11. – 13. Schuljahr

Martin Ernst Kraus

Wann ist die Spannung maximal?

Das Induktionsgesetz durch Lernstationen vorbereiten

Mit dem Induktionsgesetz werden – neben der Kondensatorentladung – zum zweiten Mal feldphysikalische Prozesse im Unterricht der Sekundarstufe II behandelt, in denen dynamische Prozesse ablaufen. Der Prozess, also die Erzeugung einer Induktionsspannung, erfolgt dabei relativ schnell; es lohnt sich daher doppelt, das Experiment mit einer Simulation zu flankieren. Die in den Lernstationen in [1] angelegten Filmstreifen, die eine Folge von Zuständen über ca. eine halbe Periode darstellen, werden dabei durch Experimentalerfahrungen sowie durch eine Simulation erweitert, in der die Dynamik abgebildet wird und Zeitlupen bzw. Standbilder möglich sind. Hier beschränke ich mich jedoch auf die plattformübergreifend verfügbare Simulation von Walter Fendt (http://www.walter-fendt.de/html5/phde/generator_de.htm) und auf den Wechselstromgenerator.
Vorwissen
Der Unterricht zum Induktionsgesetz kann nicht voraussetzungslos erfolgen; es wird sogar zu Recht diskutiert, ob dieses Gesetz aufgrund des Anspruchs nicht der Oberstufe vorbehalten bleiben sollte [2]. In jedem Fall muss der geschlossene elektrische Stromkreis mit den Kenngrößen Spannung, Widerstand und Stromstärke vertraut sein. Feldphysikalisch kommt ferner der Fluss als Produkt von Fläche und Feldstärke hinzu.
Man könnte argumentieren, dass sich die Induktion auch ausschließlich auf Grundlage der Lorentzkraft erklären ließe, denn der bewegte Leiter in einem Magnetfeld erzeugt eine Kraft längs des Leiters. Ich halte es jedoch für sinnvoll, das übergreifende Konzept des magnetischen Flusses Φ = AB und dessen Änderungsrate zu unterrichten (vgl. [1]).
Zum einen wird darin stärker erkennbar, warum die Dynamik um den Feldbegriff erweitert werden sollte. Denn viele Schülerinnen und Schüler bleiben zu gern bei reinen Kräftebetrachtungen stehen. So wird die Feldstärke zur Rechengröße in der Formel F = E·q degradiert, und wenn Kräfte in bestimmten Raumbereichen, z.B. innerhalb eines Ablenkkondensators, betrachtet werden, argumentieren Lernende oft mit der Fernwirkung der aufgeladenen Platten. Dass Felder eigene, raumstrukturierende Größen sind, wird so verdeckt.
Zum anderen ist die Beschreibung von Induktionsspannungen über die Flussänderung sehr gut geeignet, um auch den Transformator konsistent zu erklären.
Geforderte Kompetenzen
Die Kompetenzanforderungen bei der Erklärung des Generators sind hoch. Zunächst ist hier die Experimentalkompetenz gefordert. Die Schaltung muss aufgebaut und die Induktionsspannung mit einem geeigneten Gerät gemessen werden. Da die Spannungen häufig sehr klein sind, muss ggf. ein Messverstärker hinzugezogen werden. Hier steht vor allem die Beobachtungskompetenz im Fokus, denn an diesem Experiment können Schülerinnen und Schüler aufgrund ihrer Fehlvorstellungen besonders leicht dazu neigen, eine falsche Beobachtung sehen zu wollen.
Als mathematisches Werkzeug wird bei diesem Versuch die Ableitung benötigt. Bei der vollständigen Beschreibung des Generators muss der magnetische Fluss nach der Ketten- und der Produktregel abgeleitet werden, sodass zum einen mit A = const. argumentiert und zum anderen die Frequenzabhängigkeit nachgewiesen werden kann. Dass die Ableitung einer physikalischen Größe hier zu einer neuen Größe führt, ist keine einfache Transferleistung.
Erläuterungen der Stationen
Das Arbeitsblatt ist als Laufzettel angelegt. Es beschreibt Stationen mit vier verschiedenen Funktionen:
1.Heranführung an die Simulation: An der ersten Station werden die Parameter Drehgeschwindigkeit bzw. Feld- und Stromrichtung untersucht, da diese später im Induktionsgesetz über die Größen Winkelgeschwindigkeit und Phasenlage abgebildet werden müssen. Der zuschaltbare Kommutator lenkt die Aufmerksamkeit auf den ansonsten sinusförmigen Spannungsverlauf. Außerdem wird durch diese Station das unvermeidliche Durchtesten von...

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