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16. Dynamomaschine und Lenz’sche Regel
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Die Dynamomaschine von Siemens und die Lenz’sche Regel
Jürgen Godau, Halle (Saale)
Die Welt der Elektrotechnik ist für
viele ein „Buch mit sieben Siegeln“.
Wenn es um Strom und Spannung
geht, die man ja bekanntlich nicht
sieht, sind viele schon am Rand ihrer
Vorstellungskraft angelangt. Kommt
dann noch der Begriff des Magnetfeldes hinzu, ist die Verwirrung schon
vorprogrammiert.
Begeben Sie sich mit Ihren Schülern
auf eine historische Entdeckungsreise
und bringen Sie ihnen mit diesem
Beitrag behutsam die faszinierende
Welt der Elektrotechnik näher.
Polschuh
I/D
Doppel-T-Anker
mit Wicklung
Kommutator
mit Bürsten
T
H
C
I
S
N
A
R
O
V
Zeigen Sie den 15-minütigen
Film zum Thema
(auf CD-ROM 23)!
Der Beitrag im Überblick
Klasse: 10 (G8)/11
Dauer:
5 Stunden
Inhalt:
• Dynamomaschine von Siemens
Ihr Plus:
• Lenz’sche Regel
• Schülerexperimente
• Verschiedene Arten von Strömen:
Anlassstrom, Extrastrom, Gegenstrom, Induktionsstrom
• Biografische Informationen zu
verschiedenen Physikern (Ampère,
Faraday, Lenz, Siemens und Maxwell)
• Generator
• Elektromotor
23 RAAbits Physik Mai 2011
16. Dynamomaschine und Lenz’sche Regel
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Fachliche und didaktisch-methodische Hinweise
Ampère, Faraday, Lenz, Siemens und Maxwell – diese fünf Herren sind prominente Vertreter
in der Entwicklungsgeschichte der Elektrotechnik. Ihre Namen spielen in der Geschichte,
die hier erzählt wird, eine Rolle. Die handelnde Person ist Werner Siemens.
I/D
Die Beobachtungen dieses bedeutenden deutschen Erfinders an seiner Dynamomaschine,
seine Fragen, seine Schlussketten sowie seine Experimentierreihen sind der rote Faden auf
einer Erlebnisreise, auf die sich Ihre Schüler mit diesem Material (M 1 – M 10) begeben
sollen. Ziel dieser Reise ist die nach Heinrich Lenz benannte Regel, dass der Induktionsstrom seiner Ursache stets entgegengerichtet ist. Auf seinem gedanklichen Weg wird
Siemens sich an die Erkenntnisse von Ampère und Faraday erinnern, ohne dass sie zum
Vorwissen der Schüler gehören müssen. Das Arbeitsblatt M 11 dient der Verifikation und
Festigung der Lenz’schen Regel an einem Sachverhalt aus der Erfahrungswelt der Schüler.
Begleitend zum Beitrag steht auf der CD-ROM 23 ein Film zur Verfügung.
Grundlagen der elektromagnetischen Induktion
Im Magnetfeld erfährt ein stromdurchflossener Leiter eine Kraft. Bewegt man einen Leiter
im Magnetfeld senkrecht zu dessen Feldlinien, so wird eine Spannung induziert.
T
H
C
Wenn sich das Magnetfeld, das eine Spule umgibt, ändert, so wird in der Spule eine
Spannung induziert.
I
S
N
Die 3. Maxwell’sche Gleichung:
Didaktisch reduziert, beginnt die Kette zur Herleitung der Lenz’schen Regel mit der
3. Maxwell’schen Gleichung:
•
d
rot E = – B oder
K∫ E ⋅ ds = – dt A∫ B ⋅ dA ,
A
R
O
setzt sich im Faraday'schen Induktionsgesetz fort:
Uind
V
=
−
dΦ
dt
und endet formalmathematisch beim Minuszeichen in dieser Regel.
Allerdings ist dieses Ende der Bemühungen um didaktische Reduktion lediglich ein vorläufiges auf Kursstufenniveau (Sek II).
Für die Sekundarstufe I ist eine verbale Formulierung vorzuziehen.
Die Lenz’sche Regel
Der Induktionsstrom ist stets so gerichtet, dass er der Ursache seiner Entstehung entgegenwirkt.
In diesem Merksatz ist der Induktionsvorgang bereits auf den Strom reduziert, obwohl im
Regelfall Spannung und Strom gleichzeitig erzeugt werden. Diese bewusste Beschränkung
hilft in den folgenden Betrachtungen. Gemeinsam mit Werner von Siemens messen die
Schüler gerade Ströme sowie insbesondere Induktionsströme.
Darüber hinaus ist diese Einschränkung auch bei anderen Unterrichtsbeispielen vorteilhaft. Erklärungen zur Lenz’schen Regel werden so verständlicher, da die Schlussketten
meist über das vom Induktionsstrom erzeugte Magnetfeld führen. Als Beispiel kann die
spektakuläre Induktionskanone genannt werden.
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16. Dynamomaschine und Lenz’sche Regel
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Hinweise zur Gestaltung des Unterrichts
Folgende didaktische Intensionen prägen das unterrichtliche Vorgehen:
Historischer Kontext
Zunächst ist die Motivationszenerie zu erwähnen. Wir konzentrieren uns zu Anfang stark
auf den historischen Kontext. Auf den Materialblättern M 1 bis M 4 wird intensiv ein
geschichtliches Szenario ausgelebt; auf M 5 bis M 10 wird es weiter gepflegt. Bei den Schüleraufträgen erscheinen zunächst kaum physikalische Assoziationen, damit die Schüler vor
ihrem geistigen Auge das Leben in Deutschland zur Zeit der Reichsgründung entstehen
lassen und dann willig in das historische Laboratorium von Werner von Siemens folgen.
Durch die szenischen Darstellungen („Kopfkino“) auf den weiteren Materialblättern wird
diese Stimmung aufrechterhalten.
I/D
Elektromotor und Generator
Aus physikalischer Sicht steht das Anlaufen eines Elektromotors im Zentrum der Beobachtungen. Darüber hinaus wird die Funktionsweise eines Generators untersucht. Die Beobachtungen, die man dabei machen kann, und die Schlussketten, die sich an diese anschließen,
sind intellektuell anspruchsvoll. Es treten Begriffe wie Anlassstrom, Extrastrom, Gegenstrom und Induktionsstrom auf. Die Materialien bieten grafische Verständnis- und Merkhilfen an, die als Aufträge an die Lernenden gestaltet sind.
T
H
C
Alltagserfahrungen an Kühlschrank, Elektrorasenmäher und Staubsauger
I
S
N
Greifen Sie Alltagserfahrungen der Schüler auf, um das Thema Anlaufvorgang eines Elektromotors zu motivieren. Wenn selbige noch nicht vorliegen, initiieren Sie durch eine entsprechende Anpassung Ihres Unterrichtskonzeptes ein zielgerichtetes Beobachten im Haushalt.
Anlaufvorgänge im Haushalt zu finden, heißt z. B., den Kühlschrank zu beobachten, das
Starten eines Elektrorasenmähers unter die Lupe zu nehmen oder das Einschalten eines
Staubsaugers im häuslichen Umfeld unter physikalischer Sicht zu betrachten. Man konzentriert sich dabei auf die Helligkeit von gleichzeitig leuchtenden Lampen. Bei genügend starken
Motoren werden diese Lampen kurzzeitig dunkler, was auf den starken Anlassstrom des
Elektromotors zurückzuführen ist.
A
R
O
V
Ablauf
Die Hinweise zur unterrichtlichen Arbeit mit den folgenden Materialien gründen auf eigenes
Erleben. Vorgesehen sind fünf Unterrichtsstunden. Die Zuordnung der Materialien erfolgte
nach dem folgenden Schema:
Die erste Stunde findet im Computerraum statt. Die Schüler sehen sich den Film an und
bearbeiteten die Materialien M 1–M 4. Nach dieser in wesentlichen Teilen der Motivation dienenden Stunde folgte das erste Schülerexperiment im Fachraum mit den Materialien M 5–M 7. In dieser Stunde konzentrieren sich die Schüler voll auf das „eigenartige“
Verhalten eines Elektromotors. Die dritte Stunde erweiterte die Sichtweise dahingehend,
dass eine Dynamomaschine sowohl als Motor als auch als Generator genutzt werden kann.
Die Materialien M 8 und M 9 führten darüber hinaus zur Lenz´schen Regel sowie zu der
Erkenntnis, dass im Generatorbetrieb die Drehrichtung die Stromrichtung bestimmt. Den
Übergang zur vierten Stunde gestalten Sie je nach Arbeitsgeschwindigkeit der Schüler
fließend. Einige Arbeitsgruppen beginnen eventuell bereits mit Material M 10, andere
können erst nach häuslicher Nacharbeit zu Beginn der vierten Stunde experimentieren.
Den gemeinsamen Abschluss des historischen Ausfluges bildet das Demonstrationsexperiment (Materialblatt M 11). Gleichzeitig werden die Schüler damit wieder in unsere
heutige Zeit zurückgeholt. In der fünften Unterrichtsstunde zeigen Sie den Film noch
einmal. Anschließend beantworten die Schüler die Fragen zum Film (M 12).
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Mediothek
Literatur
Dominik, Hans: Geballte Kraft. Werner von Siemens’ Dynamomaschine leitet ein neues
Zeitalter ein. Limpert. Berlin 1941.
Gerthsen, Christian; Vogel, Helmut: Gerthsen Physik. Springer. Berlin/Heidelberg 1995.
S. 424.
Grehn, Joachim;
S. 246−251.
Krause,
Joachim:
Metzler
Physik.
Schroedel.
Hannover
2002.
Meyer, Lothar; Schmidt, Gerd-Dietrich: Duden. Basiswissen Schule Physik − Abitur. Duden
Paetec. Berlin/Frankfurt a. M. 2003. S. 248.
I/D
Internetadressen
http://wikipedia.org
http://wugos.de
http://deutsches-museum.de
T
H
C
http://phynet.de/e-lehre/schaltzeichen
http://commons.wikimedia.org
http://fredriks.de/Siemens/index.htm#Dynamoprinzip
I
S
N
Materialübersicht
A
R
O
· V = Vorbereitungszeit
· D = Durchführungszeit
M1
Ab, Info
V
SV = Schülerversuch
LV = Lehrerversuch
Ab = Arbeitsblatt
Info = Informationsblatt
Die Telegrafen-Bau-Anstalt von Siemens & Halske
r
Bücher aus der Schulbibliothek
r
Computer mit Internetzugang
M2
Ab, Info
Bei Werner von Siemens im Laboratorium
M 3
Fo
Forschen mit Grips – Ampère, Lenz, Faraday und Siemens
rOHP
M4
Ab, Info
Die Dynamomaschine – Geräteliste
r
Bücher aus der Schulbibliothek
r
Computer mit Internetzugang
M5
Ab
Der Schaltplan für Siemens’ Experiment
M6
SV, Ab
Experiment zum Anlassstrom der Dynamomaschine
· V: 10 min
· D: 15 min
r
1
r
1
r
4
r
1
Stromversorgungsgerät
Gleichstrommotor (6 – 12 V)
Verbindungsleiter
Amperemeter
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Fortsetzung der Materialübersicht
· V = Vorbereitungszeit
· D = Durchführungszeit
I/D
SV = Schülerversuch
LV = Lehrerversuch
Ab = Arbeitsblatt
Info = Informationsblatt
M7
Ab, Info
Siemens’ Versuch einer Erklärung
M8
SV
Wir testen! Der Motor – jetzt als Generator!
· V: 10 min
· D: 20 min
r
1
r
1
r
4
r
1
SV
Siemens prüft weiter! Wir auch!
· V: 10 min
· D: 20 min
r
1
r
1
r
4
r
1
M9
M 10 SV
· V: 10 min
· D: 25 min
Stromversorgungsgerät
Gleichstrommotor (6 – 12 V)
Verbindungsleiter
Amperemeter
Stromversorgungsgerät
Gleichstrommotor (6 – 12 V)
Verbindungsleiter
Amperemeter
T
H
C
Jetzt prüfen wir!
r
1
r
1
r
4
r
1
Stromversorgungsgerät
Gleichstrommotor (6 – 12 V)
Verbindungsleiter
Amperemeter
I
S
N
A
R
O
M 11 LV, Ab
· V: 10 min
· D: 20 min
V
M 12 Ab
Die Lenz’sche Regel am Fahrraddynamo
r
1 Fahrraddynamo mit Schnurlaufrolle (z. B. 6 V; 5 W)
r
1 Hebelumschalter
r
1 Lampe (z. B. 3,8 V; 0,08 A)
r
1 Faden (ca. 2 m) mit Massestück 50 g
r
10 Stoppuhren oder 1 Demo-Stoppuhr
r
Verbindungsleiter mit Krokodilklemmen
r
Magnet-Hafttafel (Leybold)
r
Vertikaldemonstrationsset (Phywe)
r
Stativmaterial
Das dynamoelektrische Prinzip – Fragen zum Film
Die Erläuterungen und Lösungen zu den Materialien finden Sie ab Seite 19.
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16. Dynamomaschine und Lenz’sche Regel
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Die Telegrafen-Bau-Anstalt von Siemens & Halske
Aufgaben
1. Lies den folgenden Lebenslauf von Werner Siemens und notiere drei Lebensetappen.
2. Welches große Ereignis in der deutschen Geschichte fällt in sein Leben? Wie alt war
Siemens zu diesem Zeitpunkt?
3. Wie nennt man in der Geschichte die Epoche vom 18. Januar 1871 bis zum Börsenkrach
1873?
Das Leben von Werner Siemens
Werner von Siemens (bis 1888 Werner Siemens)
wurde am 13. Dezember 1816 als viertes von 14
Kindern in Lenthe bei Hannover geboren. Seine
Eltern konnten ein Ingenieursstudium nicht finanzieren, weshalb er sich als Achtzehnjähriger freiwillig zur preußischen Armee meldete und so
an der Artillerie- und Ingenieurschule in Berlin
Mathematik, Physik und Chemie studieren konnte.
I/D
T
H
C
Arbeiten auf dem Gebiet der Telegrafie
Sein erstes Patent bezog sich auf eine galvanische Versilberungs- und Vergoldungstechnik.
Des Weiteren arbeitete Werner Siemens an der
Weiterentwicklung der Telegrafie. Zwei wichtige
Erfindungen, die eines Zeigertelegrafen und eines
Verfahrens zur nahtlosen Isolierung von Telegrafenleitungen mit Guttapercha, führten schließlich
zur Gründung seines ersten Unternehmens.
I
S
N
A
R
O
V
Foto: http://de.wikipedia.org
Werner Siemens (jung)
Das Arbeitsfeld der Firma war der Bau von Telegrafenleitungen. Unter anderem begann man 1874
mit der erfolgreichen Verlegung von Transatlantikkabeln zwischen Europa und Nordamerika. 1881
wurde die erste elektrische Straßenbahnlinie der
Welt in Berlin eröffnet.
Foto: http://de.wikipedia.org
Gemeinsam mit dem Mechanikermeister Johann
Georg Halske gründete Werner von Siemens im
Oktober 1847 die „Telegrafen-Bau-Anstalt von
Siemens & Halske“.
Die erste Straßenbahn
Die Entdeckung des dynamoelektrischen Prinzips
Mit der Entdeckung des dynamoelektrischen Prinzips und dem Bau der ersten Dynamomaschine schaffte Werner Siemens im Jahre 1866 seine wohl bedeutendste Erindung − die
Grundlage für die Entwicklung der Elektrotechnik.
1888 schließlich erhielt er den Adelstitel für seine Verdienste. Werner von Siemens starb am
6. Dezember 1892 in Berlin-Charlottenburg.
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M2
Bei Werner von Siemens im Laboratorium
Lies die historische Darstellung. Bearbeite danach die
folgenden Aufgaben.
Foto: http://de.wikipedia.org
Aufgabe
Erkläre, welche Funktion die Teile eines Elektromotors
haben.
Dauermagne
Stator
Rotor
I/D
Feldspulen
t
Kommutator
mit Stromzuführung
ule
drehbare Sp
Kollek tor
m
Kohlebür it
sten
Siemens (alt)
Schleifringe
kten
mit Schleifkonta
Anker
Für Experten
T
H
C
Beschreibe den Aufbau eines Ankers. Wie sieht ein Doppel-T-Anker aus?
Für die Expertenaufgabe musst du im Internet recherchieren.
I
S
N
Historische Darstellung:
Heiß brennt die Nachmittagssonne auf das Kopfsteinpflaster der Markgrafenstraße.
Durch Vorhänge gedämpft, fällt das Tageslicht in das schlichte Arbeitszimmer, in dem
Werner Siemens in einem mit Leder bezogenen Lehnstuhl sitzt und schon seit geraumer
Zeit nachdenklich die kleine Dynamomaschine in seinen Händen betrachtet.
A
R
O
Foto: http://www.wugos.de/Artikel/863.jpg
V
Jetzt hat er ja mehr Zeit als sonst, seinen wissenschaftlichen Spekulationen nachzugehen.
In diesen Kriegswochen braucht er sich nicht vom
frühen Morgen bis zum späten Abend um hundert
Einzelheiten des Betriebes zu kümmern, braucht nicht
an einer Stelle Anregungen als Konstrukteur zu geben,
an einer anderen Anordnungen als Organisator zu
treffen und an einer dritten schwerwiegende Entscheidungen als Kaufmann zu fällen.
Konzentriert kann er das physikalische Problem durchdenken, das ihn schon seit Langem beschäftigt.
Der Anker? ... Der Doppel-T-Anker?! ...
Wie absonderlich benimmt sich der Bursche, wenn er
nicht als Generator, sondern als Motor arbeiten soll!
Arbeitszimmer von Siemens
Wohl an die hundert Male hat Werner Siemens sich die Frage vorgelegt, ohne eine
Antwort darauf zu finden. Auch jetzt wieder scheint alles Grübeln vergeblich. Mit einem
Ruck erhebt er sich und geht in den Nachbarraum hinüber, der ihm als Laboratorium
dient.
Säuregeruch, der von Bunsenelementen herrührt, macht sich hier bemerkbar.
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T
H
C
I
S
N
A
R
O
V
Andrè-Marie Ampère (1775–1836)
Michael Faraday (1791–1867)
Foto: http://commons.wikimedia.org/
wiki/File:Emil_Lenz.jpg
Foto: http://commons.wikimedia.org/
wiki/File:Ampere_Andre_1825.jpg
M 3
Foto: http://lh3.ggpht.com/_5Ndj4XaewDQ/R0wMf4Lj-wI/
AAAAAAAAAzc/bPmm4giqcPY/1845+siemens.jpg
Foto: http://commons.wikimedia.org/
wiki/File:SS-faraday.jpg
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Forschen mit Grips – Ampère, Lenz, Faraday und Siemens
Heinrich Friedrich
Emil Lenz (1804–1865)
Ernst Werner Siemens (1816–1892)
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I/D
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M4
Die Dynamomaschine – Geräteliste
Polschuh
Doppel-T-Anker
mit Wicklung
I/D
Kommutator
mit Bürsten
Bild: http://www.deutsches-museum.de/sammlungen/ausgewaehlte-objekte/meisterwerke-iii/dynamomaschine/
dynamomaschine-grossansicht2/
T
H
C
I
S
N
A
R
O
V
Historische Darstellung:
Der Anker? ... Der Doppel-T-Anker?! ...
Wie absonderlich benimmt sich der Bursche,
wenn er nicht als Generator, sondern als Motor arbeiten soll!
Mit einem Ruck erhebt sich Siemens und geht in den Nachbarraum hinüber, der ihm
als Laboratorium dient. Säuregeruch, der von Bunsenelementen herrührt, macht sich
hier bemerkbar.
Werner Siemens stellt die Dynamomaschine neben die Elemente, holt aus einem Repositorium Drähte, einen Ausschalter und ein Galvanometer und baut sich wieder einmal
− zum wievielten Male wohl nun schon? −
die wohlbekannte Schaltung auf, um die Erscheinung noch einmal zu beobachten.
Aufgaben
1. Lies noch einmal die historische Darstellung.
2. Schreibe die Originalbezeichnungen der Geräte auf, die Siemens verwendet hat.
Es sind fünf Stück.
3. Übersetze diese Bezeichnungen in unsere heutige Fachsprache.
Lege in deinem Heft eine Tabelle mit folgenden Spalten an:
Geräte von Siemens
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Heutige Bezeichnung
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M6
Experiment zum Anlassstrom der Dynamomaschine
Schülerversuch
· Vorbereitung: 10 min
Durchführung: 15 min
Geräte
r
1
r
1
r
1
r
4
Versuchsaufbau
Stromversorgungsgerät
Gleichstrommotor (6 – 12 V)
Amperemeter
Verbindungsleiter
Gefahrenhinweis:
I/D
Vor dem Einschalten: Lasst die Schaltung von
eurer Lehrkraft abnehmen!
Versuchsdurchführung (historische Darstellung):
Werner von Siemens in seinem Laboratorium:
T
H
C
Eine Schalterbewegung danach fließt Strom aus den Elementen (= Batterien) durch den
Anker (= Rotor) des Motors und das Galvanometer (= Amperemeter). Weit schlägt der
Zeiger des Instrumentes aus, während der Anker sich schnurrend in Bewegung setzt,
und dann ... dann geht es ebenso wie auch vorher schon immer.
I
S
N
Der Instrumentenzeiger fällt zurück, während der Anker des Motors immer schneller
läuft. Einen hohen singenden Ton lässt der Anker jetzt vernehmen, das Zeichen, dass
er auf Höchsttouren gekommen ist. Nur noch einen geringen Bruchteil der früheren
Stromstärke zeigt das Galvanometer an.
A
R
O
Mit zusammengekniffenen Lippen steht Siemens davor, fieberhaft arbeitet sein Hirn,
formt Gedanken, bildet Schlüsse.
V
Aufgaben
1. Beobachte deinen Strommesser und deinen Motor beim Einschalten.
Schreibe die Beobachtungen folgendermaßen in dein Heft:
Eigene Versuchsbeobachtung:
• Dein Motor: ……………………………………………………………………….........................…
• Dein Strommesser: ……………………………...........…………………………..………….........
2. Miss die Anfangs- und die Endstromstärke. Ergänze die Ergebnissätze.
Eigene Messungen
Anfangsstrom:
(Anlassstrom)
Endstrom:
(Dauerstrom)
IAnfang =
IEnde
Ergebnis: à Der Anlassstrom ist
à „Etwas“
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=
als der Dauerstrom.
den Stromfluss beim Drehen des Motors.
16. Dynamomaschine und Lenz’sche Regel
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Siemens’ Versuch einer Erklärung
Aufgaben
1. Die Pfeile in Abbildung 1 stellen die von dir gemessenen Ströme im Elektromotor dar.
Schreibe in jeden Pfeil die richtige Bezeichnung und in den Kasten daneben deinen
dazugehörenden Messwert.
A
I/D
A
Abb. 1
T
H
C
2. Lies die historische Darstellung der Überlegungen von Werner von Siemens.
Historische Darstellung:
Mit zusammengekniffenen Lippen steht Siemens in seinem Labor, fieberhaft arbeitet
sein Hirn, formt Gedanken, bildet Schlüsse. Der Batteriestrom ist schwächer geworden.
I
S
N
... Ergo muss eine Kraft da sein, die ihn schwächt.
... Sie ist nicht da, wenn der Anker stillsteht.
A
R
O
... Bis dahin ist die Kette der Folgerungen geschlossen.
Doch schon taucht die neue Frage auf: Wie kann der rotierende Anker diese Gegenkraft
erzeugen? Lange Minuten verstreichen, bis es plötzlich wie eine Erleuchtung über den
Grübelnden kommt, bis die gepressten Lippen sich öffnen und die Worte formen:
V
„Es ist ein Extrastrom!“
„Es muss ja so sein nach allem, was wir durch Ampere und Faraday wissen. In den
Windungen eines bewegten Ankers muss ein Extrastrom auftreten, der dieser Bewegung entgegenwirkt ... gleichviel, ob ich den Anker von außen her drehe (wie beim
Generator) oder ob ich ihn durch einen hineingesandten Strom antreibe.“
3. Die Pfeile in Abbildung 2 veranschaulichen die Überlegungen von Siemens. Ergänze die
Begriffe für die drei Ströme.
4. Errechne aus deinen Messwerten die Größe des Extrastroms. Beachte beim Aufschreiben
des Ergebnisses, dass Zahlen, die nach links gerichteten Pfeilen zugeordnet sind, ein
negatives Vorzeichen haben.
Abb. 2
A
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16. Dynamomaschine und Lenz’sche Regel
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Wir testen! Der Motor – jetzt als Generator!
Schülerversuch
· Vorbereitung: 10 min
Durchführung: 20 min
Geräte
r
1 Stromversorgungsgerät
r
1 Amperemeter
r
1 Gleichstrommotor (6 – 12 V)
r
4 Verbindungsleiter
Gefahrenhinweis:
Vor dem Einschalten: Lasst die Schaltung von eurer Lehrkraft abnehmen!
I/D
Zur Erinnerung:
„Es muss ja so sein nach allem, was wir durch Ampère und Faraday wissen. In den
Windungen eines bewegten Ankers muss ein Extrastrom auftreten, der dieser Bewegung
entgegenwirkt ... gleichviel, ob ich den Anker von außen her drehe (wie beim Generator)
oder ob ich ihn durch einen hineingesandten Strom (wie beim Motor) antreibe.“
T
H
C
Ströme beim Motorbetrieb:
1. Miss noch einmal (wie bei M 6) Anlass- und Dauerstrom im Motorbetrieb.
I
S
N
Schreibe auf:
- +
A
A
R
O
M
Anlassstrom:
Dauerstrom:
Drehrichtung:
V
Ströme beim Generatorbetrieb:
2. Miss bei gleicher Drehrichtung den induzierten Strom im Generatorbetrieb.
Drehe mit der Hand.
Notiere:
Induktionsstrom:
3. Vergleiche Richtung und Größe von Anlass-, Dauer- und Induktionsstrom. Ergänze:
Positive Richtung:
.
Negative Richtung:
.
Motorstrom und Generatorstrom sind bei gleicher Drehrichtung
.
Der Extrastrom von Siemens ist der
Er entsteht auch im Motorbetrieb. Hier gilt: Dauerstrom =
23 RAAbits Physik Mai 2011
.
+
.
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Siemens prüft weiter! Wir auch!
Schülerversuch
· Vorbereitung: 10 min
Durchführung: 20 min
Geräte
r
1 Stromversorgungsgerät
r
1 Amperemeter
r
1 Gleichstrommotor (6 – 12 V)
r
4 Verbindungsleiter
Gefahrenhinweis:
Vor dem Einschalten: Lasst die Schaltung von eurer Lehrkraft abnehmen!
Beim Abbremsen: Verletzungsgefahr!
I/D
Siemens testet sich selbst: „Waren meine Überlegungen richtig?“
„In den Windungen eines bewegten Ankers muss ein Extrastrom auftreten, der dieser
Bewegung entgegenwirkt ... gleichviel, ob ich den Anker von außen her drehe oder ob
ich ihn durch einen hineingesandten Strom antreibe.“
T
H
C
„Wenn das aber so ist ... dann muss … ja ... dann muss, wenn ich den Anker in entgegengesetzter Richtung drehe, auch der Extrastrom seine Richtung wechseln.“
Erste Prüfung:
I
S
N
1. Miss bei verschiedenen Drehrichtungen den induzierten Strom im Generatorbetrieb.
rechts
Drehe mit der Hand nach
rechts.
Induktionsstrom: ………..
A
R
O
G
links
Drehe mit der Hand nach
links.
Induktionsstrom: ………..
A
V
Schaltung 1
Zweite Prüfung (Gedankenexperiment):
2. Betrachte die folgenden drei Versuchsanordnungen. Vergleiche mit deinen bisherigen
Experimenten.
- +
A
STOPP
M
Schaltung 2
- +
- +
A
it der Ha d
M
M
Schaltung 3
A
Schaltung 4
3. Trage die von dir erwarteten Werte ein.
I1 =
I2 =
I3 =
(Dauerstrom)
(Strom im Stillstand)
(Strom bei Gegendrehen)
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16. Dynamomaschine und Lenz’sche Regel
M 11
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Die Lenz’sche Regel am Fahrraddynamo
· Vorbereitung: 10 min
Lehrerversuch
Durchführung: 20 min
Materialien
Geräte
r
1 Fahrraddynamo mit Schnurlaufrolle
(z. B. 6 V; 5 W)
r
Stativmaterial
r
Vertikaldemonstrationsset (Phywe)
r
1 Hebelumschalter
r
Magnet-Hafttafel (Leybold)
r
1 Lampe (z. B. 3,8 V; 0,08 A)
r
Verbindungsleiter mit Krokodilklemmen
r
1 Faden (ca. 2 m) mit Massestück 50 g
Versuchsaufbau
r
10 Stoppuhren oder 1 Demo-Stoppuhr
I/D
für Amperemeter
G
ϯ
T
H
C
Ϯ
I
S
N
ϭ
Versuchsdurchführung
Rollt den Faden an der Schnurlaufrolle auf und hängt ein
Massestück (50 g) an. Unter dem Einfluss des am Faden herabsinkenden Massestückes wird der Dynamo in Rotation versetzt.
Zehn Schüler erhalten eine Stoppuhr. Untersucht die Sinkzeiten
bei unterschiedlichen Einsatzbedingungen.
A
R
O
V
Aufgaben: Messt die Zeit für das Herabsinken des Massestücks bei folgenden Versuchsbedingungen:
1. Licht aus (Leerlauf)
2. Licht an (Normalbetrieb)
^ Messwert von Schüler i]
[Si =
Eigene Versuchsbeobachtung
Nr. ⇓
S1
1
t1
[in s]
2
t2
[in s]
3
t3
[in s]
S2
S3
3. Kurzschluss (Defekt)
S4
S5
S6
S7
S8
S9
S10
Ø
Eigene Versuchserklärung (legt eine solche Tabelle im Heft an (3 Zeilen)!)
Nr.
Je
Versuchsbedingung
Induktionsstrom
der Induktionsstrom, desto
Bremswirkung
die Bremswirkung.
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16. Dynamomaschine und Lenz’sche Regel
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M 12
Das dynamoelektrische Prinzip – Fragen zum Film
Seht euch den Film aufmerksam an. Beantwortet die Fragen jeweils in Partnerarbeit.
Aufgaben
1. Erkläre, was physikalisch abläuft, wenn es bei
einem Gewitter blitzt.
Tipp
2. Gib wieder, welche Entdeckungen für die Entwicklung
des Elektromagnetismus besonders wichtig waren.
Fülle hierzu den Lückentext aus.
Blitz – Ausdruck gewaltiger Energie
T
H
C
1820: Hans Christian Oersted entdeckt, dass
eine
Strom
ablenkt.
I
S
N
1825: Michael Faraday erkennt, dass die Bewegung eines
einer elektrischen Leitung eine
in
erzeugt.
A
R
O
1866: Werner Siemens erzeugt durch die rotierende Bewegung des
im Magnetfeld Strom.
V
3. Erläutere, was mit dem dynamoelektrischen Prinzip gemeint ist.
Tipp
Einen Permanentmagneten benötigte Siemens in seiner Dynamomaschine nicht.
4. Nenne die wesentlichen Bestandteile der Dynamomaschine.
5. Auch Turbinen dienen der Energiegewinnung. Welche natürliche Energiequelle nutzt
man bei Turbinen?
6. Gib an, wie viel Volt etwa Hochspannungsleitungen haben, um einen verlustarmen
Energietransport zu ermöglichen.
7. Siemens entwickelte auch den Zeigertelegrafen zur Nachrichtenübertragung.
Beschreibe, wie ein Zeigertelegraf
funktioniert.
Foto: Louis Saul
I/D
Foto: Pixelio
Es hat etwas mit der elektrischen Ladung zu tun.
8. Welche Voraussetzung müssen Kabel erfüllen,
um auf dem Meeresboden verlegt werden zu
können?
Zeigertelegraf von Siemens
23 RAAbits Physik Mai 2011
16. Dynamomaschine und Lenz’sche Regel
19 von 30
Erläuterungen und Lösungen
Zeigen Sie zur Motivation den 15-minütigen Film, den Sie auf der CD-ROM 23 finden.
M1
Die Telegrafen-Bau-Anstalt von Siemens & Halske
Die Lernenden sollen diesen kurzen bebilderten Text selbstständig lesen und die drei
Fragen beantworten. Der Text stimmt auf die folgenden Experimente und Erkenntnisse
ein, die dem historischen Vorbild nachempfunden sind.
Bieten Sie zur Beantwortung der Fragen Bearbeitungshilfen an: Dies können beispielsweise Bücher aus der Schulbibliothek sein, in denen die Gründerzeit, die Reichsgründung
am 18. Januar 1871 in Versailles, die Industrialisierungsbemühungen im 19. Jahrhundert
oder die Ereignisse im Umfeld des Deutsch-Französischen Krieges 1870/71 beschrieben
werden. Erweiterungsmöglichkeiten stellen Texte zur Mode, zu Möbeln sowie zur Architektur dieser Epoche dar.
I/D
Auch ein oder mehrere Computer mit Internetzugang sind als Bearbeitungshilfe geeignet.
Mögliche Informationsquellen sind:
T
H
C
– Geschichte: http://de.wikipedia.org/wiki/Reichsgründung
– Möbel:
http://www.antiques-picaper.de/Stilkunde/stilkunde.html
– Mode:
http://www.die-alte-schneiderei.de/gewandungen.htm
I
S
N
– Architektur: http://www.immometer.de/stilmusterbuch/index.html
Lösungen
1. Nach der Kindheit werden drei Lebensabschnitte vorgestellt.
A
R
O
– 1. Etappe: Studium an einer Artillerie- und Ingenieurschule
– 2. Etappe: Siemens als Erfinder
– 3. Etappe: Siemens als Unternehmer
V
2. 18. Januar 1871: Gründung des Deutschen Reiches
Zu diesem Zeitpunkt war Werner Siemens 54 Jahre alt.
Am 18. Januar 1871, gegen Ende des Deutsch-Französischen Krieges, fand im Spiegelsaal
des Schlosses von Versailles die Ernennung des Königs von Preußen, Wilhelm I., zum
Deutschen Kaiser statt.
3. Gründerzeit
Als Gründerzeit wird in Deutschland und Österreich die wirtschaftliche Phase im 19. Jahrhundert von der Reichsgründung (18. Januar 1871) bis zum großen Börsenkrach von 1873
bezeichnet. In dieser Zeit schreitet die Industrialisierung in Mitteleuropa, deren Anfänge
in den 1840er-Jahren liegen, beträchtlich voran.
(Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Gründerzeit)
In der Gründerzeit entwickelte sich auch ein relativ eigenständiger Stil in der Mode, bei
Möbeln und in der Architektur. In diesen Bereichen wird das Ende der Gründerzeit häufig
sogar zur Jahrhundertwende oder danach gesehen.
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