elektrizitätslehre

ELEKTRIZITÄTSLEHRE
Elektrizitätslehre Klasse 11
Maximilian Ernestus 1
1. Elektrostatik
Bereits in der Antike kannte Thales von Milet (600 v. Chr.) die Eigenschaften von geriebenem Bernstein leichte Gegenstände anzuziehen (electron, gr. = Bernstein). William
Gilbert (1544-1603) wies nach, dass diese Eigenschaft bei vielen anderen Körpern vorkommt. Von ihm stammt die Bezeichnung „elektrisch“.
VERSUCH 1:
❖
Wir rieben einen PVC-Stab an Wolle und hielten ihn über kleine Papierschnipsel. Die
Schnipsel flogen in Richtung des Stabes. Nachdem sie dort angekommen waren flogen
sie in eine andere Richtung wieder weg.
❖
Wir rieben einen Glasstab mit Watte. Ein kleines Watteflöckchen wurde von der Mitte des Stabes angezogen, vom Ende wurde es abgestoßen.
❖
Wir hielten einen an Wolle geriebenen PVC-Stab neben einen Wasserstrahl. Der Wasserstrahl krümmte sich und wurde abgeleitet.
❖
Wir luden zwei hängende Holundermarkstäbchen mit einem geriebenen PVC-Stab
auf. Als man die Stäbchen näher brachte, stießen sie sich gegenseitig ab. Als man das
eine Stäbchen mit PVC auflud, und das andere mit Glas, zogen sie sich an.
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VERSUCH
2:
❖
Wir luden eine der Dosen mit einem geriebenen PVC-Stab statisch auf. Die Papierstreifen beider Dosen stellten sich ab. Je nach der Leitungsqualität der Erdung entluden sich die Dosen verschieden schnell, was man an den herabsinkenden Papierstreifen sehen konnte.
❖
Wir luden eine Dose mit einem PVC-Stab auf und hielten ein Glühlämpchen daran.
Die der Dose abgewandte Seite des Lämpchens leuchtete kurz auf. Als wir den Versuch mit einem Glasstab anstatt dem PVC-Stab wiederholten, leuchtete die der Dose
zugewandte Seite auf.
❖
Wir luden eine Dose mit einem Glasstab positiv auf – die Papierstreifen standen ab.
Als wir versuchten die Dose mit einem PVC-Stab negativ „aufzuladen“ fielen die Papierstreifen wieder herab. Erst nach erneutem Laden mit dem PVC-Stab stellten sich
die Streifen wieder auf.
VERSUCH 3: ELEKTRISIERMASCHINE
❖
Wir luden die Kontaktplatte (KP) durch Drehen der Kurbel auf und hielten verschiedene Lampen an die KP. Die Leuchtstoffröhre leuchtete weiß, die mit Neon gefüllte
Röhre leuchtete blau und die mit Argon gefüllte Röhre leuchtete orange.
❖
Wir hingen ein Papierzeiger an einer Schnur auf und hielten ihn Mithilfe der Schnur
über mehrere stellen der KP. Der Zeiger zeigte immer in Richtung der KP.
❖
Wir stellten eine Zweite KP vor die Elektrisiermaschine, so dass sich die beiden KP‘ s
gegenüberstanden. Als wir an der Kurbel drehten, sprangen blaue Funken zwischen
den beiden KP‘ s.
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3
AUSWERTUNG:
❖
Durch Reibung entsteht Spannung.
❖
Es gibt zwei Verschiedenartige Ladungstypen.
❖
Die Ladung auf einem mit Watte geriebenen Glasstab nennen wir positiv („Fernblitz“),
die andere Ladung (z.B. auf mit Wolle geriebenem PVC) heißt negativ („Nahblitz“).
❖
Gleichartige Ladungen stoßen sich ab. Ungleiche Ladungen ziehen sich an.
❖
Verschiedenartige Ladungen können sich neutralisieren.
❖
Ladungen haben die Tendenz sich zu verteilen und auszubreiten. Stoffe, die die Ausbreitung von Ladungen gut ermöglichen heißen Leiter (Metalle, Wasser…). Stoffe, die
die Ausbreitung verhindern heißen Isolatoren (Gummi, Porzellan…) Eine Zwischenstellung nehmen die sog. Halbleiter ein (Silizium, Germanium).
❖
Die Menge der Ladung wird mit Q abgekürzt und in Coulomb (=Cb) gemessen. Millikan hat 1909 in einem Versuch gezeigt, dass es eine kleinste Ladungsmenge gibt, die
sog. Elementarladung (Elektron). Jede vorkommende Ladungsmenge ist ein Vielfaches
dieser Elementarladung.
Das elektrische Feld
In der Umgebung eines geladenen Körpers ist der Raum verändert. Dieser veränderte
Raum heißt elektrisches Feld (nach Michael Faraday 1791-1869). Ein Körper erfährt in
einem elektrischen Feld eine Kraft, die durch Feldlinien veranschaulicht wird.
❖
Die Linien geben die Richtung an.
❖
Je dichter die Linien, um so stärker ist dort die Kraft. Haben die Linien einen großen
abstand ist dort die Kraft vergleichsweise gering.
❖
Anziehung heißt, die Linien sind bestrebt sich zu verkürzen.
❖
Abstoßung heißt, die Linien sind bestrebt den seitlichen Abstand zu vergrößern.
❖
Feldlinien enden nie frei im Raum, sondern an beiden Seiten immer an der Oberfläche
von Körpern.
❖
Auf leitenden Oberflächen stehen die Feldlinien senkrecht. Auf Nichtleitern nicht.
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Die Elektrische Spannung
eine elektrische Spannung erhält man beim Reiben durch das Auseinanderziehen von unterschiedlichen Ladungen. Um Spannung herzustellen muss Kraft aufgewandt werden.
Die Spannung wächst:
❖
wenn ich den Abstand vergrößere (die Feldlinien werden länger)
❖
wenn ich mehr Ladungen pro Fläche trenne (die Feldlinien liegen dichter).
Die Spannung U wird in der Maßeinheit Volt (V) gemessen. Ein Spannungszustand
„möchte“ sich ausgleichen:
❖
durch Verkleinern des Abstandes (die Feldlinien werden kürzer)
❖
durch Verteilen der Ladung auf eine größere Fläche (die Feldlinien werden weniger
dicht).
Da die Spannung beim Ausgleich bestimmte Wirkungen hat, lässt sich Spannung als eine
Wirkmöglichkeit bezeichnen. Die hineingesteckte Arbeit beim trennen der Ladungen
wird dann wieder in bestimmte Formen sichtbar umgewandelt.
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V E R S U C H 4 : B A N D G E N E R AT O R
❖
Wir hielten eine Eisenkugel ca. 5 cm entfernt von der Kuppel eines Bandgenerators,
wobei wir die Kugel mit dem Generator verbanden. Man konnte schwache schnell
aufeinander folgende Blitze zwischen den beiden Kugeln sehen, welche bläulich aufleuchteten.
❖
Als wir zusätzlich ein Konduktorplattenpaar anschlossen, konnte man durch den Abstand der Platten die Blitze manipulieren. Bei größerem Abstand sah man schwache,
schnelle Blitze, bei geringerem Abstand konnte man hellere langsamere Blitze erkennen.
❖
Als wir eine Leidener Flasche anstatt den KP‘ s anschlossen, konnten wir noch hellere
Blitze in noch größeren Abständen erzeugen.
AUSWERTUNG:
Das Gerät erzeugt laufend Ladungen, die sich auf der Kugelfläche verteilen. Das elektrische Feld zur kleinen Metallkugel wird stärker, die Spannung steigt. Hat die Spannung
genügend Kraft, bringt sie die Luft zum leichten. Dieser Funke führt zum Ausgleich der
Spannung. Faustregel:
0,5 mm Funkenlänge entspricht 1.000 V = 1 kV
1 cm Funkenlänge entspricht 20.000 V = 20 kV
Durch Reiben entstehen relativ hohe Spannungen welche aufgrund der geringen Ladungsmenge ungefährlich sind. Das Konduktorplattenpaar (Kondensator) lädt sich mit
auf besonders bei geringem Abstand. Das braucht Zeit. Die gespeicherte Elektrizität
verursacht den helleren Funken.
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VERSUCH 5: STROMBAD
U
A
A
= Ampèremeter bis 50 mA
U = Spannung bis 30 V
Wir hielten eine Hand in ein Strombad mit 50 mA. Darau&in konnte sie weniger gut
bewegt werden.
VERSUCH 8:
❖
Wir ordneten drei Magnetnadeln um einen Eisendraht herum an und führten Strom
auf dem Draht. Darau&in zeigten die Nadeln um den Draht herum anstatt nach Norden.
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7
❖
Wir streuten Eisenpulver über eine mit Strom belegte Eisenspule und konnten beobachten, dass sich das Eisenpulver entlang der Feldlinien ausrichtete.
❖
Wir nahmen einen Elektromagneten und hielten ein Stück Eisen dagegen. Es ließ sich
leicht bewegen. Als wir den Elektromagneten mit Strom versorgten, bedurfte es weitaus größerer Kraft das Eisenstück wieder vom Elektromagneten zu entfernen.
❖
Wir hingen ein Stück Draht in einen U-Magneten. Als wir den Draht unter Strom
setzten bewegte sich der Draht aus dem U-Magneten heraus. Als wir die Pole vertauschten, bewegte sich der Draht in den hinteren Teil des Magneten.
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B
A
Die Magnetfelder der beiden Magneten beeinflussen sich gegenseitig. Während auf
der einen Seite des Drahtes im Bereich A die Feile in de selbe Richtung zeigen und
dadurch die Kraft vergrößern, wird auf der anderen Seite in Bereich B die Kraft durch
gegensätzlich verlaufende Pfeile verringert bzw. neutralisiert. In diese Region weicht
der Draht aus. Wenn man nun die Pole vertauscht, „drehen“ sich die Pfeile in die andere Richtung um den Draht. Das „Kraftvakuum“ entsteht in Bereich A und der
Draht weicht dorthin aus.
❖
Wir bauten folgende Konstruktion auf:
Als wir U anschlossen, neigte sich der Holzstab nach Rechts. Bei vertauschten Polen
neigte er sich nach Links. Da an der Oberseite der Spule ein Minuspol und an der Unterseite ein Pluspol (bzw. anders herum) entsteht, versuchen sich diese Pole den Polen
des Magneten anzugleichen und die Spule neigt sich mit dem Stab.
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VERSUCH 9:
❖
Wir bauten folgende Konstruktion auf:
Als wir einen starken Magneten an die Spule schnellen ließen, leuchtete die erste LED
kurz auf. Als wir den Magneten mit viel Kraft wieder entfernten, leuchtete die Zweite
kurz auf.
Als man den Magneten an die Spule hielt, entstand eine Spannung, so das eine der
LED‘ s leuchten konnte. Beim Ablösen entstand eine Spannung mit umgekehrter Polung, so dass die zweite LED aufleuchtete.
❖
Anstatt der LED‘ s schlossen wir ein Spannungsmessgerät an. Bei einer Spule mit 600
Windungen konnten wir jeweils Spannungen von ± 0.2V messen. Bei 1200 Windungen
maßen wir ± 0.4V.
❖
Als man den Eisenkern aus der Spule entfernte, schlug die Nadel des Spannungsmessers weniger aus als mit dem Eisenkern.
Erläuterungen:
Eine Spannung entsteht wenn sich das magnetische Feld in der Spule ändert. Das erreichte ich durch Annähern oder Entfernen des Magneten. Aus der Bewegung ist
Spannung entstanden.
❖
Wir entfernten die Spule vom Magneten und näherten sie Wieder an. Bei hoher Geschwindigkeit konnte man Hohe, kurze Spannung sehen, bei langsamer Bewegung eine
anhaltende geringe Spannung. Bei einer sich drehenden Spule konnten wir einen
Wechselstrom am Spannungsmesser erkennen.
1
Elektrizitätslehre Klasse 11
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4
5
10
VERSUCH 10: DIE LENZ‘
❖
SCHE
REGEL
Wir bauten folgende Versuchsanordnung auf:
Als wir die Spule anschaukelten, schaukelte sie ganz normal. Der Magnet ging durch
das Loch der Spule. Als wir die Spule kurzschlossen, bremste sie beim Schaukeln stark
ab.
Elektrizitätslehre Klasse 11
N
S
N
N
N
S
11
LENZ‘
SCHE
REGEL:
Die Induktionsspannung ist so gerichtet, dass der entstehende Strom der Ursache der
Induktion entgegenwirkt.
❖
Lässt man einen Scheibenmagneten durch ein Kupferrohr fallen, so kommt er viel später als erwartet unten wieder heraus.
N
S
N
S
S
N
Wir zerlegen das Kupferrohr gedanklich in Streifen. Beim Fallen des Magneten ändern
sich im Inneren eines Streifens die Magnetfelder. Das hat in dem Streifen eine Spannung zur Folge, die beim Ausgleich Pole entstehen lässt die zu einer Abbremsung führen.
Elektrizitätslehre Klasse 11
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VERSUCH 11: INDUKTION
DER
RUHE
Birnchen
9V=
Primärstromkreis
Primärspule
600 W
Eisenkern
Sekundärstromkreis
Sekundärspule
600 W
❖
Beim Schließen des Stromkreises durch den Schalter leuchtete die grüne LED auf,
beim Öffnen des Schalters leuchtete die rote LED.
❖
Wir ersetzten die LED‘ s durch ein Spannungsmessgerät. Ohne den Eisenkern in den
Spulen konnte man einen schwachen Ausschlag der Messnadel beobachten. Mit Eisenkern war er wesentlich stärker. Den größten Ausschlag Erreichten wir, als wir die
beiden Spulen auf ein U-Eisen steckten und das Eisen mit einem Joch schlossen.
AUSWERTUNG:
Wenn wir den Schalter schließen baut sich in der Primärspule ein Magnetfeld auf. Dieses
Magnetfeld durchsetzt auch die Sekundärspule. Weil sich das Magnetfeld in der Sekundärspule ändert, wird hier eine Spannung induziert die eine LED kurzzeitig zum Leuchten bringt. Wenn man den Schalter öffnet baut sich das Magnetfeld ab, es entsteht wiederum eine Induktionsspannung in der Sekundärspule mit umgekehrter Polarität. Durch
einen Eisenkern und noch besser durch ein U-Eisen mit Joch wird dieser Effekt verstärkt.
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V E R S U C H 1 2 : D E R T R A N S F O R M AT O R
Joch
Up
Spannungsmessgerät
für Us
V
Primärspule
200 W
Sekundärspule
600/1200 W
U-Eisen
❖
Wir versorgten Up mit einer Spannung von 5 V bei 600 Windungen an der Sekundärspule. Wir konnten am Spannungsmessgerät 15 V ablesen.
❖
Nachdem wir die Sekundärspule auf 1200 Windungen erweitert hatten, maßen wir bei
Us eine Spannung von 30 V.
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VERSUCH 13:
Säkundärspule
24000 W
Primärspule
600 W
Up = 230 V
Als wir Up mit Strom versorgten sprang zwischen den an der Sekundärspule angebrachten
Drähten ein sehr großer, heller Funken. Durch die Windungsdifferenzen hatten wir eine
Spannung von 9200 V erzeugt.
AUSWERTUNG
ZU
VERSUCH 12
UND
13
Entscheidend ist das Anlegen einer Wechselspannung an die Primärspule. Das bedeutet,
dass die Polarität an den beiden Spuleneingängen ständig wechselt. Ein Pol liefert zunächst wenig, dann mehr dann maximale positive Ladung die wieder abnimmt und sich
ins Minus umkehrt. Beim Ausgleich über die Spule baut sich ein Magnetfeld auf (z.B. mit
Nordpol oben und Südpol unten) das sich wieder abbaut und umkehrt. Dadurch ändert
sich das Magnetfeld in der Sekundärspule wodurch eine Induktionsspannung entsteht.
Diese Spannung hängt ab vom Verhältnis der Windungszahlen.
Hohe Spannungen an der Sekundärspule erhält man durch hohe Windungszahlen auf der
Sekundärseite.
Elektrizitätslehre Klasse 11
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VERSUCH 14: HOCHSPANNUNGSVERSUCHE
❖
Wir Schlossen zwei Nägel an die Pole der Sekundärspule eines Transformators an. Die
Primärspule hatte 500 Windungen, die Sekundärspule hatte 5 Windungen. Als wir die
Primärspule mit 230 V~ versorgten und die Nägel in Berührung brachten, fingen sie an
zu glühen und schmolzen
❖
Wir wiederholten a) doch Verwendeten wir anstatt der Nägel eine „Spule“ mit einer
Windung, die schalenförmig konstruiert war, so dass man ein Stück Blei hinein Legen
konnte. Beim Einschalten des Stromes fing es an zu schmelzen.
AUSWERTUNG
Geringe Windungszahlen auf der Sekundärseite verursachen eine kleine Spannung. Geht
keine Leistung verloren muss nach L = U⋅I die Stromstärke ansteigen. Das hat eine hohe
Wärme zur Folge die zum Schweißen bzw. Schmelzen von Metallen genutzt werden
kann. Die Stromstärken verhalten sich umgekehrt zu den Windungszahlen.
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VERSUCH 15: VERLÖSCHENDE LAMPEN
❖
Eisenjoch
1200W
230 V
U-Eisen
Als wir den Stromkreis schlossen, fing die Birne an zu leuchten. Als wir das Eisenjoch
langsam verschoben, so dass das U-Eisen geschlossen wurde, brummte es zunächst
stark und die Birne wurde schwächer. Schließlich ging die Birne aus.
❖
Eisenjoch
600W
5 V=
U-Eisen
Glühlämpchen
Nach dem Schließen des Stromkreises leuchtete L mit kurzer Verzögerung. Als wir
den Schalter wieder umlegten, und den Stromkreis wieder unterbrachen, leuchtete das
Glühlämpchen kurz auf.
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AUSWERTUNG
Beim Schließen und Öffnen wir in der Spule das Magnetfeld auf bzw. abgebaut. Diese
Änderung induziert nun in derselben Spule eine Spannung, die der verursachenden Spannung entgegen gerichtet ist (Lenz‘ sche Regel). Dieses Phänomen heißt Selbstinduktion.
Beim Schließen entsteht eine Gegenspannung die das Anwachsen des Stromes hemmt.
Beim Öffnen entsteht eine Mitspannung die das Absinken des Stromes verzögert. Diese
Mitspannung ist um so größer je schneller das Öffnen und damit der Abbau des Magnetfeldes erfolgt.
Öffnen
Schließen
Aufblitzen des Glühlämpchens
verzögertes
Aufleuchten
Zeit
Gegenspannung
beim Aufbau des
Magnetfeldes
Spannung
einschalten
Mitspannung
beim Abbau des
Magnetfeldes
Spannung
ausschalten
Teils kann sich diese hohe Induktionsspannung übe einen Funken an der Unterbrecherstelle entladen, teils über das Glimmlämpchen.
Bei Wechselspannung (50 Hz) wird ganz oft in einer Sekunde ein Magnetfeld auf und abgebaut. Durch Schließen des Jochs wird die erzeugte Gegenspannung erhöht und die
Lampe erlischt.
Anwendungen:
❖
Zündspule
❖
Funkeninduktor
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VERSUCH 16: DER SCHWINGKREIS
❖
Stromstärkemessgerät
A
Kondensator
30V =
Spule
A
Schalter
Spannungsmessgerät
Wir luden zunächst den Kondensator auf, indem wir den Schalter nach links legten. V
zeigte unsere Spannung an. Als wir den Schalter umlegten, zeigte A einen sehr niederfrequenten, abnehmenden Wechselstrom an, nach kurzer Verzögerung zeigte V keine
Spannung mehr an. Hohe µF Werte mit hohen Windungszahlen an der Spule verringerten die Frequenz, niedrige µF Werte mit niedrigen Windungszahlen erzeugten eine
hohe Frequenz.
❖
Zunächst luden wir den Kondensator auf, indem wir den Schalter nach links legten.
Lautsprecher
Kondensator
30V =
200 W
Schalter
Als wir den Schalter nach rechts legten, konnten wir einen hohen Ton hören. Nachdem wir den Kondensator auf 18,8 µF und die Spule auf 400 Windungen erhöht hatten, konnten wir einen tieferen Ton hören.
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AUSWERTUNG
N
+ +
+ +
-
-
-
S
0
+
S
-
-
-
+ +
+
N
0
+
-
Das elektrische Feld des Kondensators verschwindet, dafür entsteht ein magnetisches
Feld in der Spule, welches beim Abbau wieder ein elektrisches Feld im Kondensator entstehen lässt mit entgegengesetzter Polarität.
Bestimmende Größen für diese elektromagnetische Schwingung sind die Kapazität C des
Kondensators und die sog. Induktivität L der Spule.
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