Ziel des folgenden Unterrichts

Ein experimenteller Aufbau zeigt eine Kette an Energieumwandlungen von der mechanischen Energie über andere Energieformen zurück zur mechanischen Energie.

Didaktische Bemerkungen

Wesentlich bei den folgenden Varianten ist der Anfang der Kette - der Dynamot. Die Schülerinnen und Schüler spüren beim Drehen der Kurbel, dass sie eine erhebliche Kraft längs eines Weges - dass sie also mechanische Energie ( E = F _S ⋅s ) - aufbringen müssen. Diese Energie, die sie in Handarbeit in die Anlage einspeisen, läuft über verschiedene andere Energieformen, die an diesen Stellen in der Anlage zu beobachten sind (z. B. wenn die Halogenlampe aufleuchtet; wenn ein Voltmeter die Spannung an der Solarzelle misst). Und am Ende der Umwandlungskette sehen sie, wie ein Teil der eingespeisten mechanischen Energie wieder als mechanische Energie zum Vorschein kommt und der Propeller Wind erzeugt. Das spürbare Erleben - z. B. dass man sich mehr anstrengen muss, wenn man mehr Energie einspeisen will, damit sich der Propeller am anderen Ende schneller dreht - ist ein wesentlicher Aspekt, damit die zunächst nur intuitiv vorliegende Vorstellung Energie und Energieerhaltung in das bestehende Wissen nachhaltig eingefügt wird.

Variante Lampe - Solarzelle (A)

Bei dieser Variante wird an einen Dynamot eine handelsübliche Halogenlampe angeschlossen (20 W - besser 50 W). Das Licht der Halogenlampe fällt auf eine Solarzelle ¹ , an deren Anschlüsse ein Elektromotor parallel zu einem Gold-Cap-Kondensator (10 F, 2,3 Vmax) angeschlossen ist.

Variante Lampe - Peltiermodul (B)

Bei dieser Variante wird an einen Dynamot ebenfalls eine handelsübliche Halogenlampe angeschlossen (Wichtig: Hier muss man min. eine 50 W-Halogenlampe verwenden, das Peltiermodul mit Wärmeleitpaste auf die Halogenlampe kleben und die andere Fläche des Peltiermoduls mit einem Lüfter oder einem hinreichend großen Alublock auf Umgebungstemperatur halten! Weiterhin muss man lange und kräftig genug kurbeln!). Das Licht der Halogenlampe fällt in dieser Variante auf ein Peltiermodul, das die elektrische Energie für einen Elektromotor liefert, der einen Propeller trägt. Auch in dieser Variante läuft der Propeller nach, obwohl kein Gold Cap- Kondensator als Energiespeicher eingeschaltet ist. Eventuell fällt auf, dass das Peltiermodul in dieser Variante mit schwarzer Farbe belegt wird.

Variante Heizspirale - Peltiermodul (C)

Bei dieser Variante wird an einen Dynamot eine aus Konstantandraht (Länge: 30 cm, Durchmesser 0,5 mm) selbst gebastelte Heizspirale angeschlossen, die mit Klebeband auf dem Peltiermodul befestigt wird. Das Peltiermodul liefert die elektrische Energie an einen Elektromotor, der einen Propeller trägt. Auch in dieser Variante läuft der Propeller nach, obwohl kein Gold-Cap-Kondensator als Energiespeicher eingeschaltet ist.

Variante Dynamot - Heißluftmotor ² (D)

Eine interessante Variante bildet die Energiekette aus einem Dynamot, der ein Peltiermodul (bzw. mehrere Peltiermodule) mit elektrischer Energie versorgt, die wiederum einen Heißluftmotor mit thermischer Energie versorgen.

Variante vom Dynamot zum Wasserstoff (E)

Ein Dynamot ist an einen so genannten Elektrolyseur angeschlossen. Parallel zum Elektrolyseur sitzt ein Goldcap (1 F). Der Elektrolyseur erzeugt Wasserstoffund Sauerstoffgas. Die beiden Schläuche des Elektrolyseurs führen zu einer Brennstoffzelle. Am anderen Ende der Brennstoffzelle ist ein Elektromotor angeschlossen, der einen Propeller antreibt. Parallel zum Elektromotor liegt ein weiterer Goldcap.

Variante von der Solarzelle zum Wasserstoff (F)

Der Dynamot in der Anlage (E) wird durch eine Solarzelle hinreichender Fläche ersetzt, die am so genannten Elektrolyseur angeschlossen ist. Bei hinreichend intensiver Sonneneinstrahlung funktioniert die Anlage auch in dieser Variante. Parallel zum Elektrolyseur sitzt ein Goldcap (1 F). Der Elektrolyseur erzeugt Wasserstoff- und Sauerstoff-Gas. Die beiden Schläuche des Elektrolyseurs führen zu einer Brennstoffzelle. Am anderen Ende der Brennstoffzelle ist ein Elektromotor angeschlossen, der einen Propeller antreibt. Parallel zum Elektromotor liegt ein weiterer Goldcap. Wesentlich ist in diesem Zusammenhang, dass man die von uns verwendete Elektrolyseur-Zelle als Brennstoffe-Zelle und umgekehrt einsetzen kann.

1. Elektrolyseur
   
2. Brennstoffzelle ³
   
3. Brennstoffzelle und Elektrolyseur in einem Bild
   

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¹ Achtung: In diesem Experiment ist ein kleiner Elektromotor eingesetzt, der etwa bei 0,35 V und 14 mA anläuft. Die Solarzelle wird passend zum Motor und zur Beleuchtungsfläche der Halogenlampe gewählt.

² Unter http://www.schager-hwm.de/ findet man: Die SCHAGER Handwärme-Motore sind Stirlingmotore mit modifizierter Ringbom-Steuerung, die speziell für den Betrieb auf der Hand entwickelt wurden. Sie können schon eine sehr geringe Temperaturdifferenz, wie sie zwischen der Hand und der Umgebungsluft üblicherweise vorhanden ist, in mechanische Drehbewegung umsetzen. Ein Temperaturunterschied von 3 K am Verdrängungszylinder reicht bereits zu einer einwandfreien Funktion aus. Bei ca. 6 K bis 10 K ergibt sich ihr bester Lauf, wobei sie immerhin bis zu 250 bzw. 450 Umdrehungen pro Minute erzielen.

³ ... Im Falle der Wasserstoff-Brennstoffzelle laufen folgende chemische Reaktionen ab: 2 H ₂ →4 H ⁺ + 4 e ^- (an der Anode) und O ₂ + 4 H ⁺ + 4 e ^- → 2 H ₂ O (an der Kathode). Diese Reaktion läuft normalerweise explosionsartig ab, wenn sie gezündet wird (Knallgasreaktion). In der Brennstoffzelle wird diese Reaktion gebändigt, sie läuft kontrolliert und bei Raumtemperatur ab. Wasserstoff reagiert hier nicht direkt mit dem Luftsauerstoff, sondern gibt seine Elektronen an der Platinanode ab, die als Katalysator wirkt. Die zurückbleibende H ⁺ -Ionen diffundieren durch die Polymermembran (sie ist nur durchlässig für H ⁺ -Ionen, also semipermeabel). Die im äußeren Stromkreis zur Kathode fließenden Leitungselektronen neutralisieren die H ⁺ -Ionen zu H-Radikalen (wiederum über Vermittlung der Katalysatorwirkung des Platins), die mit dem Luftsauerstoff zu H ₂ O reagieren, welches abgeführt wird. Die Betriebsspannung einer einfachen Zelle liegt bei 0,3 bis 0,9Volt ...
... mit anderen Worten: An der linken und rechten Elektrode werden Wasserstoff- (H ₂ ) und Sauerstoffmoleküle (O ₂ ) mit Hilfe des Katalysators jeweils in Einzelatome zerlegt. Wasserstoffatome geben Elektronen an die rechte metallische Elektrode ab, während das Proton durch den Elektrolyten ( Protonenventil - lässt nur Protonen durch!) zur rechten Elektrode wandern kann ... an der rechten Elektrode entsteht aus Protonen, Elektronen und Sauerstoffatomen ein Wassermolekül.
aus H. Krenn: Die Physik von Kontakten, PdN-PhiS. 3/54. Jg. 2005.

 

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