7. – 10. Schuljahr

Jan-Philipp Burde und Thomas Wilhelm

Modelle in der Elektrizitätslehre

Ein didaktischer Vergleich verbreiteter Stromkreismodelle

Der elektrische Stromkreis stellt Schülerinnen und Schüler in der Sekundarstufe I vor große Herausforderungen. Einerseits besitzen die Lernenden eine Reihe stabiler vorunterrichtlicher Vorstellungen zu Stromkreisen, die der physikalisch korrekten Sichtweise häufig widersprechen und sich im Unterricht nur mühsam korrigieren lassen. Andererseits sind die Konzepte der Elektrizitätslehre überaus abstrakt; es handelt sich um ein sehr unanschauliches Gebiet der Physik, da sich die physikalischen Vorgänge wie die Elektronenbewegung der direkten Wahrnehmung entziehen. Insbesondere gelingt es vielen Schülerinnen und Schülern trotz intensiver unterrichtlicher Bemühungen häufig nicht, eine System-vorstellung vom Stromkreis und ein angemessenes Spannungskonzept zu entwickeln. Stattdessen analysieren die Lernenden Stromkreise häufig aus Sicht des Stroms, der ihre Vorstellung von Stromkreisen dominiert und diese in ihrer Vorstellung von der Batterie ausgehend sequenziell Lämpchen für Lämpchen durchströmt, wobei er zumindest teilweise verbraucht wird. Die elektrische Spannung erscheint den Schülern in diesem Zusammenhang nicht als eigenständige physikalische Größe, sondern wird von ihnen häufig lediglich als Eigenschaft bzw. als Bestandteil des elektrischen Stroms wahrgenommen (s. [1]).
Aus didaktischer Sicht ist dies problematisch, weil die elektrische Spannung die Ursache und nicht lediglich eine Eigenschaft des elektrischen Stroms ist und außerdem der Systemcharakter eine zentrale Eigenschaft von Stromkreisen darstellt. Ein angemessenes Verständnis elektrischer Stromkreise setzt also zwingend voraus, dass die Lernenden den Systemcharakter begreifen und über ein adäquates Spannungskonzept verfügen. Da eine rein fachliche Einführung der elektrischen Spannung über den Feldbegriff und die felderzeugenden Oberflächenladungen wenig anschaulich ist und somit für den Anfangsunterricht unangemessen erscheint, hat sich in der Sekundarstufe I im Laufe der Jahrzehnte eine Vielzahl unterschiedlicher Modelle etabliert. Die dahinterstehende Idee besteht darin, im Unterricht auf Analogien zwischen Modell und Stromkreis zurückzugreifen, um den Schülerinnen und Schülern das Verständnis der abstrakten Konzepte der Elektrizitätslehre durch den Vergleich mit etwas Bekanntem zu erleichtern. Während gute Modelle hierzu grundsätzlich geeignet sind, können inadäquate Elementarisierungen Fehlvorstellungen fördern und verstärken. Dieser Artikel bietet daher einen Überblick über gängige Stromkreismodelle sowie ihre jeweiligen Vor- und Nachteile, wobei die Modelle danach unterschieden werden, wie die elektrische Spannung dargestellt wird.
Spannung als Druckdifferenz
Ein möglicher Ansatz, um Schülerinnen und Schülern eine Vorstellung von der elektrischen Spannung zu vermitteln, besteht in Druckanalogien, wie sie beim geschlossenen Wasserkreislaufmodell und beim Elektronengasmodell verwendet werden. In beiden Fällen entspricht der Druck dem elektrischen Potential und der Druckunterschied somit der elektrischen Spannung.
Der ebene, geschlossene Wasserkreislauf
Der geschlossene Wasserkreislauf ist wahrscheinlich das bekannteste und meistgenutzte Modell für den elektrischen Stromkreis (s. Abb. 1 ). Hierunter versteht man ein System aus dichten Wasserrohren mit gleichem Querschnitt, die in einer Ebene ohne Höhendifferenzen zu einem geschlossenen Wasserstromkreis zusammengesteckt sind, der in der Regel darüber hinaus sowohl eine Wasserpumpe als auch ein Wasserrad enthält. Dabei entspricht
  • die Wasserpumpe der Spannungsquelle,
  • das Wasserrad dem elektrischen Widerstand,
  • die Wasserstromstärke der elektrischen Stromstärke,
  • der in den Rohren herrschende Druck dem elektrischen Potential und
  • der am Wasserrädchen anliegende Druckunterschied dem an einem elektrischen Widerstand anliegenden Potentialunterschied...

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