Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld

Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld
Cindy Wendel & Mirjam Sucher
25. Januar 2010
1) Versuchsbeschreibung
Ein Leiter hängt an leitenden Bändern zwischen den Polen eines Hufeisenmagnets.
Dabei ist zu beachten, dass die Längen der leitenden Bänder gleich groß ist, damit die
Schaukel gerade hängt. Außerdem sollten die beiden Stative nicht zu weit voneinander
entfernt stehen, damit die Schaukel frei schaukeln kann. Schickt man einen Gleichstrom,
der maximal 2A sein darf, durch den Leiter, bewegt er sich und verharrt in einer anderen
Position.
Damit die Zuschauer den Aufbau auch von weiter hinten gut erkennen können, sollte
man den Hufeisen höher positionieren. Dies kann man z.B. mit einem Laborheber
erreichen.
Um das Phänomen zu verstärken, kann man mehrere Hufeisenmagnete aneinander
stellen und mithilfe einer Tischklemme fixieren, wobei auf gleiche Polung zu achten ist
bzw. den Strom erhöhen, wobei auf die maximale Stromstärke zu achten ist.
Um das Phänomen umzukehren, polt man den Strom um oder vertauscht die Pole des
Hufeisenmagneten.
Geräte:
• Netzgerät
• Stativ
• Hufeisenmagnet(e)
• Metallstabschaukel (Leiterschaukel)
• 2 rote und 2 blaue Kabel mit Bananensteckern
• Tischklemme zum Fixieren der Hufeisenmagnete
Aufbau:
2) Lehrplaneinordnung
Das Thema „Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld“ wird in der 9.Klasse
den Schülern näher gebracht. Im Lehrplan ist es bei „9.1 Elektrik“ unter der Thematik
„magnetisches und elektrisches Feld“ wiederzufinden.
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3) Lernvoraussetzungen
Die Schüler sollen das Modell des Elementarmagneten kennen (d.h. ein Magnet
besteht aus einem Nord- und einem Südpol, die man nicht voneinander trennen kann
– Monopole existieren nicht ; teilt man einen Magneten erhält man zwei Magnete;
Elementarmagnete lassen sich nicht mehr trennen).
Die Schüler kennen die Wirkung der Magnete (gleichnamige Pole stoßen sich ab und
ungleichnamige Pole ziehen sich an).
Die Schüler kennen das Magnetfeld und wissen wie die Magnetfeldlinien verlaufen.
Die Schüler kennen das Magnetfeld des elektrischen Stromes.
Die Schüler kennen den Amplituden-Zeit-Verlauf des Wechselstromes.
4) Lernziele
3.1) Grobziel
Die Schüler sollen die Dreifingerregel (Beziehung zw. den Richtungen von Strom,
Magnetfeld und Kraft) anhand der Untersuchung der Kräfte auf stromdurchflossene Leiter
im Magnetfeld kennenlernen.
3.2) Feinziele
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Die Schüler sollen erkennen, dass die Richtung der Kraft senkrecht zur Richtung des
magnetischen Feldes und senkrecht zur Stromrichtung verläuft.
Die Schüler sollen wissen, dass sich diese Komponenten durch die Dreifingerregel
der linken Hand darstellen lassen.
Die Schüler sollen weiterhin wissen, dass bei Umpolung des Stromes sich der Leiter
in die entgegengesetzte Richtung bewegt.
Die Schüler sollen erkennen, dass beim Verstärken des elektrischen Stromes, die
Lorentzkraft auf die Schaukel größer wird.
Die Schüler sollen weiterhin wissen, dass beim Vertauschen der Pole des
Hufeisenmagneten sich der Leiter in die entgegengesetzte Richtung bewegt.
Die Schüler sollen erkennen, dass beim Verstärken des magnetischen Feldes, die
Lorentzkraft auf die Schaukel größer wird.
5) Experimentelle Alternative
Man lässt durch eine beweglich gelagerte kurze Stativstange einen Strom fließen.
Weiterhin könnte man statt dem Leiter einen Streifen Alufolie in die Schaukel hängen,
welcher einen größeren Ausschlag erzeugt im Gegensatz zu der herkömmlichen
Leiterschaukel und man außerdem dem Problem mit dem Durchbrennen an den
Kontakten durch zu hohe Stromstärken aus dem Weg geht.
6) Mögliche bzw. notwendige Modifikationen des Demonstrationsexperiments beim Einsatz als Schülerexperiments
Dieses Experiment kann so als Schülerexperiment durchgeführt werden.
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7) Unterrichtsverfahren
Bei unserer Vorgehensweise handelt es sich um fragend - entwickelnden Unterricht.
6.1) Sozialformen
Schon die Motivation beginnt mit dem eigentlichen Demonstrationsexperiment.
Die Theorie, die dahintersteckt, wird mit einem Unterrichtsgespräch zwischen Lehrer und
Schüler erarbeitet.
6.2) Lehr- und Lernformen
Die Lehrform ist darbietend, da der Lehrer den Versuch vorführt.
Für die Schüler wird eine antwortend-erarbeitende Lernform gewählt, die zusätzlich durch
die entdeckende Lernform unterstützt wird.
6.3) Motivationssituation oder Einstiegssituation
Der Lehrer führt den Schülern einen Zaubertrick vor, wobei sich die Leiterschleife ohne
Anfassen bewegt.
Dazu könnte man den Aufbau so verdecken, dass die Schüler nur die Leiterschleife
sehen können.
6.4) Problemfragen und Hypothesen
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Wieso erfährt ein stromdurchflossener Leiter eine Kraft im Magnetfeld?
Wie findet man theoretisch heraus, in welche Richtung sich die Leiterschleife
bewegt?
Wie kann man diese Bewegung verstärken?
8) Lernzielsicherung
Die Schüler sollen das folgende Arbeitsblatt ausfüllen, das nach der Motivation
ausgehändigt wird.
Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld
Ursache:
Vermittlung:
Wirkung:
Die Spannungsquelle bewegt die Elektronen im Stromkreis.
⇒ Die Elektronen bewegen sich in der Stange vom elektrischen Minus- zum
elektrischen Pluspol.
Die magnetischen Feldlinien verlaufen vom magnetischen Nord- (meist rot
gekennzeichnet) zum magnetischen Südpol (meist grün gekennzeichnet).
Auf jedes Elektron wirkt die Lorentzkraft.
⇒ Die ganze Stange bewegt sich.
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Dreifingerregel der linken Hand:
Beobachtungen des Experimentes:
Aufgaben:
Zeichne die magnetischen Feldlinien und die Elektronenrichtung ein!
In welche Richtung wirkt die Kraft?
9) Lernzielkontrolle
Was passiert mit der Leiterschleife, wenn man Wechselstrom anlegt?
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