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Illustration: eine eingeschaltete Taschenlampe liegt auf einer rosa Wiese und wirft einen breiten Lichtkegel.

Physik · Niedersachsen · Sek I

Elektrischer Stromkreis und ohmsches Gesetz

Eine Unterrichtsreihe zur Elektrizitätslehre für Klasse 7 und 8 nach dem niedersächsischen Kerncurriculum. Die Schülerinnen und Schüler deuten den Stromkreis mit dem Elektronenmodell, messen Stromstärke und Spannung, unterscheiden die Definition des Widerstands vom ohmschen Gesetz, berechnen Reihen- und Parallelschaltungen mit Knoten- und Maschenregel und begründen Schutzmaßnahmen vor den Gefahren des Stroms.

Klassen
7–8
Schulformen
Gymnasium, Oberschule
Umfang
12 Unterrichtsstunden
Fach
Physik
Bundesland
Niedersachsen
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Lernziele

  • Die Schülerinnen und Schüler beschreiben Aufbau und Bestandteile von Stromkreisen, zeichnen Schaltpläne mit genormten Schaltzeichen und unterscheiden Leiter und Isolatoren.
  • Sie deuten Vorgänge im Stromkreis mit dem Modell bewegter Elektronen und widerlegen die Vorstellung, dass Strom verbraucht wird.
  • Sie messen Stromstärke und Spannung sachgerecht, verwenden die Größen I und U mit ihren Einheiten und geben typische Größenordnungen an.
  • Sie bestimmen Widerstände mit R = U/I und unterscheiden diese Definition vom ohmschen Gesetz anhand von Messreihen und U-I-Diagrammen.
  • Sie wenden Knoten- und Maschenregel auf Reihen- und Parallelschaltungen an und berechnen Teilspannungen, Teilströme und Gesamtwiderstände.
  • Sie beschreiben Schutzmaßnahmen wie Sicherung, FI-Schalter und Kleinspannung und begründen Verhaltensregeln.

Bezug zum Kerncurriculum

Kerncurriculum für das Gymnasium Schuljahrgänge 5–10 Naturwissenschaften (Niedersachsen, 2015), Teil Physik

  • Inhaltsbereich: Magnetismus und Elektrizität
  • Kompetenzerwartung: erkennen einfache elektrische Stromkreise und beschreiben deren Aufbau und Bestandteile.
  • Kompetenzerwartung: verwenden Schaltbilder in einfachen Situationen sachgerecht.
  • Kompetenzerwartung: unterscheiden zwischen elektrischen Leitern und Isolatoren und benennen Beispiele dafür.
  • Kompetenzerwartung: unterscheiden Reihen- und Parallelschaltung.
  • Kompetenzerwartung: wissen um die Gefährdung durch Elektrizität und wenden geeignete Verhaltensregeln zu deren Vermeidung an.
  • Kompetenzerwartung: deuten die Vorgänge im Stromkreis mithilfe der Vorstellung von bewegten Elektronen in Metallen.
  • Kompetenzerwartung: verwenden für die elektrische Stromstärke die Größenbezeichnung I und für die Energiestromstärke die Größenbezeichnung P sowie deren Einheiten und geben typische Größenordnungen an.
  • Kompetenzerwartung: kennzeichnen die elektrische Spannung als Maß für die je Elektron übertragbare Energie.
  • Kompetenzerwartung: verwenden die Größenbezeichnung U und deren Einheit und geben typische Größenordnungen an.
  • Kompetenzerwartung: unterscheiden die Spannung der Quelle von der Spannung zwischen zwei Punkten eines Leiters.
  • Kompetenzerwartung: erläutern Knoten- und Maschenregel und wenden beide auf einfache Beispiele aus dem Alltag an.
  • Kompetenzerwartung: unterscheiden die Definition des elektrischen Widerstands vom ohmschen Gesetz.
  • Kompetenzerwartung: verwenden für den Widerstand die Größenbezeichnung R und dessen Einheit.
  • Kompetenzerwartung: begründen Sicherheitsregeln im Zusammenhang mit Magnetismus und Elektrizität.

Ablauf

  1. Abschnitt 1

    Stromkreis und Schaltplan

    Geschlossener Stromkreis, Leiter und Isolatoren, Elektronenmodell, Stromrichtung, Schaltzeichen, Sicherheit beim Experimentieren.

  2. Abschnitt 2

    Stromstärke messen

    Stromstärke als Elektronen pro Sekunde, Ampere, Größenordnungen, Strommesser in Reihe, unverzweigter Stromkreis.

  3. Abschnitt 3

    Spannung messen

    Spannung als Energie je Elektron und als U = P/I, Volt, typische Spannungen, Spannungsmesser parallel, Teilspannungen.

  4. Abschnitt 4

    Widerstand und ohmsches Gesetz

    Definition R = U/I, Ohm, Messreihen an Konstantandraht und Glühlampe, U-I-Diagramm, ohmsches Gesetz und seine Grenzen.

    • Lektion

      Ohmsches Gesetz und elektrischer Widerstand

      Schließt man eine Lampe und einen dünnen Draht nacheinander an dieselbe Batterie an, fließen unterschiedlich große Ströme. Manche Bauteile lassen…

    • Material

      Simulation: Ohmsches Gesetz

      PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, Lizenz: CC BY 4.0

    • Aufgabe

      Messreihe auswerten

      Nimm eine eigene Messreihe an einem Widerstand oder Konstantandraht auf (mindestens fünf Spannungen) oder nutze die Simulation „Ohmsches Gesetz“.

      1. Lege eine Messtabelle mit Größensymbolen und Einheiten an.
      2. Zeichne das U-I-Diagramm.
      3. Berechne R für jeden Messpunkt und entscheide begründet, ob das ohmsche Gesetz gilt.

  5. Abschnitt 5

    Reihen- und Parallelschaltung

    Reihen- und Parallelschaltung, Knotenregel, Maschenregel, Gesamtwiderstand, Berechnungen, Haushaltsstromkreise.

    • Lektion

      Reihenschaltung und Parallelschaltung berechnen

      Bei einer alten Lichterkette geht manchmal eine Lampe kaputt, und die ganze Kette wird dunkel. Fällt dagegen in der Küche eine Lampe aus, laufen…

    • Aufgabe

      Schaltungen vergleichen

      Baue zwei gleiche Lampen einmal in Reihe und einmal parallel an dieselbe Quelle (real oder im Schaltkreis-Baukasten).

      1. Miss in beiden Schaltungen Gesamtstrom und Spannung an jeder Lampe.
      2. Vergleiche die Helligkeit.
      3. Erkläre die Unterschiede mit Knoten- und Maschenregel.

  6. Abschnitt 6

    Elektrische Sicherheit und Übung

    Gefahren des Stroms, Sicherung, FI-Schalter, Schutzleiter, Verhaltensregeln, typische Fehler und Übungsmix.

Hinweise für Lehrkräfte

Einordnung in das Kerncurriculum

Das Kerncurriculum Naturwissenschaften für das Gymnasium (2015) verlangt bis Ende Jahrgang 8 im Themenbereich Magnetismus und Elektrizität unter anderem: Stromkreise als Energie übertragende Systeme beschreiben, Vorgänge mit bewegten Elektronen deuten, die Größen I, U und R mit Einheiten und Größenordnungen verwenden, die Spannung als Maß für die je Elektron übertragbare Energie kennzeichnen, Spannung der Quelle und Spannung zwischen zwei Punkten unterscheiden, Knoten- und Maschenregel erläutern und die Definition des Widerstands vom ohmschen Gesetz unterscheiden. Im Kerncurriculum der Oberschule (2013) stehen dieselben Inhalte bis Ende Jahrgang 8, dort wird die Spannung als Verhältnis von Energiestromstärke und Stromstärke eingeführt (U=P/IU = P/I). Lektion 3 nennt beide Zugänge. Lektion 1 wiederholt die Inhalte aus 5/6 (Stromkreis, Leiter und Isolatoren, Schaltzeichen).

Zeitplan (etwa 12 Stunden)

AbschnittStundenSchwerpunkt
1 Stromkreis und Schaltplan2Wiederholung, Elektronenmodell, Schaltzeichen, Sicherheit
2 Stromstärke2Messen in Reihe, Größenordnungen, unverzweigter Kreis
3 Spannung2Energie je Elektron, Messen parallel, Teilspannungen
4 Widerstand, ohmsches Gesetz2Messreihe Konstantan und Glühlampe, U-I-Diagramm
5 Reihen- und Parallelschaltung2Knoten- und Maschenregel, Berechnungen
6 Sicherheit und Übung2Sicherung, FI-Schalter, Übungsmix

Sicherheit

  • Schülerinnen und Schüler experimentieren nur mit nicht berührungsgefährlicher Spannung (unter 25 V AC / 60 V DC, RiSU), aus Batterien, Akkus oder Netzgeräten mit Sicherheitstrenntransformator und begrenzter Ausgangsspannung. Schutzkleinspannung (SELV) allein reicht bis 50 V AC / 120 V DC und ist dafür nicht das richtige Kriterium. Die Steckdosenstromkreise an Schülertischen sind über Not-Aus und RCD (≤ 30 mA) abgesichert.
  • Kurzschlüsse vermeiden: Strommesser nie direkt an eine Quelle. Bei Netzgeräten Strombegrenzung nutzen. Konstantandrähte und Widerstände werden bei großen Strömen heiß, Belastbarkeit beachten.
  • Glühlampen werden heiß, Lampenfassungen nicht während des Betriebs anfassen.
  • Aufbau bei ausgeschalteter Quelle, Kontrolle durch die Lehrkraft, Abbau nach dem Ausschalten, Kabel zuerst an der Quelle lösen.
  • Lithium-Akkus (Smartphone, E-Bike) nicht kurzschließen, beschädigte Akkus nicht verwenden.

Didaktische Hinweise

  • Die zentrale Fehlvorstellung ist der „Stromverbrauch“. Trennen Sie konsequent Strom (Elektronen, bleibt erhalten) und Energie (wird übertragen und umgewandelt). Das Fahrradkettenmodell hilft. Das Wassermodell (Wasserkreislauf mit Pumpe) ist eine Alternative für die Spannung.
  • Kennzeichnen Sie die beiden Stromrichtungen. In Schaltplänen gilt die technische Stromrichtung, im Modell bewegen sich die Elektronen von Minus nach Plus.
  • Das Kerncurriculum fordert ausdrücklich die Unterscheidung zwischen R=U/IR = U/I (Definition, gilt immer) und dem ohmschen Gesetz (I∼UI \sim U, nur bei konstantem RR). Die Glühlampe ist dafür das wichtigste Gegenbeispiel. Die Messwerte in Lektion 4 sind typische Beispielwerte, eigene Messungen sind vorzuziehen.
  • Der interaktive Graph in Lektion 4 zeigt, wie der Widerstand die Steigung der U-I-Geraden verändert. Lassen Sie vor dem Ausprobieren eine Je-desto-Vermutung formulieren.
  • Die Formel für den Gesamtwiderstand einer Parallelschaltung (1R=1R1+1R2\frac{1}{R} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2}) ist nicht verlangt. Die Reihe bestimmt ihn über Knotenregel und R=U/IR = U/I.

Typische Fehlvorstellungen

  • Strom wird in der Lampe verbraucht, hinter der Lampe ist weniger Strom.
  • Die Batterie liefert immer dieselbe Stromstärke, egal was angeschlossen ist.
  • Spannung „fließt“ durch den Draht.
  • Das ohmsche Gesetz ist R=U/IR = U/I.
  • In der Parallelschaltung wird der Widerstand größer, wenn man Zweige hinzufügt.

Differenzierung

  • Grundlagenaufgaben: Einheiten, Regeln, einfache Einsetzaufgaben. Weiter-Aufgaben: Umformen, Messwerte prüfen, mehrschrittige Schaltungsrechnungen.
  • Knobelaufgaben: Vorwiderstand, Kurzschluss, Wechselschaltung, Drahtlänge und Widerstand.
  • Für Lernende mit Schwierigkeiten beim Umstellen: Formeldreieck U über R und I als Hilfe zulassen, später ablösen.

Prozessbezogene Kompetenzen

  • Erkenntnisgewinnung: Messreihen planen und auswerten, nur einen Parameter verändern, U-I-Diagramme zeichnen und deuten.
  • Mathematisieren: Größengleichungen umformen, proportionale Zusammenhänge erkennen.
  • Mit Modellen arbeiten: Elektronenmodell, Grenzen des Modells.
  • Kommunikation: Schaltpläne lesen und zeichnen.
  • Bewertung: Schutzmaßnahmen und Sicherheitsregeln begründen.

Häufige Fragen

In welcher Klasse wird das ohmsche Gesetz in Niedersachsen unterrichtet?

An Gymnasium und Oberschule gehören Stromstärke, Spannung, Widerstand und ohmsches Gesetz zum Doppeljahrgang 7/8. Meist liegt das Thema in Klasse 8.

Wie viele Stunden braucht die Reihe?

Etwa 12 Unterrichtsstunden einschließlich zweier Messreihen. Ohne Lektion 6 reichen 10 Stunden, dann sollte die Sicherheit in Lektion 1 ausführlicher besprochen werden.

Welche Ausstattung wird gebraucht?

Schülerexperimentiersätze Elektrik mit Netzgerät oder Batterien, Glühlampen, Widerständen, Konstantandraht und zwei Vielfachmessgeräten pro Gruppe. Alternativ kann der Schaltkreis-Baukasten von PhET als Simulation genutzt werden.

Wird die Formel für parallele Widerstände behandelt?

Nein, das Kerncurriculum verlangt sie nicht. Der Gesamtwiderstand wird über die Knotenregel und R = U/I bestimmt.

Passt die Reihe für die Oberschule?

Ja. Das Oberschul-Kerncurriculum nennt Stromstärke, Spannung als Verhältnis von Leistung und Stromstärke, Widerstand, ohmsches Gesetz in Je-desto-Form und Schutzmaßnahmen bis Ende Jahrgang 8.

Quellen

Bildnachweise

  • Titelbild: KI-generiert
  • Tabelle mit sechs Schaltzeichen: Batterie oder Zelle als langer dünner und kurzer dicker Strich, Lampe als Kreis mit Kreuz, offener Schalter als schräger Strich, Widerstand als Rechteck, Strommesser als Kreis mit A, Spannungsmesser als Kreis mit V.: Eigene Darstellung
  • Schaltplan: Eine Batterie, ein Strommesser A und ein Widerstand R bilden einen Kreis. Der Spannungsmesser V ist an den beiden Enden des Widerstands angeschlossen, parallel zu ihm.: Eigene Darstellung
  • Links eine Reihenschaltung: Batterie und zwei Widerstände R1 und R2 hintereinander in einem einzigen Kreis. Rechts eine Parallelschaltung: Die Leitung teilt sich an einem Knoten in zwei Zweige mit R1 und R2 und vereinigt sich danach wieder.: Eigene Darstellung

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