Ausgehend von Grundkenntnissen zur Funktionsweise von Transformatoren und den physikalischen Gesetzmäßigkeiten beim Stromtransport (Ohm'scher Widerstand, spezifischer Widerstand des jeweiligen Leiters) wird den Schülerinnen und Schülern gezeigt, dass nur ein Stromtransport mithilfe von Hochspannungsleitungen effektiv und wirtschaftlich ist. Anhand eines Beispiels zur direkten Übertragung des Stromes vom Elektrizitätswerk zum Verbraucher über eine größere Distanz erkennen die Lernenden, dass auf diese Weise beim Verbraucher so gut wie keine brauchbare Energie mehr ankommt. Versorgt man den Verbraucher über dieselbe Distanz jedoch über eine Hochspannungsleitung, ergeben sich nur minimale Verluste, so dass fast die ganze Ausgangsleistung des Elektrizitätswerkes beim Verbraucher zur Verfügung steht.
Energietransport mit Hochspannungsleitungen
In dieser Unterrichtseinheit sollen die Lernenden mit den Möglichkeiten der Energieversorgung mittels Hochspannungsleitungen vertraut gemacht werden. Im Vordergrund steht die Bedeutung des Hochtransformierens der Ausgangsspannung am Elektrizitätswerk auf hohe bis sehr hohe Spannungen, die gleichzeitig ein Absenken der durch die Leitung fließenden Stromstärken ermöglicht – Grundvoraussetzungen für einen Stromtransport mit möglichst geringen Leitungsverlusten.
- Physik / Astronomie / Technik / Sache & Technik
- Sekundarstufe I
- 2 Unterrichtsstunden
- Arbeitsblatt, Experiment
- 1 Arbeitsmaterial
Beschreibung der Unterrichtseinheit
Unterrichtsablauf
-
Einstieg
Anhand eines Videos oder einer Animation kann die Funktionsweise der Energieversorgung in Deutschland kurz gezeigt und erläutert werden. An zwei Modellversuchen wird im Anschluss die Energieversorgung auf direktem Weg mit der Energieversorgung über Hochspannung verglichen (Arbeitsblatt 1).
10 Minuten -
Vertiefung
Eine Glühlampe soll im ersten Modellversuch (Aufgabe 1) über eine direkte Leitung mit Strom versorgt werden, wobei die zu berechnenden Widerstände durch spezielle Versuchswiderstände im Lehrerversuch simuliert werden können.
30 Minuten -
Hausaufgabe
Als Hausaufgabe sollen die Lernenden die im Unterricht noch nicht erarbeiteten, restlichen Teilaufgaben von Aufgabe 1 lösen.
5 Minuten -
Ergebnisse herleiten
Die Ergebnisse der Hausaufgabe werden zu Beginn der nächsten Unterrichtsstunde verglichen und überprüft.
5 Minuten -
Erweiterung des Gelernten
Nun wird die Energieübertragung mit Hochspannung simuliert (zweiter Modellversuch) und anhand von Übungsaufgabe 2 durchgerechnet. Die Übungsaufgaben 3 und 4 dienen als Ergänzung und können gegebenenfalls auch als Hausaufgabe aufgegeben und in einer weiteren Unterrichtsstunde erläutert werden.
40 Minuten
Didaktisch-methodischer Kommentar
Energietransport mit Hochspannungsleitungen im Unterricht
Hochspannungsleitungen sind im Alltag an vielen Stellen ebenso zu sehen wie auch Umspannstationen mit entsprechenden Transformatoren. Die Schülerinnen und Schüler sollen dafür interessiert und sensibilisiert werden, warum es für manche Leitungen bis zu 60 m hohe Masten braucht, während im Ortsbereich oder in der näheren Umgebung auch sehr niedrige Masten für den Stromtransport ausreichen – in Deutschland allerdings nur noch eingeschränkt vorhanden, weil die Nahversorgung häufig bereits über Erdkabel erfolgt.
Vorkenntnisse
Grobe Vorkenntnisse der Lernenden können dahingehend vorausgesetzt werden, dass die Hochspannungsmasten nicht zu übersehen sind und jeder weiß, dass sie der Stromversorgung dienen. Die wenigsten werden allerdings wissen, warum die Masten mit drei oder sechs Leitungen bestückt sind. Ebenso wird kaum bekannt sein, dass die Hochspannungsleitungen üblicherweise mit Dreiphasenwechselstrom betrieben werden.
Didaktische Analyse
Bei der Behandlung des Themas sollte man darauf achten, dass die Stromversorgung ein hochkomplexes Gebilde ist, das man – vor allem in der Sekundarstufe I – nur modellmäßig erfassen kann. Dies ist allerdings für ein erstes Verstehen der grundlegenden Prinzipien völlig ausreichend und kann gegebenenfalls in der Sekundarstufe II in entsprechenden Kursen vertieft werden.
Methodische Analyse
Bei der modellmäßigen Beschreibung des Energietransportes und den in den Übungsaufgaben zu berechnenden Fakten kommt es darauf an, dass die Lernenden erkennen, dass Energietransport an spezielle Gegebenheiten und physikalische Gesetzmäßigkeiten gebunden ist, die nur mithilfe der Hochspannungstechnik möglich sind.
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Unterrichtsmaterialien "Energietransport mit Hochspannungsleitungen" zum Download
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Das sehr ausführliche Arbeitsblatt 1 zeigt neben der genauen Beschreibung und Erklärung des Energietransportes mit Hochspannungsleitungen anhand von zusätzlichen Übungsaufgaben weitere spezielle Anwendungen.
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Das sehr ausführliche Arbeitsblatt 1 zeigt neben der genauen Beschreibung und Erklärung des Energietransportes mit Hochspannungsleitungen anhand von zusätzlichen Übungsaufgaben weitere spezielle Anwendungen.
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Dieses Arbeitsblatt enthält die Lösungen zu den Übungsaufgaben und Fragestellungen.
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Vermittelte Kompetenzen
Fachkompetenz
Die Schülerinnen und Schüler
- wissen um die Bedeutung und Funktion von Hochspannungsleitungen.
- kennen die unterschiedlichen und differenzierten Möglichkeiten der Energieübertragung mit Hochspannungsleitungen.
- können durch Rechnung zeigen, dass ein wirtschaftlicher Energietransport nur mithilfe der Hochspannung funktionieren kann.
Medienkompetenz
Die Schülerinnen und Schüler
- recherchieren selbständig Fakten, Hintergründe und Kommentare im Internet.
- können die Inhalte von Videos, Clips und Animationen auf ihre sachliche Richtigkeit hin überprüfen und einordnen.
Sozialkompetenz
Die Schülerinnen und Schüler
- lernen durch Partner- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team.
- setzen sich mit den Ergebnissen der Mitschülerinnen und Mitschülern auseinander und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen.
- erwerben genügend fachliches Wissen, um mit anderen Lernenden, Eltern oder Freunden wertfrei diskutieren zu können.
