Grund­zü­ge des Ele­kro­nen­gas­mo­dells

Bei der hier vor­lie­gen­den Dar­stel­lung des Elek­tro­nen­gas­mo­dells wird le­dig­lich die Grund­zü­ge des „di­dak­tisch re­du­zier­ten“ Mo­dells dar­ge­stellt. Eine ge­naue Fach­wis­sen­schaft­li­che Be­trach­tung fin­det man unter (1). Aus dem­sel­ben Ar­ti­kel stammt auch die Be­schrei­bung des Mo­dells:

Be­schrei­bung des Elek­tro­nen­ga­ses:

• In Me­tal­len be­fin­den sich frei be­weg­li­che Elek­tro­nen in Teil­chen­form
• Durch ihre ne­ga­ti­ve La­dung sto­ßen sie sich ge­gen­sei­tig ab und ver­tei­len sich so gleich­mä­ßig im Lei­ter (wenn kein Ge­ne­ra­tor an­ge­schlos­sen ist!)
• Wi­der­stän­de schrän­ken die Be­we­gung der Elek­tro­nen stark ein; es kommt zu einem „Rück­stau“
• Ge­ne­ra­to­ren füh­ren zu einer Un­gleich­ver­tei­lung:
  • Am Mi­nus­pol der Bat­te­rie herrscht ein Elek­tro­nen­über­schuss; dies führt im Lei­ter­ab­schnitt bis zum En­er­gie­wand­ler (Wi­der­stand) zu einer er­höh­ten Elek­tro­nen­gas­dich­te und damit ver­bun­den zu einem er­höh­ten Elek­tro­nen­gas­druck
  • Der po­si­tiv ge­la­de­ne Plus­pol der Bat­te­rie „„saugt“ ähn­lich einem Staub­sau­ger die ne­ga­ti­ven Elek­tro­nen aus dem mit ihm ver­bun­de­nen Lei­ter­ab­schnitt, wes­halb es hier zu einer ver­rin­ger­ten Elek­tro­nen­dich­te und damit einem ge­rin­ge­ren Elek­tro­nen­druck kommt“ (1)
• Der Elek­tro­nen­gas­druck-Un­ter­schied ist dann die Ur­sa­che für die Be­we­gung der Elek­tro­nen
• Der Elek­tro­nen­gas­druck wird dem Po­ten­zi­al gleich­ge­setzt; damit ent­spricht die Span­nung einem Elek­tro­nen­gas­druck-Un­ter­schied
• Je grö­ßer der Un­ter­schied des Elek­tro­nen­gas­drucks ist, desto grö­ßer ist dann der Strom­fluss (bei gleich­blei­ben­dem Wi­der­stand)
• Bei der Ein­füh­rung ist es wich­tig, den Sys­tem­cha­rak­ter elek­tro­ni­scher Schal­tun­gen zu be­to­nen, nur so kann eine Kon­stanz des Strom­flus­ses bei einem ein­fa­chen Strom­kreis er­klärt wer­den

• Nach (1) gilt:

  „Wenn auch kein spe­zi­el­les phy­si­ka­li­sches Vor­wis­sen für das Elek­tro­nen­gas­mo­dell be­nö­tigt wird, sind Vor­kennt­nis­se im Be­reich Wär­me­leh­re (Mo­dell des idea­len Gases) und Elek­tro­sta­tik (Kräf­te auf ge­la­de­ne Kör­per) si­cher­lich hilf­reich.“

Vi­sua­li­sie­rungs­mög­lich­kei­ten (2)

Hier sind nur die nach der im Ab­stract auf­ge­führ­ten Vi­sua­li­sie­run­gen dar­ge­stellt, die von den be­frag­ten Schü­lern als hilf­reich be­zeich­net wur­den:

Auch eine Ver­knüp­fung der bei­den Dar­stel­lun­gen ist denk­bar (1):

„Bei­spiels­wei­se könn­te der Druck bzw. das Po­ten­zi­al statt über Punk­te­dich­ten auch über Farb- bzw. Grau­ab­stu­fun­gen dar­ge­stellt wer­den, wäh­rend der elek­tri­sche Strom über Punk­te mit gleich­mä­ßi­ger Dich­te und kon­stan­ter Drift­ge­schwin­dig­keit vi­sua­li­siert wer­den könn­te. Eine sol­che Dar­stel­lung hätte den Vor­zug, dass das Span­nungs- und Strom­kon­zept auch vi­su­ell klar ge­trennt wären“

Es bie­tet sich an, um die Ver­brauchs­vor­stel­lung der Elek­tro­nen nicht zu för­dern, die Farb­dar­stel­lung zu ver­wen­den bzw. die an­ge­spro­che­ne Ver­knüp­fung zu ver­wen­den. Au­ßer­dem bie­tet es sich an, dy­na­mi­sche Si­mu­la­tio­nen zu ver­wen­den um zu zei­gen, „dass die Strö­mungs­ge­schwin­dig­keit in dem Maße zu­nimmt, wie die Dich­te ab­nimmt, und die Strom­stär­ke daher im ge­sam­ten Strom­kreis kon­stant sein muss.“ (1)

Rei­hen- und Par­al­lel­schal­tung in der Farb­dar­stel­lung:

Di­dak­ti­sche Über­le­gun­gen:

• Da es sich bei den La­dun­gen um Elek­tro­nen han­delt, sollt von Be­ginn an die phy­si­ka­li­sche Strom­rich­tung be­han­delt wer­den
• Man soll­te die Be­grif­fe po­si­ti­ve und ne­ga­ti­ve Po­ten­zia­le ver­mei­den, statt­des­sen soll­te man von gro­ßen Po­ten­zia­len spre­chen, wenn hohe Elek­tro­nen­gas­drü­cke ge­meint sind und von ge­rin­gen Po­ten­zia­len, wenn nied­ri­ge Elek­tro­nen­gas­drü­cke ge­meint sind
• Trotz der Fo­kus­sie­rung auf die sich be­we­gen­den Elek­tro­nen soll­ten die po­si­ti­ven Atom­rümp­fe an einer an­ge­spro­chen wer­den (z.B. wenn eine mi­kro­sko­pi­sche Er­klä­rung für die ge­rin­ge Leit­fä­hig­keit (sowie die Tem­pe­ra­tur­ab­hän­gig­keit, ...) ge­ge­ben wer­den soll)

Of­fe­ne Fra­gen:

• Wie er­klärt man hier einen Kurz­schluss
• An­schluss­fä­hig­keit in der Ober­stu­fe → elek­tri­scher Feld­be­griff und die damit ver­bun­de­ne Be­we­gung der Elek­tro­nen (um­ge­kehr­te Rich­tung)
• ...

Li­te­ra­tur­ver­zeich­nis

1. Burde, Jan-Phil­ipp, Wil­helm, Tho­mas und Wies­ner, Hart­mut. Das Elek­tro­nen­gas­mo­dell in der Se­kun­dar­stu­fe I. 2014.

2. Burde, Jan-Phil­ipp, Wil­helm, Tho­mas und Wies­ner, hart­mut. Das Elek­tro­nen­gas­mo­dell und Mög­lich­kei­ten sei­ner Vi­sua­li­sie­rung. 2014.

Grund­zü­ge des Ele­kro­nen­gas­mo­dells: Her­un­ter­la­den [docx][203 KB]

Wei­ter zu Stun­den­ver­tei­lung