9. – 10. Schuljahr

Gunnar Friege und Daniel Laumann

Fernleitungsexperimente

Versuche und Simulationen zur Übertragung elektrischer Energie

Das Fernleitungsexperiment, das die aus dem Alltag bekannte reale Fernleitung modelliert (s. Abb. 1 ), ist ein Schlüsselexperiment für die in vielen Curricula verankerten Kompetenzen der Art: Schülerinnen und Schüler „beschreiben [] Generator und Transformator [] anhand ihrer Energie wandelnden bzw. übertragenden Funktion (Fachwissen, [1], S. 27) und „erläutern die Bedeutung von Hochspannung für die Energieübertragung im Verteilungsnetz der Elektrizitätswirtschaft (Bewertung, [1], S. 40). In NRW gehört dieser Versuch zu den Schlüsselexperimenten für den Grundkurs Physik [2].
Ein Versuch zur Fernleitung kann in verschiedenen Varianten als Realexperiment durchgeführt werden. Im Unterricht wird man heute zudem thematisieren, dass der elektrische Energietransport nicht nur durch hochtransformierte elektrische Wechselspannungen funktioniert, sondern auch durch Gleichspannung. Ein Vergleich des Versorgungsnetzes in Europa vor 50 Jahren und heute kann eine geeignete Fortführung sein, um auch Vertiefungen im Querschnittsthema Energie und nicht-physikalische Aspekte zu behandeln. Der Unterrichtsvorschlag [3] beispielsweise betrachtet ausgehend von einem überregionalen Blackout die elektrische Energieversorgung in Europa. Im Mittelpunkt steht hier ein Modellversuch zum „Baltic Cable, einem Gleichstromkabel (450 kV) zwischen Deutschland und Schweden. In [4] wird ein Energieversorgungsmodell aus mehreren, je nach Belastung des Netzes zuschaltbaren, „Kraftwerken und einzeln steuerbaren Energiewandlern („Verbrauchern) vorgestellt.
Fernleitung als Lehrerversuch
In der klassischen Versuchsdurchführung wird ein Modell der Fernleitung folgendermaßen realisiert (s. Abb. 2 ): Die Netzspannung (230 V) wird auf etwa 10000 V hochtransformiert und die Fernleitung durch zwei Kabel simuliert. Am „Zielort wird die Spannung von etwa 10000 V auf die Netzspannung heruntertransformiert und ein Energiewandler als Nachweis der Funktionsfähigkeit der Fernleitung angeschlossen. Im Unterrichtsmaterial zu [2] wird mit 80 V/6 V experimentiert.
Hinweise zur Durchführung und zum Unterricht
Aus Sicherheitsgründen handelt es sich bei diesem Experiment um einen Lehrerversuch. Warnschilder und Sicherheitshinweise sind selbstverständlich und finden sich auch beispielsweise in Schulbuchabbildungen (s. z.B. [5] und Abb. 2). Die Wahl der Experimentiermaterialien ist sorgsam vorzunehmen, da dieser „Versuch lebensgefährlich werden kann, wenn man Spulen mit geringem Innenwiderstand verwendet [6].
Im Zusammenhang mit der Durchführung dieses Versuchs lässt sich das Thema Sicherheit und Elektrizität, bei dem es auch heute noch viele Unfälle aus Unwissenheit gibt, leicht aufgreifen. Darüber hinaus kann man den Versuch mit Recherchen zu Realwerten echter Fernleitungen und Abschätzungen zu Verlustleistungen und Berechnungen von Kabel-Querschnittsflächen bei vorgegebenen Maximalströmen verknüpfen (vgl. [7]).
Fernleitung als Schülerversuch
Schülerinnen und Schüler können mit dem Modell einer Fernleitung (angelehnt an [5]) bei Spannungen von maximal 24 V experimentieren: Eine Quelle liefert eine Wechselspannung von etwa 2 V, und mit einem Transformator mit einem Windungszahlverhältnis von 900/75 wird die Spannung auf etwa 24 V hochtransformiert. Die lange Fernleitung kann mit Kabeln hohen Innenwiderstandes simuliert werden, oder man nimmt ein Kabel von etwa 25 m Länge (s. [5]). Am „Zielort wird die Spannung wieder auf etwa 2 V heruntertransformiert und eine (oder mehrere) Glühlampe(n) betrieben.
Hinweise zur Durchführung und zum Unterricht
Die Experimentiermaterialien (s. Abb. 3 : Glühlampe(n), Innenwiderstände der Spule, Zuleitungen; s.a. Kasten 1) sind aufeinander abgestimmt auszuwählen.
Kasten 1: Modellversuch zur Fernleitung
Kasten 1: Modellversuch zur Fernleitung
Die exakte Materialzusammenstellung...

Weiterlesen im Heft

Vorteile im Abo

Exklusiver Online-Zugriff auf die digitalen Ausgaben der abonnierten Zeitschrift
Print-Ausgabe der abonnierten Zeitschrift bequem nach Hause
Zusatzvorteile für Abonnenten im Online-Shop genießen