stromdurchflossene Spule
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Die stromdurchflossene Spule Informationsblatt zum Material: Arbeitskarten zum Thema: „stromdurchflossene Spule“ ___________________________________________________________ Arbeitsgruppe 3: Michael Oberüber, Alexander Ehrlicher Format: Arbeitskarten Schwierigkeitsgrad: leicht mittel schwer Beschreibung: – Schnell und ohne große Vorbereitung einsetzbar. – Modular oder als Ganzes zu nutzen. – Abgestuft nach Schwierigkeitsgraden. – Geschlechterspezifische Aufgabenstellungen – Fächerübergreifend durch Textarbeit Anknüpfung Lehrplan Magnetfeldstärke Jgst. 11 (Gymnasium), Jgst. 12 (berufliche Oberschule) Voraussetzungen Kreisbewegung, Lorentzkraft, magnetische Flussdichte Bezug zu Alltag (wenn möglich) Bildgebende Verfahren in der Medizin Weiterführende Ideen, Ausblicke, Verknüpfungsmöglichkeiten, …. Haushaltsphysik, Elektrosmog, Textarbeit im Fach Deutsch, Supraleitung, Werkstoffkunde, Kühltechnik, Wärmepumpen, Energieverlust, Spulendesign Linkhinweise, Literaturempfehlun gen (Schüler, Lehrer) www.cern.ch www.teilchenwelt.de www.gesetze-im-internet.de/bundesrecht/bimschg Hinweise für Referatsthemen, Facharbeiten, BeLL, Quadrupol, supraleitende Legierungen, superfluides Helium, Kernspintomopgraphie, kosmische Objekte, Erdmagnetfeld Von unseren Nachfolgern im workshop noch zu tun: Aufgabenstellungen an eigenem Stil anpassen, Texte/Abbildungen optimieren, Lösungen vervollständigen, Zeitbedarf im eigenen Unterricht ermitteln, weitere Aufgaben erstellen Verbesserungsvorschläge und Anregungen bitte im Forum. Die stromdurchflossene Spule Schwierigkeitsgrad Karte X 1 Grundaufgaben Zeit 5 min N J . l μ 0 =4 π 10 ⁻ ⁷ Vs / Am die magnetische Für eine langgestreckte, stromdurchflossene Zylinderspule gilt B=μ0 μr Dabei ist B der Betrag der magnetischen Flussdichte, Feldkonstante, μ r die Permeabilitätszahl, N die Windungszahl, Länge l und J die Stromstärke. Eine solche Spule mit Eisenkern ( μ r =1000 ) hat 2000 Windungen und die Länge 50 cm. Aufgabe 1 Berechnen Sie den Betrag B der magnetischen Flussdichte, wenn die Spule von einem Gleichstrom der Stärke J=0,20 A durchflossen wird. Aufgabe 2 Geben Sie fünf Möglichkeiten an, wie man das Magnetfeld der Spule nun verdoppeln kann. Schwierigkeitsgrad Karte 1. X 1 Grundaufgaben Lösung Zeit 5 min B=1,0 T 2. z.B.:Stromstärke bei gleicher Spulengeometrie verdoppeln, Länge l halbieren,(andere Parameter konst.), Windungszahl verdoppeln (andere Parameter konst.), Spulenkern mit doppelter Permeabilität als vorher verwenden (andere Parameter konst.), J vervierfachen und gleichzeitig l verdoppeln, ... Verbesserungsvorschläge und Anregungen bitte im Forum. Die stromdurchflossene Spule Schwierigkeitsgrad Karte X 2 Grundaufgaben Zeit 5 min Lösen Sie die Formel aus Karte X 1 auf nach den Größen a) Windungszahl N b) Spulenlänge l c) Stromstärke J Schwierigkeitsgrad Karte X 2 Grundaufgaben Lösung a) N=(μ 0 μ r NJ ) ⁻ ¹ l B b) l=μ0 μr NB ⁻ ¹ J c) J =(μ 0 μ r N ) ⁻ ¹ l B Verbesserungsvorschläge und Anregungen bitte im Forum. Zeit Die stromdurchflossene Spule Schwierigkeitsgrad Karte X 3 Grundaufgaben Zeit 5 min Ordnen Sie den Inhalten links den Betrag B ihrer zugehörigen magnetischen Flussdichte rechts zu: Beispiel: Q 17 A Handrührgerät im Betrieb 1 3,1 x 10 ⁻ ⁵ T B 380 kV-Leitung 2 5,0 x 10 ⁻ ⁵ T C Erde 3 0,1 T D Deckenlampenzuleitung im Betrieb 4 8,3 T E Gesetzlicher Grenzwert für Elektroinstallationen 5 3T F Hufeisenmagnet 6 5,0 x 10 ⁻ ⁶ T G Neutronenstern 7 1,0 x 10 ⁻ ⁴ T H Ablenkmagnet im LHC am CERN während einer 8 4,0 x 10 ⁻ ⁵T 9 1,0 x 10⁶T Messung I Kernspintomograph Schwierigkeitsgrad Karte A2 B8 C1 D6 X 3 E7 Grundaufgaben Lösung F3 G9 H4 I5 Verbesserungsvorschläge und Anregungen bitte im Forum. Zeit Die stromdurchflossene Spule Schwierigkeitsgrad Karte XX 1 Kontextmaterialien Zeit 15 min In der Medizin braucht man starke Magnetfelder, zum Beispiel bei der sogenannten Magnetresonanz-Tomographie (MRT) oder auch Kernspintomographie. 1) Lesen Sie im Begleittext „MRT“ Kapitel 4 und Kapitel 10.2 aufmerksam durch. 2) Markieren Sie alles, was 1) mit physikalischem Hintergrund zu tun hat, rot, 2) mit technischem Hintergrund zu tun hat, blau und 3) mit der Verfahrensweise zu tun hat, grün. 3) Strukturieren Sie die Informationen aus dem Text nach einer Methode, die Sie aus Ihrem Deutsch-Unterricht kennen. 4) Schwerpunktfrage: Wozu dienen bei diesem Verfahren die starken Magnetfelder? Schwierigkeitsgrad Karte XX 1 Kontextmaterialien Zeit Lösung Zu 1) Textstrukturierung: z.B. Organigramm, mind map, Inhaltsangabe in Thesenform, …. zu 4) Einmal ist eine große räumliche Änderung der magnetischen Flußdichte vom Kopf hin zu den Füßen des Patienten notwendig. Dadurch gewinnt man eine Ortsinformation in Längsrichtung des Patienten. Eine Möglichkeit wäre: Von BKopf = 0T bis BFüße = 3T und alles dazwischen (BKörpermitte =1,5T) Weitere Magnetfelder sorgen für eine Ortsbestimmung in der Ebene senkrecht zur Hauptmagnetfeldrichtung. Ein „zeitlich veränderliches Magnetfeld“ sorgt für die Informationsgewinnung über die Gewebeart mittels Spinumkehr. Verbesserungsvorschläge und Anregungen bitte im Forum. Die stromdurchflossene Spule Schwierigkeitsgrad Karte XX 2 Kontextmaterialien Zeit 15 min Im großen Teilchenbeschleuniger LHC am europäischen Kernforschungszentrum CERN in Genf werden Protonen zum Teil auf gekrümmte Bahnen gezwungen. Dabei laufen zwei Protonenstrahlen gegenläufig und werden an vier Punkten zur Überlappung gebracht. Aufgabe 1 Lesen Sie den Begleittext „Dipolmagnet“ aufmerksam durch. Markieren Sie alles, was 1) mit physikalischem Hintergrund zu tun hat, rot, 2) mit bautechnischem Hintergrund zu tun hat, blau und 3) mit energetischem Hintergrund zu tun hat, grün. Aufgabe 2 Strukturieren Sie die Informationen aus dem Text nach einer Methode, die Sie aus Ihrem Deutsch-Unterricht kennen. Aufgabe 3 Schwerpunktaufträge: 1) Welche Kraftwirkung macht man sich hauptsächlich zu nutze? Welche Probleme treten auf? 2) Erstellen Sie für Abbildung 5 die Draufsicht (von oben) für die linke Röhre. Zeichnen Sie auch unter Anwendung der Drei-Finger-Regel die Richtung der Lorentzkaft auf die Protonen ein. 3) Warum passt Abbildung 6 nicht zu Abbildung 5. Verbesserungsvorschläge und Anregungen bitte im Forum. Die stromdurchflossene Spule Schwierigkeitsgrad Karte XX 2 Kontextmaterialien Lösung Zu 1) Lorentzkraft; Kühlung muss aufrecht erhalten werden zu 2) zu 3) Abbildung 6 ist spiegelverkehrt Verbesserungsvorschläge und Anregungen bitte im Forum. Zeit Die stromdurchflossene Spule Schwierigkeitsgrad XXX Karte 1 LHC Zeit 30 min Einnerung: Für eine langgestreckte, stromdurchflossene Zylinderspule gilt: B=μ0 μr N J . l Welche Stromstärke bräuchte man (theoretisch) mit klassischen Elektromagneten, um B=8,3 T zu erreichen? 1) Gehen Sie von einer Kupferspule der Länge 15m mit 5000 Windungen und 5cm Durchmesser (CERN) aus. 2) Kommentieren Sie Ihr Ergebnis. 3) Welche Probleme würden also in der Praxis auftreten? 4) Recherchieren Sie Lösungen in der Praxis. Schwierigkeitsgrad XXX Karte 1 LHC Zeit Lösung zu 1) B∗l 8,3 T∗15 m = =20 kA (19814,7 A ) μ 0 ∗N 4pi∗10 ⁻ ⁷∗5000 zu 2) extrem hoch J= zu 3) Spule hat Widerstand, wird heiß, schmilzt. Oder: Hohe Spannung muss anliegen...Oder: Längenausdehnung... zu 4) zweilagige Spule, supraleitende Kabel, ....NiobTitan, flüssiges Helium, Kryo-Technik... siehe z.B. www.cern.de Verbesserungsvorschläge und Anregungen bitte im Forum. Die stromdurchflossene Spule Verbesserungsvorschläge und Anregungen bitte im Forum.
