Alles rund ums Thema elektrische Stromkreise

Didaktisches Begleitmaterial zum Produkt Class Set Electrical Control

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Fertige Unterrichtspläne Class Set Electrical Control

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Einführung in das Thema

Stromkreise sind die Basis für unzählige Dinge vom simplen Lichtschalter für die Zimmerbeleuchtung über die Küchenmaschine bis hin zu Robotern und Computern. Mit niedrigen elektrischen Spannungen, z. B. aus einer Batterie, lassen sich elektrische Phänomene und Techniken anschaulich darstellen, erleben und verstehen:

Wie funktioniert eine Taschenlampe?
Wie schalte ich einen elektrischen Motor ein und aus?
Wie kann ich bei einem Motor die Drehrichtung ändern?
Wie kann ich eine Lampe von mehreren Stellen aus steuern, etwa wie bei einer Treppenhausbeleuchtung?
Wie funktionieren einfache elektrische Steuerungen?
 

Definition

Elektrizität ist der Teilbereich der Physik, der sich mit elektrischer Ladung und deren Anwendung befasst:

In einer Stromquelle, beispielsweise einer Batterie, sind elektrische Ladung und Energie gespeichert. Elektrische Ladung gibt es in „positiver“ und „negativer“ Ausprägung. Bei einer aufladbaren Batterie – einem Akkumulator oder kurz Akku – kommt die Energie durchs Aufladen hinein.
Ein Verbraucher ist das Gerät, welches den elektrischen Strom nutzen soll: Eine Lampe leuchtet, ein Motor dreht sich und kann Arbeit verrichten.
Ein Stromkreis entsteht, wenn die elektrische Ladung zwischen zwei Polen – einem Pluspol und einem Minuspol – fließt. Die elektrische Ladung strömt also von der Stromquelle zum Verbraucher und zurück. Die Energie fließt mit dem Strom und wird vom Verbraucher für dessen jeweiligen Zweck genutzt. Deshalb sind Batterie bzw. Akku irgendwann leer (entladen).
Der Strom fließt in elektrischen Leitungen, z.B. einem Stück Metall in Form eines Kabels.
Elektrische Schalter dienen dazu, den Stromfluss zu steuern. Sie ermöglichen den Stromfluss oder unterbrechen ihn. Damit können wir eine Taschenlampe oder einen Motor ein- und ausschalten.

Elektrischer Strom kann Energie sehr schnell über weite Entfernungen transportieren und für die unterschiedlichsten Zwecke genutzt werden. Das macht ihn so vielseitig einsetzbar und nutzbar wie sonst kaum etwas auf dieser Welt.
 

Historie

Ohne sich dessen bewusst zu sein, haben die Menschen schon vor zehntausenden Jahren ein sehr beeindruckendes elektrisches Phänomen beobachten können: Den Blitz bei einem Gewitter. Hier fließt sehr viel elektrische Ladung mit sehr viel Energie in einem Sekundenbruchteil von Gewitterwolken zum Boden. Der Effekt ist so stark, dass Bäume förmlich „gesprengt“ werden können, weil die beim Blitzeinschlag freigesetzte Energie genügt, das im Baum gespeicherte Wasser augenblicklich zum Sieden (Kochen) zu bringen und so das Holz platzen zu lassen.

Harmlosere Erfahrungen mit Elektrizität macht wohl jeder Mensch einmal, wenn er sich die Haare mit einem Kunststoff-Kamm kämmt und feststellt, dass ihm die Haare danach „zu Berge stehen“. Sie wurden durch die Reibung am Kamm elektrisch aufgeladen. Solche Effekte wurden schon um 600 v. Chr. bei der Reibung mit Bernstein beobachtet.

Ein erster Vorläufer einer „Batterie“ wurde schon im letzten Jahrhundert v. Chr. hergestellt: Je ein Eisen- und ein Kupferstab wurden in ein Elektrolyt, wie man es heute nennen würde, getaucht. Als Elektrolyt diente damals schlicht – Traubensaft!

Erst in den letzten ca. 400 Jahren wurde die Elektrizität systematischer untersucht. Etwa Anfang des 19. Jahrhunderts entdeckte man die Wechselwirkung zwischen fließendem elektrischem Strom und Magnetismus – der Grundlage für die späteren Elektromotoren. Der britische Physiker Michael Faraday fasste die Naturgesetze der Elektrizität in mathematische Formeln. Dadurch wurden elektrische Phänomene quantitativ berechenbar.

Seitdem schritten der Erkenntnisgewinn und die praktische Anwendung Hand in Hand in immer schnellerem Tempo voran. Man denke an die Glühlampe, die ersten Telegrafen, die erste Funkübertragung, Radio, Telefon, Fernsehen, elektrisch betriebene Züge und andere Fahrzeuge, den Taschenrechner – bis zu Telekommunikations-Satelliten, Smartphones, Microcontroller und die großen Rechenzentren.

Grundlagen

Der Einführung in die Elektrik und Elektromechanik mit fischertechnik dienen folgende Bauteile:

Der Batteriehalter enthält eine 9 V Blockbatterie oder einen entsprechenden Akku. Er verfügt über einen Ein-/Aus-/Polwende-Schalter.
Eine Leuchtdiode (LED) dient als Lampe.
Ein kräftiger kleiner und leiser Elektromotor um die Modelle anzutreiben. Da es sich um einen Gleichstrom-Motor handelt, lässt sich seine Drehrichtung durch Umpolen (Vertauschen der Anschlüsse) wechseln.
 

Der fischertechnik-Taster ist ein selbstrückstellender Schalter, der auf Knopfdruck einen „Zentral“-Kontakt von einem „Ruhe“-Kontakt auf den „Arbeits“-Kontakt umschaltet. Mit ihm lassen sich nicht nur Verbraucher ein- und ausschalten, sondern durch geeignete elektrische Schaltungen auch raffinierte Steuerungen aufbauen.
Leitungen mit Steckern stellen die elektrische Verbindung zwischen den Bauteilen her.

All das passt sich natürlich perfekt ins fischertechnik-System ein, sodass nicht nur die grundsätzlichen Funktionen der Elektrotechnik dargestellt werden, sondern robuste und realistische Funktionsmodelle von Maschinen hergestellt werden können.


Weiterführende Informationen

Zur Elektrizität allgemein:

Zentrale für Unterrichtsmedien im Internet e. V: Elektrizität

Elektrotechnik mit fischertechnik:

Falk, Stefan: Motorsteuerung (Folien zum Workshop, PDF-Download). Auf: Karlsruher Technik-Initiative, Arbeitsmaterialien. Karlsruhe, 2017.
ft:pedia: Artikelübersicht (dort nach „Motorsteuerungen“ oder „Elektromechanik“ suchen). Verschiedene Autoren (die ft:pedia ist eine vierteljährlich erscheinende PDF-Zeitschrift von und für fischertechnik-Fans)

Download: Bauanleitung

 

 
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