… aus dem Physiksaal
© 2011 - 2021  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

Die     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.

Digitaltechnik

Computer   sind   heute   aus   unserem   Leben   gar   nicht   mehr   wegzudenken.   Und auch,    wenn    ihr    Aufbau    mittlerweile    recht    aufwändig    geworden    ist,    in    den Grundfunktionen    lassen    sich    die    Schaltungen    auf    nur    wenige    Prinzipien zurückführen und zusammenfassen. Im   Kurs   wird   die   Welt   der   „Nullen   und   Einsen“   mit   Grundlagen-Schaltungen   und schließlich    auf    einem    speziellen    Digital-Experimentier-Board    untersucht    und natürlich mit zahlreichen Anwendungen und Experimenten überprüft. So   gelingt   der   Einstiegt   in   die   digitale   Elektronik   und   macht   bestimmt   Lust   auf eigene Schaltungen und Aufbauten.

Funktechnik

Kommunikation   ist   Alles.   Ganz   selbstverständlich   sprechen   wir   quer   über   die Kontinente   hinweg   miteinander,   sehen   Bilder   vom   anderen   Ende   der   Welt   und aus dem Weltraum und sind immer „live dabei“. Wie   wird   der   Funk   überhaupt   realisiert,   warum   heißt   es   „Funk“   und   warum   darf nicht    jeder    „funken,    wie    er    möchte“?    Diese    und    zahlreiche    anderen    Fragen werden im Kurs sicher gelöst. Mit     einfach     nachvollziehbaren     Schaltungen     wird     das     Thema     für     jeden Teilnehmer   verständlich   und   „aus   der   Vergangenheit   und   den   Anfängen   der drahtlosen     Übertragung“     wird     bis     in     die     Gegenwart     hinein     auch     eine schaltungstechnische     Reise     durch     die     Zeit     unternommen     -     mit     vielen Experimenten und Versuchen.