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.

 

Un­ter­richts­ein­heit En­er­gie­um­wand­lungs­ket­ten: Her­un­ter­la­den [pdf] [129 KB]

 

Wei­ter mit Un­ter­richt