Diese Arbeit handelt von einem Eigenversuch eines Praktikums der naturwissenschaftlichen Grundladen technischer Systeme.
Der Eigenversuch des Praktikanten soll, das Aufladen einer Leidener Flasche mit einem Van-de-Graaff-Generator (Bandgenerator) und Sichtbarmachung der Entladung durch ein Elektroskop erklären.
Als erstes werden die Materialien, die für den Versuch benötigt werden, aufgelistet.
Als nächstes kommt eine Beschreibung des Versuchs mit den ermittelten Ergebnissen der Messwerte und Beobachtungen. Der dritte Punkt ist eine Einordnung in den Rahmenlehrplan WAT.
Der letzte Punkt, der bei diesem Unterrichtsentwurf gezeigt wird, ist ein Video von der Durchführung.
Versuch: Aufladen einer Leidener Flasche mit einem Van-de-Graaff-Generator (Bandgenerator) und Sichtbarmachung der Entladung durch ein Elektroskop.
Themengebiet: Elektrotechnik - Generatoren/Kondensatoren
Materialien:
Bandgenerator (Eigenbau nach dem Vorbild eines aus einer Schule ausgeliehenen Bandgenerators), Leidener Flasche (Eigenbau nach historischem Vorbild), rudimentäres Elektroskop (Eigenbau entsprechend dem Buch: Hans Backe, Rolf Backe, Helmut Giegengack (1972): Erlebte Physik. Das Physik-Experimentierbuch), Stromkabel, Transformator (zum Betreiben des Bandgenerators)
Eine Beschreibung des Versuches mit den ermittelten Ergebnissen (Messwerten und Beobachtungen).
Der Transformator wird eingeschaltet und der Bandgenerator mit 8 Volt betrieben (Höchstleistung des Motors). Der Bandgenerator besteht aus einer Aluminiumrolle, welche mit dem Motor verbunden ist, und einer drehbar gelagerten PVC-Rolle. Das Gestell des Bandgenerators ist hochisolierend. Auf den Rollen befindet sich ein Gummiband. Die Aluminiumrolle ist positiv geladen und die PVC-Rolle negativ1. Durch die Drehbewegung werden positiv geladene Elektronen auf das Gummiband übertragen und auf die Elektroden übertragen. Oben werden die positiven Elektronen in die Kuppel übertragen durch die Elektroden. Die Metallkugel speichert die Elektronen bis zu dem Zeitpunkt, wo ein Ausgleich zwischen den Elektronen, die an die Umgebung abgeben werden und den Elektronen die zugeführt werden gefunden ist. Die obere Rolle trägt negativ geladene Elektronen auf das Gummiband auf, welche dann wiederum von den unteren Elektroden abgenommen werden und auf eine weitere Kugel übertragen werden, in diesem Fall aber auf die äußere Schicht der Leidener Flasche. Ebenso werden in diesem Versuchsaufbau die positiv geladen Elektronen über ein Kabel auf die innere Schicht aus Aluminiumfolie übertragen. Die Leidener Flasche stellt einen Kondensator dar, bei dem die Isolierung durch die Plastik der Flaschenwand erreicht wird. Der Kondensator lädt sich auf und kann nach der Trennung vom Bandgenerator die Ladung noch für einige Zeit halten, ehe alle Elektronen an die Umgebung abgeben sind und er sich somit entladen hat. Eine schnelle Entladung ist möglich, wenn man die beiden Seiten des Kondensators verbindet und somit einen Funken erzeugt. Zur Sichtbarmachung der Ladung wird ein Elektroskop mit der positiv geladenen Seite des Kondensators verbunden. Die beiden Aluminiumfolienstreifen bewegen sich im Elektroskop auseinander (weil sie vom Gehäuse angezogen werden und sich außerdem gegenseitig abstoßen) und es lässt sich erkennen, dass eine Ladung anliegt2. Nachdem die Leidener Flasche vom Generator getrennt ist, bewegen sich die beiden Streifen wieder aufeinander zu und bei der schnellen Entladung gehen die beiden Streifen sofort wieder in ihren Ausgangszustand. Wäre an dem Gerät eine (kalibrierte) Skala angebracht wäre es möglich abzulesen wie stark die Ladung steigt und sinkt. Es ist möglich in diesem Versuch zu beobachten, dass die Leidener Flasche sich durch den Generator auflädt und nach dem Trennen wieder (langsam) entlädt. Durch das Verbinden der beiden Kondensatorplatten erfolgt eine sofortige Entladung, was sich daran erkennen lässt, dass sich beiden Streifen sofort wieder in ihre Ausgangsstellung zurückbewegen (und am Funken beim Entladen).
Eine Einordnung in den Rahmenlehrplan WAT.
Das Experiment ist für SuS der Jahrgangsstufe 8 veranschlagt. Grundlegend ist es aber auch in Jahrgangsstufe 7/8 (Doppeljahrgangsstufe) umsetzbar. Die Schulform (Oberschule, Gesamtschule oder Gymnasium) und Niveaustufe spielt aufgrund der Besonderheit des Rahmenlehrplans für WAT eine untergeordnete Rolle. Laut Rahmenlehrplan sind Themen und Inhalte bezüglich der vorliegenden Kompetenz zu wählen und ein Thema kann in verschiedenen Niveaustufen wieder aufgegriffen werden. Das Experiment stammt außerdem aus dem Wahlpflichtbereich. Es kann dem Bereich "Entwickeln, Herstellen und Bewerten elektronischer Schaltungen/ Elektrotechnik (WP4)" zugeordnet werden und würde dort unter den Themenbereich Bauteilkunde fallen. Anhand des Experiments lässt sich die Funktionsweise eines Kondensators erläutern. Spezifische Daten werden noch nicht abgelesen, nur eine Beobachtung durchgeführt. Es ist also der Einführung in das Thema Kondensatoren (Bauteilkunde) zuzuordnen. Die Vorrausetzung für das Experiment ist das Wissen darüber wie ein Generator funktioniert und was seine Funktionen sind. Weitere Unterthemen die an das Experiment angrenzen sind das "Bedienen elektrischer Geräte an Beispielen" und "elektronische Schaltungen"3. Der Fokus der Stunde liegt auf dem Bauteil des Kondensators indem dieser in der ältesten historischen und einfachsten Form vorgeführt wird. Mit einem simplen Elektroskop kann der Ladungsaufbau visuell beobachtet werden, der Bandgenerator ist weniger wichtig und dient nur zur Erzeugung einer Ladung mit einer hohen Spannung. Nach der Erläuterung des Aufbaus eines Kondensators, kann seine Funktion in der Klasse diskutiert werden. Durch die Form des Stoffes als Schülerexperiment wird das explorative Lernen gefördert.
Video von der Durchführung:
https://www.youtube.com/watch?v=aOLI22AXTWo
Ein Schüler*innenarbeitsblatt zu Ihrem Versuch.
Elektrische Bauteile - Kondensator
Zielstellung:
In diesem Versuch lernen Sie das elektronische Bauteil Kondensator kennen sowie seine historischen Anfänge, Eigenschaften und Einsatzmöglichkeiten.
Vorbereitungsaufgaben:
1. Lesen Sie den Eintrag über die Leidener Flasche im Lexikon der Physik (https://www.spektrum.de/lexikon/physik/Leidener-flasche/8921).
2. Lesen Sie den Eintrag über das Elektroskop im Lexikon der Physik (https://www.spektrum.de/lexikon/physik/elektroskop/4198).
3. Lesen Sie den Eintrag über den Van-de-Graaff-Generator im Lexikon der Physik (https://www.spektrum.de/lexikon/physik/bandgenerator/1215).
Versuchszubehör: Bandgenerator, Leidener Flasche, Elektroskop, Stromkabel, Transformator Hinweise zur Versuchsdurchführung:
Die Leidener Flasche darf keinesfalls im geladenen Zustand berührt werden, da sie schmerzhafte Stromschläge abgeben kann. Es muss immer sichergestellt werden das sie entladen ist, sie darf nur berührt werden, wenn beide Platten miteinander verbunden sind.
Aufgaben:
1. Stellen Sie auf dem Transformator die richtige Betriebsspannung ein (8 Volt) und verbinden Sie ihn im ausgeschalteten Zustand mit dem Motor des Bandgenerators (auf die richtige Polung achten). Verbinden Sie den Bandgenerator mit der Leidener Flasche und die Leidener Flasche mit dem Elektroskop. Die Informationen wie sie verbunden werden müssen sind der Vorbereitung zu entnehmen.
2. Schalten Sie nach der Kontrolle durch die Lehrkraft den Transformator ein und Beobachten Sie das Elektroskop. Verbinden Sie die beiden Platten der Leidener Flasche mit einem Kabel. Protokollieren Sie ihre Beobachtungen.
3. Trennen Sie die Leidener Flasche vom laufenden Generator, nachdem sich die Aluminiumplättchen im Elektroskop voneinander abgestoßen haben und beobachten Sie sie. Verbinden Sie die beiden Platten der Leidener Flasche. Protokollieren Sie ihre Beobachtungen.
Hinweise zur Auswertung:
1. Erklären Sie inwiefern eine Leidener Flasche ein Kondensator ist und aus welchen grundlegenden Bestandteilen ein Kondensator (am Beispiel der Leidener Flasche) besteht.
2. Überlegen und verschriftlichen Sie, was das Verhalten des Elektroskops, in Bezug auf das Verbinden der Platten und dem Verwenden eines Bandgenerators, zu bedeuten hat und wie ein Kondensator funktionieren könnte.
3. Überlegen und verschriftlichen Sie was ein Einsatzgebiet von Kondensatoren in unserem Alltag sein könnte, basierend auf ihren Beobachtungen des Elektroskops und des Verbindens der beiden Platten.
Ein Lösungsblatt für die betreuenden Lehrkräfte.
Elektrische Bauteile - Kondensator Zielstellung:
In diesem Versuch lernen Sie das elektronische Bauteil Kondensator kennen sowie seine historischen Anfänge, Eigenschaften und Einsatzmöglichkeiten.
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1 https://www.schule-bw.de/faecher-und-schularten/mathematisch-naturwissenschaftliche- faecher/physik/unterrichtsmaterialien/e_lehre_1/elektrostatik/reibungsel.htm
2 Hans Backe, Rolf Backe, Helmut Giegengack (1972): Erlebte Physik. Das Physik-Experimentierbuch
3 https://bildungsserver.berlin- brandenburg.de/fileadmin/bbb/unterricht/rahmenlehrplaene/Rahmenlehrplanprojekt/amtliche_Fassung/Teil_C WAT_2015_11_10_WEB.pdf
- Citar trabajo
- Florian Nitsche (Autor), 2020, Aufladen einer Leidener Flasche mit einem Van-de-Graaff-Generator. Ein Schülerversuch für die 8. Klasse, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/997473
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