Kapitel 31 Elektrische Ströme und Magnetfelder

Maturafragen für Big Bang 7
Kapitel 31 Elektrische Ströme und Magnetfelder
Frage 67 passt zu den Poolthemen 5 Felder, 7 Modelle und Konzepte, 16 Physik des 18. und 19. Jahrhunderts, 18 Physik und Alltag, 21 Physik und Technik und 25 Vereinheitlichungen in der Physik
W2 Informationen entnehmen
W3 Vorgänge darstellen, erläutern und kommunizieren
a In der Abbildung siehst du ein α-, β- und γTeilchen, die durch das Feld eines Magneten fliegen. Warum werden nur zwei der Teilchen abgelenkt? Beschrifte die Flugbahnen der Teilchen
und benutze dabei die Drei-Finger-Regel.
(Quelle: Big Bang 7, ÖBV)
b Im Film „Alien versus Predator“ betrachtet der Wissenschaftler Graeme Miller ein Polarlicht und sagt dann: „Es ist in der oberen Atmosphäre. Protonenströme und Elektronen
von der Sonne wurden vom Magnetfeld der Erde abgelenkt, was einen Sonnensturm zur Folge hat.“ Wo liegt
der Fehler in der Erklärung? Wie kommt das Leuchten in
der Atmosphäre zu Stande und warum tritt es vor allem
an den Polen auf? Verwende für deine Erklärung auch die
Abb. aus Frage c!
(Quelle: Big Bang 7, ÖBV)
W3 Vorgänge darstellen, erläutern und kommunizieren
S4 korrekt und folgerichtig
argumentieren und Naturwissenschaftliches von
Nicht-Naturwissenschaftlichem unterscheiden können
c Begründe, warum sich die Elektronen im Van Allen-Gürtel weiter
außen befinden als die Protonen (siehe Abb.). Verwende dazu die
Gleichung F L = Q∙v∙B.
W3 Vorgänge darstellen, erläutern und kommunizieren
(Quelle: Big Bang 7, ÖBV)
d In der Abb. siehst du eine Tauchspule in einem Lautsprecher. Die Spule kann frei schwingen. Ihre Windungen
laufen um den Nordpol der Anordnung herum. Überlege
mit Hilfe der Lorentzkraft, warum man mit dieser Anordnung einen Wechselstrom in mechanische Schwingungen
rückverwandeln kann und in welche Richtung die Spule in
Abhängigkeit von der Stromrichtung gezogen wird.
(Quelle: Gisbert Glökler, Wikipedia)
W1 Vorgänge beschreiben
und benennen
E1 zu Vorgängen und Phänomenen in Technik Beobachtungen machen und diese beschreiben
Kommentare
67a: Das Magnetfeld zeigt per Definition von Nord nach Süd, der Zeigefinger daher nach oben. α-Strahlung besteht aus positiv geladenen Teilchen. In diesem Fall entspricht die Flugrichtung der technischen
Stromrichtung. Der Daumen zeigt daher nach rechts. Die Ablenkung (Mittelfinger) erfolgt nach außen, die
Ablenkung erfolgt in Flugrichtung nach rechts. β--Strahlung besteht aus Elektronen. Die Teilchen werden
nach innen, also in Flugrichtung nach links abgelenkt. γ-Strahlung ist ungeladen und wird nicht abgelenkt.
(Quelle: Big Bang 7, ÖBV)
67b: Mit dem Anfang hat er Recht. Allerdings sind diese Protonenströme und Elektronen von der Sonne bereits der Sonnensturm (oder
Sonnenwind). Die geladenen Teilchen werden vom Erdmagnetfeld auf spiralförmige Bahnen gezwungen (Lorentzkraft) und pendeln zwischen den Polen hin und her. Bei starkem Sonnenwind können Teilchen mit besonders hoher Energie in die Atmosphäre eindringen und
diese zum Leuchten bringen. Auf Grund des Feldlinienverlaufs ist der Atmosphäreneintritt nur in der Umgebung der Pole möglich.
67c: Die Stärke des Erdmagnetfeldes nimmt nach außen hin ab. Elektronen und Protonen haben vom Betrag her eine gleich große Ladung.
Daher ist bei gleicher Geschwindigkeit auch die Lorentzkraft gleich groß. Weil die Elektronen aber viel leichter sind als die Protonen, reicht
die Stärke des Feldes schon weiter außen aus, um diese abzulenken.
67d: Betrachten wir zunächst den linken Teil der Spule und wenden wir die Rechte-Hand-Regel für die Lorentz-Kraft an. Wenn der Strom
herausfließt (Daumen), und das Magnetfeld von der Mitte nach rechts zeigt (Zeigefinger), dann entsteht eine Lorentzkraft (Mittelfinger)
nach unten. Im rechten Teil der Spule ist sowohl die Stromrichtung als auch die Richtung des Magnetfeldes umgedreht. Daher entsteht auch
in diesem Fall eine Lorentzkraft nach unten. Wenn sich die Stromrichtung ändert, wird die gesamte Spule hinausgeschoben. Deshalb kann
man auf diese Weise Wechselstrom in mechanische Schwingungen umwandeln.
© Österreichischer Bundesverlag Schulbuch GmbH & Co. KG, Wien 2010. | www.oebv.at | Big Bang 6 | ISBN: 978-3-209-04868-4
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Maturafragen für Big Bang 7
Kapitel 31 Elektrische Ströme und Magnetfelder
Frage 68 passt zu den Poolthemen 5 Felder, 16 Physik des 18. und 19. Jahrhunderts, 18 Physik und Alltag, 21 Physik
und Technik und 25 Vereinheitlichungen in der Physik
a Führe mit der dir zur Verfügung gestellten Ausrüstung das Experiment in der Abbildung durch.
Was passiert mit der Spannung, wenn du 1) die
Windungszahl der Spule veränderst?, 2) den Magneten unterschiedlich schnell bewegst?, 3) unterschiedlich starke Magnete verwendest? und 4)
den Magneten ruhig hältst und die Spule bewegst?
E3 zu Fragestellungen eine
passende Untersuchung
oder ein Experiment planen,
durchführen und protokollieren
(Quelle: Big Bang 7, ÖBV)
W3 Vorgänge darstellen, erläutern und kommunizieren
b Wenn du einen Stabmagneten in einer Spule
bewegst, dann entsteht ein Induktionsstrom und sie
wird zum Elektromagneten. Wo sind dabei Nord- und
Südpol? Überlege mit Hilfe des Energiesatzes!
(Quelle: Big Bang 7, ÖBV)
c In der Abb. siehst du eine einfache Spule mit Eisenkern. Welche der folgenden Aussagen ist richtig: a)
Fließt Strom durch den Draht, wird das Eisen magnetisch. b) Ist das Eisen magnetisch, fließt Strom durch
den Draht. c) Beides ist richtig. d) Beides ist falsch.
E2 Fragen stellen und Vermutungen aufstellen
(Quelle: Big Bang 7, ÖBV)
d In der Abbildung siehst du den Aufbau eines
Münzprüfers. Beschreibe seine Funktionsweise.
Angeblich nützt es etwas, wenn man eine
durchgefallene Münze am Apparat reibt, damit
sie beim nächsten Mal nicht mehr durchfällt.
Viele Münzapparate sind neben dem Einwurf
dadurch vollkommen abgerieben. Überlege mit
Hilfe der Funktionsweise, ob diese Behauptung
stimmen kann oder nicht. (Quelle: Big Bang 7, ÖBV)
W4 Auswirkungen erfassen
und beschreiben
Kommentare
68a: Die Induktionsspannung ist proportional zur Windungszahl (N ), zur Geschwindigkeit des Magneten (v ) und zur Stärke des Magneten
(B ). Ob du den Magneten bewegst oder die Spule, spielt allerdings keine Rolle. Formelmäßig würde man das so anschreiben: Uind ~ N · v · B.
68b: Das induzierte Magnetfeld ist immer so gerichtet, dass es seiner Ursache entgegenwirkt.
Man nennt das die Lenz’sche Regel und sie ergibt sich aus dem Energiesatz. Angenommen, man
zieht den Stabmagneten aus der Spule heraus. Würde sich das Magnetfeld in der Spule umgekehrt einstellen, dann würde der Stabmagnet von ihr abgestoßen und zusätzlich beschleunigt
werden. Damit könnte man aus dem Nichts Energie gewinnen, was den Energiesatz verletzen
würde.
(Quelle: Big Bang 7, ÖBV)
68c: Strom erzeugt ein Magnetfeld! Es wäre nur allzu logisch, dass auch umgekehrt Magnetismus Strom erzeugt. Das ist aber nicht so – die
richtige Antwort auf F9 ist a). Man kann schon Strom in der Spule erzeugen, aber nur dann, wenn sich dabei das Magnetfeld im Inneren
verändert, etwa wenn man den Magneten bewegt. Kurz gesagt: Ein veränderliches Magnetfeld erzeugt Strom.
68d: Bei der Münzenprüfung werden zuerst auf einer Halterung Gewicht und elektrischer Widerstand gemessen. Dann rollt die Münze an
Magneten vorbei und wird durch Wirbelströme gebremst. Die Stärke der Bremsung ist materialabhängig. Wenn die Merkmale nicht zusammenpassen, spuckt der Automat die Münze aus. Reiben am Apparat kann keines diese Merkmale verändern und ist daher nicht sinnvoll.
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