ELEKTROMAGNETISCHE INDUKTION

ELEKTROMAGNETISCHE INDUKTION
Grundversuche zur elektromagnetischen Induktion:
Demonstrieren Sie mit Hilfe eines Permanentmagneten und verschiedener Spulen das Auftreten einer
Induktionsspannung bei einer Änderung des Magnetfeldes im Inneren einer Spule. Zeigen Sie
qualitativ, wovon die Größe der Induktionsspannung abhängt.
Zeigen Sie mit Hilfe des Computer-Messsystems den Spannungsverlauf in einer Spule, wenn ein
Stabmagnet durch die Spule fällt. Zeigen Sie analog das Spannungsverhalten an vier in Reihe
geschalteten gleichen Spulen, wenn ein Stabmagnet durch diese Spulen hindurch fällt. Der Abstand
der Spulen ist nicht äquidistant (warum?).
Zeigen sie mit einer sogenannten Stromwaage die Gültigkeit des Induktionsgesetzes. Bei dieser
Stromwaage wird, durch das an einem Ende der Waage in einen Glyzerin gefüllten Zylinder
eintauchende zylindrische Massestück, ein Drahtbügel am anderen Ende der Waage mit konstanter
Geschwindigkeit durch ein homogenes Magnetfeld gezogen. Wegen der einfachen geometrischen
Anordnung erhält man hier das Induktionsgesetz in der Form U = B⋅l⋅v
U
B
l
v
Induzierte Spannung an dem Drahtbügel
Magnetische Kraftflußdichte
Länge des Drahtes im magnetischen Feld
Geschwindigkeit des Drahtbügels normal zu l und B
Die magnetische Kraftflußdichte B kann experimentell auch mit Hilfe eines Magnetfeldmessgerätes
(die Messmethode beruht auf dem Hall-Effekt) ermittelt werden.
Zeigen Sie in einem weiteren Experiment quantitativ die Gültigkeit des Induktionsgesetzes
U = - N1 ⋅ A ⋅ µ 0 ⋅ N2 / L ⋅ ∆I / ∆t
U Induzierte Spannung
N1 Windungszahl der Induktionsspule
A Querschnittsfläche der Induktionsspule
µ 0 magnetische Maßsystem Konstante (µ 0 = 4⋅π⋅10-7 H/m)
N2 Windungszahl der Feldspule
L Länge der Feldspule
∆I/∆t zeitliche Änderung der Stromstärke in der Feldspule
Verwenden Sie als Feldspule eine Spule mit 68 Windungen und einer Länge von 270 mm und legen
Sie an diese Spule eine Dreiecksspannung mit geringer Frequenz (vorerst 0,1 Hz). Erhöhen Sie dann
die Frequenz auf das Doppelte und messen Sie die induzierte Spannung. Stellen Sie Überlegungen
hinsichtlich einer Querverbindung zum Mathematikunterricht an.
Zeigen Sie die Tatsache der Selbstinduktion in einer Spule und führen Sie ein Experiment zur
Erklärung der Lenzschen Regel durch.
Demonstrieren Sie die Abstoßung zwischen einer Spule und einem Kurzschlussring (ThomsonKanone; wie kommt diese Abstoßung zustande?).
Zeigen Sie das Auftreten von Wirbelströmen in vollen Metallstücken und das verminderte Auftreten
in gezahnten Metallstücken, die jeweils durch ein Magnetfeld schwingen (Waltenhofensches Pendel).
Bauen Sie ein Modell einer Wirbelstrombremse. Diskutieren Sie technische Anwendungen.
Demonstrieren Sie auch die Wirkung von Wirbelströmen, indem Sie einen Magneten durch
verschiedene Rohre mit geeignetem Durchmesser fallen lassen.
Stellen Sie mit Hilfe einer Spule und eines Lämpchens einen sogenannten Wechselfeldanzeiger her
und zeigen Sie die abschirmende Wirkung einer Kurzschlussspule gegenüber Wechselfeldern (wie
kommt die Abschirmung zustande?).
Stellen Sie einen Wechselstromzähler (Leistungszähler) mit Hilfe gegeneinander versetzter
Spannungs- und Stromspulen und einer drehbar gelagerten Aluminiumscheibe her. Welche
physikalische Größe kann mit diesem Zähler nicht gemessen werden?
Generatoren und Motoren:
Bauen Sie mit Hilfe vorhandener elektrischer Lehrmaschinen einen Wechselstromgenerator und
einen Gleichstromgenerator. Verwenden Sie dazu sowohl einen Doppel-T-Anker als auch einen
Trommelanker. Überlegen Sie, wie sich der zeitliche Spannungsverlauf beim Generator mit einem
Trömmelanker gegenüber einem Generator mit Doppel-T-Anker ändert. Überprüfen Sie Ihre
Überlegungen experimentell (verwenden Sie dazu ein Oszilloskop).
Zeigen Sie das dynamo-elektrische Prinzip der Selbsterregung. Bei selbsterregten Maschinen wird
das Magnetfeld durch den laufenden Generator selbst erzeugt. Überlegen Sie, welche physikalische
Erscheinung dazu notwendig ist. Schalten sie den Generator sowohl im Haupt- als auch im
Nebenschluss.
Stellen Sie mit demselben Lehrgerät sowohl einen Gleichstrom- als auch einen Wechselstrommotor
her. Verwenden sie auch hier sowohl die Hauptschluss- als auch die Nebenschlussschaltung.
Überlegen Sie die Frage der Drehzahlregelung.
Vorbereitungsstoff:
Elektromagnetismus, Wirkungsweise und physikalische Grundlagen der verwendeten Geräte,
Kenntnis der Gerätebeschreibungen.
Verwendete Geräte:
Spulen und Magnete, Ampere- und Voltmeter Elektro-Lehrmaschinen, magnetische Stromwaage, ,
Hallsonde, Mikrovoltverstärker, Schiebewiderstand als Potentiometer und Vorwiderstand.
Literatur:
Lehrbücher der Experimentalphysik
Roller-Pricks, "Schulversuche mit Gleichstrom" (Praktikumsbibliothek)