5. – 6. Schuljahr

Martin Czekalla

Die Wärmewirkung des elektrischen Stroms

Eine Möglichkeit zur Thematisierung der Variablenkontrolle beim Thema „Elektrische Stromkreise im Anfangsunterricht

Im Physikunterricht der Jahrgangsstufe 5 bzw. 6 ist die Elektrizitätslehre mit dem Thema „Elektrische Stromkreise fester Bestandteil verschiedener Kernlehrpläne. Dabei bieten sich den Schülerinnen und Schülern zahlreiche Möglichkeiten, ihre experimentellen Kompetenzen zu erweitern. In diesem Beitrag wird am Beispiel des fachlichen Gegenstands „Wärmewirkung des elektrischen Stroms eine Unterrichtseinheit vorgestellt, in der das Prinzip der Variablenkontrolle mit den Lernenden erarbeitet wird.
Variablenkontrolle
Ein grundlegendes Ziel jedes Experiments ist das Überprüfen verschiedener Einflussfaktoren auf ein Phänomen. Hierfür darf in Experimenten jeweils nur eine Variable geändert werden, um eine eindeutige Aussage über Ursache-Wirkungs-Beziehungen zu treffen. Dies wird als Variablenkontrolle bezeichnet.
Die Wärmewirkung des Stroms hängt von den Parametern des Drahtes (Material, Durchmesser und Länge) sowie der Stromstärke I ab. Aufgrund der Eigenschaften von Flachbatterien ist letztere in einer Versuchsreihe nicht konstant, streng genommen ist die Stromstärke also eine weitere Variable. Im Rahmen der hier vorgeschlagenen halbquantitativen Versuchsauswertung hat die Vernachlässigung der Stromstärke jedoch keinen Einfluss auf das Ergebnis.
Das Schülerexperiment
Für den Versuchsaufbau (s. Abb. 1 ) werden STE-Bauteile der Firma LD Didactic verwendet sowie zwei Krokodilklemmen, zwei Kabel und eine 4,5-V-Flachbatterie. Als „Messgerät verwenden die Schülerinnen und Schüler einen Wachsring, der auf den Draht gesteckt wird, und eine Stoppuhr. Der Wachsring wird aus handelsüblichen Christbaumkerzen mit einem Durchmesser von 14 mm hergestellt, indem die Kerze in Scheiben geschnitten und anschließend mithilfe eines Nagels der Docht entfernt wird. Es ist empfehlenswert, durchgefärbte Kerzen zu verwenden, da diese beim Schneiden nicht so leicht splittern.
Fließt nun der elektrische Strom durch den Draht, der zwischen den beiden Krokodilklemmen gespannt ist, „frisst sich der Draht aufgrund der Wärmeentwicklung durch den Wachsring. Anhand der für diesen Vorgang gestoppten Zeit kann direkt auf die Stärke der Wärmewirkung des elektrischen Stroms geschlossen werden. Je kürzer die für diesen Vorgang benötigte Zeit ist, desto stärker ist die Wärmewirkung.
Hinweise zum Versuchsaufbau
  • Der Versuch lässt sich auch mit Materialien anderer Lehrmittelfirmen realisieren.
  • Als Schalter sollte ein Taster verwendet werden, damit die Lernenden bei der Durchführung nicht dauerhaft einen Kurzschluss produzieren.
  • Der Aufbau sollte möglichst kippsicher gestaltet sein. Tonnenfüße etwa können eher umfallen. Auch muss damit anders als beim hier vorgestellten Versuchsaufbau auf die konstante Länge des Drahtes geachtet werden.
  • Achtung: Der Draht wird heiß!
  • Es ist günstig, neue Flachbatterien einzusetzen, da die Durchschmelzzeiten sonst stark ansteigen.
  • Verwendet werden Konstantandrähte verschiedener Dicken (0,2 mm, 0,3 mm und 0,4 mm) sowie Drähte verschiedener Materialien (Konstantan, Eisen, Chromnickel  – Durchmesser: 0,2 mm). Beim Einsatz von Kupferdraht ist selbst nach mehreren Minuten kein Eindringen des Drahts in den Wachsring zu beobachten.
In der Praxis hat es sich bewährt, die Drähte vorzubereiten. Drähte aus verschiedenen Materialien werden mit verschiedenfarbigen Klebeband markiert; auf die Fähnchen wird der Drahtdurchmesser geschrieben.
Ergebnis
Ein exemplarisches Versuchsergebnis ist in Tabelle 1 dargestellt.
Umsetzung im Unterricht
Einstieg
Für einen problem- und kontextorientierten Einstieg wird die Funktionsweise eines Toasters (alternativ: eines Föns) vorgeführt. Durch entsprechende Impulse werden ggf. verschiedene Fragestellungen provoziert, wobei folgender Fragestellung eine besondere Bedeutung zukommt:
  • Warum wird der...

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