… aus dem Physiksaal
© 2011 - 2019   Sven H. Pfleger

Der mobile Physiksaal: Elektrizität

Die Elektrizität mit ihren zahlreichen Teilgebieten, wie zum Beispiel Elektrostatik, Magnetismus oder Elektronik benötigt natürlich extrem viel Material, um die Themen entsprechend darzustellen. Sie bietet jedoch auch eine Vielzahl an Möglichkeiten. Dabei ist gerade der Versuch und das daraus resultierende experimentelle Verständnis der Vorgänge von unschätzbarem Wert, denn was sich da so in der Stromleitungen und Schaltungen tut ist ja ohne weiteres mit den Sinnen kaum wahrnehmbar. Und weil das Nachmessen wissenschaftlich so große Bedeutung hat, wird der elektrischen Messtechnik ein eigenes Kapitel gegönnt.

Elektrostatik

Mit den Versuchen zur Elektrostatik soll der Zugang zur Elektrizität, analog zur klassischen Entdeckung geschaffen werden. Ziel ist es dabei eine Vorstellung von Ladungen und geladenen Körpern zu erhalten, getrennte Ladungen als Ursache einer Spannung zu verstehen und schließlich beim Ausgleich des Ladungsunterschieds den Grund für den Fluss der Ladungsträger zu erkennen. Neben Versuchen mit Reibestab und Lappen, Einsatz von Elektroskopen und Glimmlampen werden zum Beispiel auch Elektrophor und Bandgeneratoren sowie piezoelektrische Hochspannungsquellen, Faradaybecher und Ladungen am Plattenkondensator erforscht.

Stromkreis

Was wäre die Elektrotechnik ohne ihre Grundschaltungen, Reihen- und Parallelschaltungen und mit Blick auf die Digitaltechnik auch den zahlreichen Verknüpfungsvarianten. Was ist ein Stromkreis und was treibt die Ladungen in solchen geschlossenen Kreisen an, was also bringt dem Strom zum Fließen? Stromkreise mit Glühlämpchen, Schaltern, verschiedenen Batterieanordnungen und auch einfache Relaisschaltungen sollen hier ausgiebig untersucht werden können.

Widerstand

Die wichtigsten Bauteile der Elektronik und in der Elektrotechnik geht es gar nicht ohne: Widerstände teilen elektrische Spannungen überhaupt erst und begrenzen den elektrischen Strom. In den Versuchen geht es um die Materialabhängigkeit (verschiedene Metalle, Längen und Durchmesser) aber auch um verschiedene Bauformen. Licht- abhängige Widerstände, temperaturabhängige Widerstände und Schaltungen von Widerständen stehen hier auf dem Programm.

Magnetismus

Was haben Magnetismus und Elektrizität miteinander zu tun? Nach den einführenden Versuchen zum Magnetismus, zu den magnetischen Feldern und ihren Eigenschaften wird diese Frage in Experimenten untersucht. Experimentiert wird dabei mit Magnetnadeln, Magneten, Spulen und zum Beispiel auch verschiedenen Materialien. Schließlich stehen Aufbau und Funktion einer elektrischen Glocke, eines Zeigermessgerätes und der Zusammenbau eines Elektromotors auf dem Programm.

Wechselstrom

Zeitlich veränderliche Spannungen und Ströme sind Thema dieses Kursteils. Dabei werden unter anderem Versuche zu Induktion und mit dem Aufbautransformator durchgeführt. Spezielle Netzgeräte machen den Umgang mit der „Netzspannung“ gefahrlos möglich: Sie liefern nur die Spannungen, die gerade gebraucht werden und können ohne „Schlüssel“ nicht verändert werden. Im Vergleich zur Gleichspannung sollen bei der sinusförmigen Spannung  Unterschiede und Gemeinsamkeiten sowie Vergleichsgrößen ermittelt werden. Außerdem geht es um Wechselstromgrößen wie Frequenz und Amplitude.

Energie

Vielleicht das derzeit wichtigste Thema der Elektrizität überhaupt: Elektrische Energie. Welche Möglichkeiten gibt es, andere Energieformen in elektrische Energie umzuwandeln? Neben den klassischen Dynamo-Generatoren und wichtigen Versuchen zu chemischen Zellen soll die „Energiegewinnung“ auch mit Thermogeneratoren, Piezokristallen, Brennstoffzellen und Solarzellen erforscht werden. Darüber hinaus geht es um die Frage, wie sich Energieformen ineinander umwandeln lassen und wie sich so elektrische Energie speichern lässt. Weiteres Ziel ist die Abgrenzung der Begriffe: Arbeit, Leistung und Energie.

Elektronik

Nach den grundlegenden Schaltungen in der Elektrizitätslehre ist der Weg bereitet, die spannende Welt der Elektronik zu erforschen. Wie funktionieren einfache Schaltungen, vom Wechselblinker bis zum Tongenerator? Welche Bauteile werden dafür benötigt und welche Aufgaben haben diese in den Schaltungen. Neben Widerständen, Kondensatoren und Leuchtdioden werden Transistoren, aber auch ICs eingesetzt um einen Einstieg in die Elektronik problemlos zu ermöglichen. Die theoretische Tiefe kann dabei vom einfachen Nachbau bis hin zur Berechnung der Schaltungen variieren.

Messtechnik

Elektrizität muss messtechnisch erfahren werden, selbst einfachste Experimente werden selten ohne zumindest ein Zeigermessgerät nicht auskommen. Im Kurs soll der Umgang mit analogen wie digitalen Messgeräten erprobt und deren Einsatzmöglichkeiten aber auch deren Grenzen und die sichere Bedienung vermittelt werden. Darauf aufbauend können im Kurs auch wichtige Laborgeräte wie digitale Speicheroszilloskope und Funktionsgeneratoren ausgiebig untersucht und deren Nutzung verstanden werden. Zahlreiche Hilfsmittel (Referenzquellen, Präzisionswiderstände und Tastköpfe) demonstrieren die wichtigsten Labortätigkeiten und Vorgehensweisen.