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7.1.1 Stromstärke, Spannung, Widerstand

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Hier werden die elektrischen Größen erstmals quantifiziert. Dabei müssen die Festlegungen der Einheiten zunächst noch rudimentär bleiben.
Der Begriff Stromstärke wird zunächst auf jeden Fall in verbalisierter Form besprochen (Ladungsmenge, die pro Sekunde eine "Zählstelle" passiert). Er lässt sich anschaulich durch Vergleich mit anderen "Strömungen" gut verständlich machen. Die formale Festlegung als I = ΔQ/Δt kann, muss aber noch nicht zwangsläufig in der Jahrgangsstufe 7 erfolgen.
Die Ladungseinheit 1 C braucht in dieser Jahrgangsstufe nicht eingeführt zu werden. Eine sinnvolle Möglichkeit, die Stromstärkeeinheit 1 A festzulegen, ist die Mitteilung, dass eine Stromstärke von 1 A fließt, wenn in einer Sekunde etwa 6 240 000 000 000 000 000 Elektronen an der "Zählstelle" vorbeifließen.
Auch die Spannung kann zunächst lediglich als Maß für die Stärke einer elektrischen Energiequelle, d. h. die Stärke des "Antriebs", Ladung zwischen den beiden Polen auszutauschen, eingeführt werden. Die Spannungseinheit 1 V lässt sich über die Spannungswerte verschiedener Batterien greifbar machen. Im Kontext der elektrischen Energie in der Jahrgangsstufe 8 kann der Spannungsbegriff konkretisiert werden.
Gerade angesichts dieser Schwierigkeiten bei der Konkretisierung der Einheiten ist es von großer Bedeutung, eine – nicht zu große – Anzahl von typischen Vergleichswerten und Größenordnungen aus dem Alltag vorzustellen. Auf jeden Fall sollte ein Maximalwert der Spannung für gefahrloses Experimentieren genannt werden; die übliche Grenze ist 25 V (siehe: Empfehlung der Kultusministerkonferenz: Richtlinien zur Sicherheit im Unterricht (2003), Abschnitt I - 8.2 Spannungen bei Schülerexperimenten (Seite 46 des pdf-Dokuments).
Es ist sehr empfehlenswert, bei der Einführung der elektrischen Größen anschauliche Modelle heranzuziehen. Ein bewährtes Modell ist das eines Wasserkreislaufs, in dem die Spannung entweder mit dem Wasserdruck oder mit der Höhe assoziiert werden kann. Das Druck-Modell hat den Vorteil, dass die Pumpe sowohl "drückt" als auch "zieht", den Nachteil, dass die Größe Druck diffus bleibt und auch nicht unmittelbar sichtbar ist. Das Höhen-Modell ist sehr nahe am Begriff des elektrischen Potentials (von welchem hier nicht gesprochen werden muss) und ist damit fachlich sicher belastbarer.
Eine häufig auftretende Lernschwierigkeit ist, dass die Größen Stromstärke und Spannung als gleichwertige Größen angesehen werden. Hier kann man durch eine sehr klare Betonung bei der Einführung der Begriffe helfen. Auch Versuche, in denen beispielsweise eine bestimmte Spannung bei zwei verschiedenen Lämpchen unterschiedliche Helligkeiten hervorrufen, die durch Messung auf unterschiedliche Stromstärken zurückgeführt werden können, sind hier von großem Wert. Ebenso kann wiederum mit geeigneten Lämpchen die Wirkung unterschiedlicher Spannungen bei gleicher Stromstärke gezeigt werden. Ein ergänzendes einfaches Argument besteht darin, dass Spannung auch ganz ohne Stromfluss existiert, beispielsweise zwischen den Polen einer Batterie, die nicht über einen Stromkreis miteinander verbunden sind.
Ebenso wichtig wie die Einführung der Größen ist sowohl die Einführung der Messprinzipien als auch die Besprechung der grundlegenden Funktionsweise von Messgeräten, des korrekten Einbaus der Messgeräte in Schaltungen und der Ablesung auch für nicht digitale Skalen. Es ist sehr wünschenswert, in dieser Phase die Schülerinnen und Schüler auch selbst experimentieren zu lassen.
Mit den Begriffen Stromstärke und Spannung ist der anspruchsvollste Teil der Begriffsbildung erfolgt. Die Definition des elektrischen Widerstands als die Größe, die quantifiziert wie stark ein bestimmtes Bauteil oder Gerät den elektrischen Stromfluss hemmt, und deren Festlegung als Quotient aus anliegender Spannung und dadurch bewirkter Stromstärke können gut plausibel gemacht werden. Die Definition der Widerstandseinheit 1 Ω erfolgt hier; das Ohmsche Gesetz bleibt der Jahrgangsstufe 8 vorbehalten. In der Jahrgangsstufe 7 liegt der Fokus klar auf der Einführung wichtiger Größen und der Messinstrumente. Rechnungen mit den Größen und Formeln sollten auf der Ebene elementarster Beispiele bleiben.

Aufgabe Elektrische Größen 
Aufgabe Lügendetektor 

 

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