereich erstmals genauer betrachtet wird, indem auf den verschiedene Arten von Transistoren, wie zum Beispiel den für das Experiment benötigten Bipolartransistor, eingegangen wird.
Eine ähnliche Argumentation wie in Abschnitt II.I legitimiert die Wahl, dieses Experiment für diesen Lernbereich einzustufen: Das Vorwissen der Schüler. Da in der Klassenstufe 9 vor allem die „charakteristische[n] Eigenschaften“[19] im Fokus stehen und lediglich mit U-I-Kennlinien gearbeitet wird, aber nicht tiefergehend auf die Funktionsweisen eingegangen wird, wäre es unangemessen, den Schülern bereits in der 9. Klasse als Zielstellung die Aufgabe zu geben, einen Dämmerungsschalter zu bauen, zumal die Sicherheit im Umgang mit den elektronischen Bauteilen mit hoher Wahrscheinlichkeit noch nicht vollends vorausgesetzt werden kann.
Das wissenschaftliche Ziel des Experiments ist das selbstständige Bauen eines Dämmerungsschalters aus den vorgegebenen Materialien und dem Schaltplan. Was etwas oberflächlich oder banal klingt, soll im didaktischen Ziel verfeinert werden: Die Schüler sollen auf eine forschende, problemorientierte Art und Weise ihre Eigenständigkeit und Sicherheit in Bezug auf das Arbeiten mit elektronischen Bauteilen festigen und die zuvor gelernten Inhalte bezüglich Halbleiterbauelementen (und demzufolge Transistoren) überprüfen können. Dieses Experiment soll es ihnen ermöglichen, eine direkte Anwendungsmöglichkeit der Bauteile kennen zu lernen und die Vielseitigkeit von Transistoren (und generell Halbleitern) zu verstehen.
2. Versuchsaufbau und –durchführung beschreiben
Für dieses Experiment werden folgende Materialien benötigt:
- Spannungsquelle
- 2 Widerstände (R1= 150Ω und R2= 1kΩ)
- LED
- Bipolartransistor
- Fotowiderstand
- 7 Kabel
- Lichtquelle
Werden die Materialien nach dem Schaltplan (Abbildung 11) aufgebaut, so sollte die Anordnung der auf den Abbildungen 12, 13 und 14 gleichen. Es ist darauf zu achten, dass der Fotowiderstand an die Basis des Transistors und an den Emitter angeschlossen wird und der Kollektor an die LED angeschlossen wird. Weiterhin ist darauf zu achten, dass manche LED bereits einen eingebauten Vorwiderstand besitzen (in den Abbildungen 13 und 14 zu erkennen à R2 ist zu erkennen, R1 nicht, da dieser als Vorwiderstand in der LED verbaut ist) und dieser soll den Wert von 150Ω besitzen. Die Spannungsquelle sollte mit UB= 6V betrieben werden und es sollte darauf geachtet werden, dass der der Minuspol am Emitter angeschlossen ist und der Pluspol in Verbindung mit dem Kollektor steht. Die Lichtquelle sollte entweder Sonnenlicht sein oder sich zu Demonstrationszwecken relativ nah am Fotowiderstand befinden (dazu später mehr).
Zu den Messwerten und Messergebnissen ist nicht viel zu sagen, da es sich hier um ein qualitatives Experiment handelt, welches bei korrekter Durchführung entweder funktioniert oder eben nicht. Ist alles korrekt aufgebaut und besitzen alle Bauteile die angegebenen Spezifikationen, so sollte bei Beleuchtung des Fotowiderstandes die LED wie in Abbildung 13 ausgeschaltet und bei Dunkelheit wie in Abbildung 14, bei der die Dunkelheit mittels Abdeckung des Fotowiderstandes mit einem Finger simuliert wurde, leuchten.
3. Wissenschaftliche Beschreibung des Experiments
Der Transistor und dessen Funktionsweise bilden den Kern des Dämmerungsschalters. Spricht man von Transistoren, muss zunächst eingegrenzt werden, von welcher Art die Rede ist. Da in dem Experiment und in der Schule fast ausschließlich Bipolartransistoren im Fokus des Interesses stehen, soll an dieser Stelle diese Art zur Erklärung ausgewählt sein.
In der Abbildung 15 sieht man die schematische Darstellung des Aufbaus und der Funktionsweise eines npn-Bipolartransistors. Die Bezeichnung basiert auf der Schichtung der unterschiedlich dotierten Elemente, dem n-dotierten Kollektor (C), der p-dotierten Basis (B) und dem n-dotierten Emitter (E). Nach den Kirchhoffschen Regeln gilt IE + IB + IC = 0 und UCE = UCB + UBE, wobei UCE die Spannung ist, welche zwischen Kollektor und Emitter anliegt (die anderen Spannungen ergeben sich anhand der Abkürzungen der Indizes analog).[20] Aufgrund der n-Dotierung stehen in der Kollektor- und Emitterschicht jeweils frei bewegliche Außenelektronen und in der p-dotierten Basis Defektelektronen (also „Löcher“) zur Verfügung. Bringt man die dotierten Schichten zusammen, so bildet sich aufgrund des hohen räumlichen Konzentrationsgefälles von freien Ladungsträgern eine Grenzschicht (Raumladungszone) aus, in der die Ladungsträger rekombinieren. Dabei springen die frei beweglichen Elektronen aus den n-dotierten Schichten in die in der p-dotierten Basis befindlichen Löcher. Von außen betrachtet ist die Raumladungszone neutral geladen. Bringt man den Transistor nun in einen Stromkreis ein, indem man den Minuspol am Emitter und dem Pluspol am Kollektor anschließt, so verschiebt sich die Grenzschicht/Raumladungszone. Die Bewegungsrichtung der Elektronen ist mittels Pfeilen in Abbildung 15 dargestellt. Im Kollektorteil werden die Elektronen Richtung Pluspol gezogen, was eine Ausdehnung der Raumladungszone zur Folge hat. Im Emitterteil werden die Elektronen „abgestoßen“, sodass sich die Raumladungszone hier staucht. Zu diesem Zeitpunkt jedoch durchdringen die Elektronen die Basisschicht, anders als die Abbildung 15 vermuten lässt, noch nicht. Wird allerdings nun eine Spannung an die p-dotierte Basis angelegt, so ist ein Stromfluss vom Kollektor zum Emitter möglich, da die Basis am Pluspol angeschlossen ist und die Elektronen nun in Bewegung versetzt werden (auch in Abbildung 11 zu erkennen). Dazu muss allerdings die in Durchlassrichtung (der pn-Übergang Basis-Emitter muss in Durchlassrichtung und der pn-Übergang Basis-Kollektor in Sperrrichtung betrieben werden)[21] angelegte Spannung UBE größer als die Diffusionsspannung sein. Da der Kollektor „positiv geladen“ ist, zieht dieser „den größten Teil der in der dünnen Basiszone befindlichen Elektronen an und saugt sie über den PN-Übergang zwischen Basis und Kollektor ab. Dadurch fließt ein Kollektorstrom.“[22] Weil die Basis extrem dünn ist, können circa 99% der Elektronen durch diese hindurch gleiten und gelangen in den positiven Kollektor.[23] Es fließt ein Kollektor-Emitter-Strom. Die Abbildung 16 zeigt das Verhältnis zwischen der linearen Erhöhung der Spannung UBE und den gemessenen Stromstärken an Kollektor (IC) und Emitter (IE) und bestätigt somit die erklärten Vorgänge auf Grundlage einer Messung. Diese Eigenschaften und Funktionsweise des Transistors macht man sich zu Nutze, indem man, wie aus den Erklärungen hervor geht, den Kollektor-Emitter-Strom UCE und ICE mittels der angelegten Spannung UBE steuern kann. (Abbildung 17 dient dem Verständnis und der Übersicht zu den erklärten Strömen und Spannungen, welche auch in dieser Form auf den Schaltplan (Abbildung 11) übertragbar sind.) In Abbildung 18 wird diese Tatsache nochmals signifikant dargestellt, da die gemessene Stromstärke IB exponentiell zur angelegten Basis-Emitter-Spannung ansteigt.[24] Der Transistor ist also bis zu einem Wert von circa UBE = 0,78V gesperrt und sein Widerstand sehr groß. Erst „beim Überschreiten dieser Spannung (Schleusenspannung) beginnt der Transistor zu leiten, sein Widerstand wird sehr schnell geringer.“[25]
[...]
[1] Schubert, F.: 8. Messung nichtelektrischer Größen. Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg. Hamburg 2006, S. 1. URL: http://users.etech.haw-hamburg.de/users/schubert/dh/dh_8.pdf Zugriff am 06.01.2013
[2] Im Folgenden wird ausschließlich das Maskulinum verwendet. Dies soll dem flüssigeren Lesen dienen und stellt keineswegs eine Diskreditierung oder Diskriminierung des weiblichen Geschlechts dar.
[3] Jank, W./Meyer, H.: Didaktische Modelle. 9. Auflage, Berlin 2009, S. 32.
[4] Ebd., S. 32.
[5] Professur der Didaktik der Physik: Praktikumsablauf. Praktikum physikalische Schulexperimente. Stand 13.09.2010, Dresden, S. 4.
[6] Ebd., S. 4.
[7] Sächsisches Ministerium für Kultus [Hrsg.]: Lehrplan Gymnasium – Physik. Dresden 2009.
[8] Ebd., S. 23.
[9] Institut für Physik und Physikalische Technologien der TU Clausthal: Experimentalphysik VI (Festkörperphysik). Clausthal 2003, S. 1. URL: http://www.iept.tu-clausthal.de/fileadmin/homes/agkip/vorlesungen/ex5/E5-Kap6.pdf Zugriff am 08.01.2013.
[10] Halbleiter, welcher als Thermoelement verwendet wird.
[11] Vgl. ebd., S. 1.
[12] Schnabel, P.: Elektronik-Fibel. Elektronik Grundlagen, Messtechnik, Bauelemente Schaltungstechnik, Digitaltechnik. 2. Auflage, Ludwigsburg 2003, S. 44.
[13] Vgl. Fraaß, M.: Messtechnik. Grundlagen der Messtechnik. Berlin 2008, S. 20. URL: http://labor.beuth-hochschule.de/fileadmin/labor/emr/Datein/UD_Elektrisches_Messen_nichtelektrischer_Groessen_20Mai11.pdf Zugriff am 11.01.2013.
[14] Sächsisches Ministerium für Kultus [Hrsg.]: Lehrplan Gymnasium – Physik. Dresden 2009, S. 51.
[15] Ebd., S. 51.
[16] Jank, W./Meyer, H.: Didaktische Modelle. 9. Auflage, Berlin 2009, S. 32.
[17] Sächsisches Ministerium für Kultus [Hrsg.]: Lehrplan Gymnasium – Physik. Dresden 2009, S. 14.
[18] Ebd., S. 23.
[19] Ebd., S. 23.
[20] Vgl. Frenzel, B./Gebhard, F./Kurzweil, P.: Physik Formelsammlung. 2. Auflage, Wiesbaden 2009, S. 280.
[21] Vgl. Schneeberger, T.: Universität Bern. Kapitel Verstärker. Transistoren: Halbleiter als Alleskönner. Bern 2008, S. 2f. URL: http://gibb-files.tripod.com/Verstaerker-dB-Transistor.pdf Zugriff am 12.01.2013.
[22] Hörnemann, E./Hübscher, H./Jagla, D./Larisch, J./Müller, P./Pauly, V.: Elektrotechnik. Fachbildung Energietechnik/Energieelektronik. Braunschweig 1988, S.283.
[23] Vgl. Schnabel, P.: Elektronik-Fibel. Elektronik Grundlagen, Messtechnik, Bauelemente Schaltungstechnik, Digitaltechnik. 2. Auflage, Ludwigsburg, 2003, S. 113.
[24] Vgl. Hörnemann, E./Hübscher, H./Jagla, D./Larisch, J./Müller, P./Pauly, V.: Elektrotechnik. Fachbildung Energietechnik/Energieelektronik. Braunschweig 1988, S. 283f.
[25] Wilke, H.-J.: Physikalische Schulexperimente. Band 3 Elektrizitätslehre/Optik/Mechanik/Thermodynamik/Kernphysik/Relativitätstheorie. Berlin 2002, S. 245.
- Arbeit zitieren
- Robert Schich (Autor:in), 2013, Elektrisches Messen nichtelektrischer Messgrößen , München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/213113
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