Schülerinnen und Schüler, die eine Fachoberschule der Form B mit dem Schwer­punkt »Elektrotechnik« besuchen, haben in der Regel eine mindestens dreijährige Berufsausbildung in einem anerkannten Elektroberuf mit dem Gesellen- oder Facharbeiterbrief abgeschlossen. Daher kann bei diesen Schülern ein Grundverständnis elektrotechnischer Zusammenhänge voraus­gesetzt werden. Was die Grundlagen der Elektrotechnik anbelangt, kann angenommen werden, daß im Berufsschulunterricht die Begriffe Strom, Spannung, Widerstand, elektrische Leistung und Arbeit sowie die Kirchhoffschen Gesetze, die Grundschaltungen der Elektrotechnik, Grundlegungen zum magnetischen Feld, die elektromagnetische Induktion sowie die Grundlagen der Wechselstromlehre erarbeitet worden sind.

Auf diesen Voraus­setzungen baut das folgende Unterrichtskonzept für die Fom B der Fach­ober­schule auf. Durch teilweise intensive Wiederholungen einzelner Themen und ergänzende Vertiefungen sollen Unterschiede in den Voraus­setzungen weitgehend kompensiert werden. Das Konzept kann sowohl hinsichtlich der zeitlichen Schwerpunktsetzungen einzelner Themensequenzen als auch im Hinblick auf die thematische Abfolge so flexibel variiert werden, daß auch Schüler aus vollschulischen Berufsbildungsgängen mit Assistentenabschluss (wie z.B. aus zweijährigen Berufsfachschulen für Informationstechnik oder verwandten Fachrichtungen) durchaus ohne besonderen zusätzlichen Lernaufwand das Schwerpunktfach »Elektrotechnik« erfolgreich bewältigen können.

Aufgrund der vom hessischen Kultusministerium zum 1.8.2006 verfügten Lehrplanänderung (vgl. dazu die neuen Lehrpläne auf dem Bildungsserver Hessen) bedarf es der schrittweisen Überarbeitung. Der jeweils aktuelle Stand wird zu gegebener Zeit hier dokumentiert.

In der folgenden thematischen Kurzdarstellung einiger Lehrgänge soll stichwortartig das derzeit an der Fachoberschule der Heinrich-Emanuel-Merck-Schule praktizierte didaktische Strukturkonzept des Schwerpunktfaches »Elektrotechnik« skizziert werden. Es wurde entwickelt auf der Grundlage des von der zuständigen Fachkonferenz im Jahre 2008 modifizierten Kurs­struk­tur­planes für die schwerpunktbezogenen Fächer der Fach­oberschule und ist darüberhinaus Bestandteil des Schulprogramms der Heinrich-Emanuel-Merck-Schule.

Im Hinblick auf die Verknüpfung von allgemeiner und beruflicher Bildung handelt es sich um ein integriertes Konzept, das sowohl in den Organisationsformen A und B der Fachoberschule als auch mit einigen unwesentlichen Änderungen in der Grundstufe der Berufsschule mehrere Jahre erprobt und weiterentwickelt wurde. Insofern ist es seiner didaktischen Intention nach schulformunabhängig, kann also immer dort Anwendung finden, wo es um die Vermittlung der Grundlagen der Elektro­technik geht.

Das Konzept ist zugleich auch wissenschaftsorientiert, denn es ist in seiner systematischen Strukturierung durch die Prinzipien der Theorie der Elektrodynamik von Faraday und Maxwell bestimmt. Für die Fachoberschule ist es im Hinblick auf die angestrebte Studierfähigkeit zugleich auch insoweit propädeutisch, als es sich von den Themengebieten her an dem orientiert, was im Grundstudium des Studienganges »Elektrotechnik« an der Fachhochschule vermittelt wird. Soweit es für das Verständnis insbesondere so zentraler Grundbegriffe wie »Bewegung«, »Kraft«, »Feld«, »Spannung« und »Strom« von Bedeutung ist, greift das folgende Konzept auch auf Elemente einer historisch-genetischen Darstellung zurück.

Damit ist dieses Konzept zugleich auch prinzipiell fachübergreifend angelegt. So erfordert beispielsweise ein umfassendes Verständnis der Entwicklung der Elektrodynamik und ihrer Begriffssystematik seit den ersten systematischen, durch fernwirkungstheoretische Modelle geprägten Bemühungen von Coulomb gegen Ende des 18. Jahrhunderts neben solidem Grundlagenwissen in der Mechanik sowohl Kenntnisse über die philosophischen Grundlagen etwa der Faradayschen Nahewirkungstheorie (Dynamismus) als auch über die gesell­schaftlich-politischen und ökonomischen Veränderungen in der Epoche der Industrialisierung.

1. Elektrische Kraft und elektrische Ladung

• Wahrnehmung verschiedener Fernwirkungen zwischen Körpern
• Notwendigkeit der Unterscheidung von mechanischen und elektrischen "Fernkräften"
• Elektrische Ladung als Ursache elektrischer Kräfte

2. Coulombsches Gesetz als Fernwirkungsgesetz

• Gesetze zur Fernwirkung von mechanischen und elektrischen Kräften (Spekulation von Coulomb)
• Torsionsdrehwaagen zur Messung mechanischer und elektrischer "Fernkräfte"
• Zur Theorie der Fernwirkung von elektrischen Kräften
• Übungsaufgaben zum Coulombschen Gesetz
• Mathematische Exkurse zum »Vektorbegriff« und zur »Geradengleichung«

1. Die Nahewirkungstheorie (Feldtheorie) elektrischer Kräfte von Michael Faraday

• Übergang zur Feldtheorie: Einwände Faradays gegen die Fernwirkungstheorie
• Michael Faraday zur Übertragung elektrischer Kräfte und Kraftlinienbegriff
• Beschreibung elektrischer Felder mit dem Feldlinienmodell

2. Die elektrische Feldstärke E als Wirkungsgröße des elektrischen Feldes

• Zusammenhang zwischen elektrischer Kraft und Probeladung
• Definition (Messvorschrift) der elektrischen Feldstärke E

3. Die elektrische Erregung D als Ursachengröße des elektrischen Feldes

• Ladungstrennung durch Influenz im elektrischen Feld
• Zum Problem der feldtheoretischen Bestimmung einer Ursachengröße
• Definition (Messvorschrift) der elektrischen Erregung D
• Messverfahren zur Messung der elektrischen Feldgrößen E und D

4. Das Grundgesetz des elektrostatischen Feldes

• Verknüpfung von Ursachengröße D und Wirkungsgröße E
• Elektrische Feldkonstante und Dielektrizitätskonstante (auch: Permittivität)

5. Elektrischer Feldfluß und Gaußscher Satz

• Elektrostatisches Grundgesetz und Gaußscher Satz
• Elektrischer Feldfluß als Produkt aus Feldstärke und Wirkungsfläche
• Felderzeugende Ladung, influenzierte Ladung und Modell der Hüllfläche

6. Erste Anwendungsbeispiele zu den elektrischen Feldgrößen

• Erste Berechnungsbeispiele zum elektrostatischen Grundgesetz
• Feldtheoretische Begründung des Coulombschen Gesetzes
• Anziehungskraft zwischen zwei Kondensatorplatten
• Überlagerung elektrischer Felder von Punktladungen

1.) Exkurs: Physikalische Arbeit und Energie - Erste Bestimmungen

• Mechanische Arbeit und potentielle Energie im Gravitationsfeld
• Elektrische Arbeit und potentielle Energie im elektrischen Feld

2.) Elektrisches Potential als skalare elektrische Feldgröße

• Überführungsarbeit im elektrischen Feld
• Definition des elektrischen Potentials als Arbeitsfähigkeit des elektrischen Feldes in einem Feldpunkt

3.) Elektrisches Potential und elektrische Spannung

• Elektrische Spannung als Potentialdifferenz im elektrischen Feld
• »Expander«-Modell zum Begriff der elektrischen Spannung
• Nachtrag I: Veranschaulichung von Potentialfeldern
• Nachtrag II: Berechnung von Arbeit und Potential im elektrischen Feld
• Nachtrag III: Potentialverlauf im elektrischen Feld einer Punktladung
• Übungsaufgaben zum elektrostatischen Feld

1.) Ladung und Kapazität einer Kondensatoranordnung

• Zusammenhang von Ladung und Spannung im homogenen elektrischen Feld
• Allgemeine Definition der Kapazität

2.) Sonderfälle: Kapazität verschiedener Kondensatoranordnungen

• Zusammenhang von Ladung und Spannung im homogenen elektrischen Feld
• Kapazität des Plattenkondensators
• Kapazität des Kugelkondensators
• Kapazität des Zylinderkondensators

3.) Isolierstoffe im elektrischen Feld

• Polarisation von Isolierstoffen im elektrischen Feld
• Verschiebungs- und Richtungspolarisation
• Einfluß des Dielektrikums auf die Kapazität

4.) Schaltungen von Kondensatoren

• Parallelschaltung von Kondensatoren
• Reihenschaltung von Kondensatoren
• Berechnung von Kondensatoren und Kondensatorschaltungen

1.) Laden von Kondensatoren mit konstantem Ladestrom

• Ladefunktionen
• Zeitdiagramme

2.) Laden von Kondensatoren mit konstanter Ladespannung und Entladen

• Lade- und Entladevorgänge (Übersicht)
• Der Einfluß von R und C auf Lade- und Entladevorgänge

3.) Elektrische Feldenergie im Kondensator

• Begründung der Formel für die im Kondensator gespeicherte elektrische Feldenergie
• Energieumwandlung beim Zusammenschalten zweier Kondensatoren

4.) Übungsaufgaben zu Lade- und Entladevorgängen

5.) Wichtiger Nachtrag: Begründung der e-Funktionsgleichungen

• Begründung mit elementarer Mathematik
• Begründung mit Differentialgleichung

6.) Anwendungsbeispiel: RC-Schaltungen als Impulsformer

1.) Übergang vom elektrostatischen Feld zum elektrischen Strömungsfeld

• Nichtleiter, Isolierstoff und Leiter im elektrostatischen Feld
• Elektrisches Strömungsfeld als Feld strömender Ladungen

2.) Ladungsströmung in einem Leiter und Begriff des elektrischen Stromes

• Präzisierung des Begriffs der Ladungsströmung
• Definition der elektrischen Stromstärke

3.) Stromdichte und Feldstärke im elektrischen Strömungsfeld

• Die Stromdichte als Maß für die Geschwindigkeit der strömenden Ladung
• Die Elementarform des Ohmschen Gesetzes
• Übungsaufgabe zur Elementarform des Ohmschen Gesetzes

4.) Elektrischer Widerstand und technische Form des Ohmschen Gesetzes

• Begriff des elektrischen Widerstands
• Technische Form des Ohmschen Gesetzes
• Berechnung des Leiterwiderstandes

5.) Stromleitung in Metallen

• Begriff des elektrischen Widerstands
• Driftgeschwindigkeit der freien Elektronen
• Elektrische Arbeit im elektrischen Strömungsfeld
• Nachtrag I: Stromleitung in Metallen als Strömung "freier" Elektronen
• Nachtrag II: Einfluß der Temperatur auf den Widerstand metallische Leiter

1.) Kirchhoffsche Gesetze und Gleichstrom-Netzwerke

• Wiederholungsübung zur Reihen- und Parallelschaltung von Widerständen
• Kirchhoffsche Gesetze als Knotenpunkt- und Maschenregel
• Ermittlung des Gleichungssystems (Vollständiger Baum)
• Erste Übungen zur Knotenpunkt- und Maschenregel

2.) Gleichstrom-Netzwerke - Weitere Berechnungsverfahren

• Überlagerungsverfahren nach H. v. Helmholtz
• Kreisstromverfahren
• Übungen zum Kreisstromverfahren
• Nachtrag: Dreieck- und Sternschaltung von Widerständen
• Ersatzspannungsquellen-Verfahren mit Übungen

3.) Nachtrag: Schaltungen mit nichtlinearen Widerständen

• Beispiel: Reihenschaltung aus Festwiderstand und VDR

1. Zur Theorie der Fernwirkung magnetischer Kräfte

• Wechselwirkung zwischen Dauermagneten
• Eigenschaften magnetischer Fernkräfte

2. Erste Bestimmungen zum Begriff des magnetischen Feldes

3. Der elektrische Strom als Ursache des magnetischen Feldes

• Der Versuch von H.Chr. Oersted (Juli 1820)
• Magnetfeldverlauf um einen geraden Stromleiter

4. Wechselwirkung zwischen zwei parallelen Stromleitern

• Der Versuch von A.-M. Ampère (Oktober 1820)
• Zur Notwendigkeit der Unterscheidung von elektrischer und magnetischer Kraft
• Zur Notwendigkeit der Unterscheidung von elektrischer und magnetischer Kraft

5. Zwischenbilanz: Vergleich zwischen elektrischem und magnetischem Feld

6. Kraftwirkung auf einen Stromleiter im magnetischen Feld

1. Die magnetische Feldstärke B als Wirkungsgröße des magnetischen Feldes

• Bestimmung des Begriffs der bewegten Ladung als "q · v" bzw. "I · l"
• Definition der magnetischen Feldstärke B als Wirkungsgröße
• Messverfahren zur Bestimmung der magnetischen Feldstärke B mit der Stromwaage

2. Die magnetische Erregung H als Ursachengröße des magnetischen Feldes

3. Der Zusammenhang zwischen den magnetischen Feldgrößen B und H

• Verknüpfung von Ursachengröße H und Wirkungsgröße B
• Magnetische Feldkonstante und Permeabilität

4. Anwendung der magnetischen Feldgrößen B und H auf verschiedene Anordnungen

• Berechnung der Feldgrößen H und B
  • außerhalb eines geraden Stromleiters
  • im Inneren einer langen Zylinderspule sowie in einer Ringspule

• Überlagerung von Magnetfeldern paralleler Stromleiter
• Magnetische Kraft zwischen zwei parallelen Stromleitern
• Definition der Stromstärke-Maßeinheit »1 Ampere«
• Berechnung der Feldgrößen H und B innerhalb eines geraden Stromleiters
• Magnetische Erregung in Spulen und Durchflutung als skalare magnetische Feldgröße

5. Der magnetische Feldfluß als weitere skalare magnetische Feldgröße

• Definition des magnetischen Flusses
• Verallgemeinerung: Der magnetische Feldfluß als Skalarprodukt der Vektoren B und A

6. Der Durchflutungssatz

• Die magnetische Feldlinie als Umlaufweg eines Magnetpols
• Entwicklung des Durchflutungssatzes:
  • Erster Sonderfall: Gerader Stromleiter mit kreisförmigem Umlaufweg
  • Zweiter Sonderfall: Gerader Stromleiter mit zusammengesetztem kreisförmigem Umlaufweg
  • Übergang zur allgemeinen Form des Durchflutungssatzes
  • Erstes Anwendungsbeispiel zum Durchflutungssatz: Koaxiale Hohlleiter

7. Nachtrag: Magnetische Kraft auf freie Elektronen

• Hall-Effekt und Hall-Spannung
• Messtechnische Anwendungen des Hall-Effekts

1. Luft im Magnetfeld einer langen Zylinderspule

• Messung der magnetischen Feldstärke mit Hall-Sonden-Meßgerät
• Meßtechnische Bestimmung der Permeabilität in einer Luftspule

2. Eisen im Magnetfeld einer langen Zylinderspule

• Erster Hinweis auf die Besonderheiten ferromagnetischer Stoffe
• Modell der Elementarmagnete
• Nichtlinearer Zusammenhang zwischen B und H

3. Ferromagnetische Stoffe

• Bahn- und Spinbewegung von Elektronen
• Weißsche Bezirke und Blochwände
• Magnetisierungskurve und Hystereseschleife

4. Para- und diamagnetische Stoffe im Magnetfeld

1. Formale Analogien zwischen elektrischem und magnetischem Kreis

2. Berechnung unverzweigter magnetischer Kreise

• Anwendung des Durchflutungssatzes auf den magnetischen Kreis
• Berechnungsverfahren und erste Übungsaufgaben

3. Magnetische Kraft zwischen Magnetpolen

• Vorläufige Darstellung der Formel

4. Vertiefende Übungen zum magnetischen Kreis

• Weitere Berechnungsbeispiele zum magnetischen Kreis
• Verfahren der Luftspaltgeraden

1. Zum Gegenstand: Versuche zur Induktion der Bewegung

2. Induktionsspannung in einem Leiterstab (erster Sonderfall)

• Erste spezifische Form des Induktionsgesetzes
• Zur Relativität der Induktion

3. Die Faradaysche Form des Induktionsgesetzes

• Herleitung des Induktionsgesetzes (zweiter Sonderfall)
• Unterscheidung in Induktion der Bewegung und der Ruhe
• Darstellung von Induktionsvorgängen in Zeitdiagrammen
• Übungen zum Induktionsgesetz

4. Induktionsspannung und Induktionsstrom

• Richtung von Induktionsvorgängen
• Energieumwandlung und Lenzsches Gesetz

5. Thomsonscher Ringversuch (als Anwendungsbeispiel zu 4.)

6. Verallgemeinerung: Zum Inhalt der Maxwellschen Gleichungen

7. Selbstinduktion in Spulen

• Formen der Selbstinduktion
• Berechnung der Selbstinduktionsspannung
• Allgemeine Definition der Induktivität
• Feldenergie in Spulen mit konstanter Induktivität
• Übungen zur Selbstinduktion

8. Schaltvorgänge in RL-Schaltungen (reale Spule)

• Zeitdiagramme und Funktionsgleichungen
• Übungen zu den RL-Schaltvorgängen
• Nachtrag: Herleitung und Begründung der Zeitfunktionsgleichungen

9. Rotierende Schleife (Drehspule) im Magnetfeld: Erzeugung sinusförmiger Wechselspannungen 

• Zeitverlauf des magnetischen Flusses in der rotierenden Schleife
• Zeitverlauf der Induktionsspannung in der rotierenden Schleife

10. Zeigerdarstellung von sinusförmigen Wechselgrößen

• Funktionsgleichung, Zeitdiagramm und Zeigerdarstellung
• Konstruktion des Zeitdiagramms aus dem Zeigerdiagramm

11. Mittelwerte von elektrischen Wechselgrößen

• Arithmetischer Mittelwert
• Gleichrichtwert
• Quadratischer Mittelwert (auch:Effektivwert)

12. Addition von sinusförmigen Wechselgrößen gleicher Frequenz

13. Begründung der sog. »idealen« Wechselstromwiderstände

14. Grundschaltungen mit Wechselstromwiderständen und Wechselstromleistung

• Reihenschaltungen mit Wechselstromwiderständen
• Parallelschaltungen mit Wechselstromwiderständen
• Wechselstromleistung
• Übungsaufgaben (in nichtkomplexer Form)

15. Definition, Darstellung und Rechnen mit komplexen Zahlen 

• Definition der imaginären Zahl j
• Begründung und Darstellung einer komplexen Zahl
• Darstellungsformen von komplexen Zahlen
• Addition und Subtraktion von komplexen Zahlen
• Multiplikation und Division von komplexen Zahlen

16. Anwendung: Komplexe Form der Darstellung elektrischer Wechselgrößen

• Zeigerdarstellung von Strom und Spannung in komplexer Form
• Operator-Darstellung von Wechselstromwiderständen in komplexer Form 

17. Berechnung von Wechselstromkreisen in komplexer Form (Erste Übungen)

18. Phasendrehung in Wechselstromschaltungen

• Wechselstrom-Brückenschaltungen
• Phasendrehung auf 90° als Beispiel
• Kapazitätsbrückenschaltung

19. Wechselstrom-Meßbrücken

• Kapazitätsmeßbrücke nach Max Wien
• Wien-Meßbrücke mit Parallelersatzwiderständen
• Frequenz-Meßbrücke nach Wien und Robinsohn

20. Phasenschieberbrücke

• Prinzip der Phasenschieberbrücke
• Erste Einführung in die Ortskurvendarstellung

21. Komplexe Scheinwiderstände - Zusammenfassende Übersicht

22. Ersatzspannungsquelle - Anwendung auf Wechselstromkreise

23. Blindleistungsmessung mit 90°-Schaltung nach Hummel

24. Einführung in die Ortskurven-Darstellung

25. RC- und RL-Schaltungen als Frequenzfilter

Die Arbeitsblätter Nr. 22 bis Nr. 25 sind noch nicht digitalisiert. Sie werden demnächst nachgereicht.