Grundlegende Versuche zur Induktion - Stromberg

Physik - Praktikum
Versuch 10/Z
Grundlegende Versuche zur Induktion; Selbstinduktion beim Ein- und
Ausschalten des Stroms in einer Spule; Das Prinzip eines Generators
Literatur: Selbstinduktion: Dorn-Bader Oberstufe; S. 66; Generator: D-B Oberstufe S. 72
Teil 1: Grundlegende Versuche zur Induktion
Durchführung:
1. Der Gitterrahmen wird für diesen Versuch
nicht benötigt.
Schließe das Messinstrument als Spannungsmesser
(Messbereich 1 V- ) an der Spule an.
2. Stecke den Permanentmagneten mit dem Nordpol
(rot) in die Spule hinein und beobachte die Höhe des
Messausschlages und die Richtung.
3. Lasse den Magneten - ohne Bewegung - in der Spule liegen.
4. Ziehe den Permanentmagneten aus der Spule heraus.
Beobachte die Höhe des Messausschlages und die Richtung.
5. Stecke den Magneten mit dem Südpol
in die Spule hinein.
6. Bewege den Magneten in der Spule
wiederholt hin und her. Beobachten und
umpolen wie bei 4.
7. Bewege den Magneten einmal langsam und
dann schnell hin und her.
8. Schalte das Messinstrument auf den
niedrigsten Wechselspannungsbereich um und
wiederhole den Versuchsschritt.
9. Ersetze die Spule 1600 W dg. durch die
Spule 400 Wdg., bewege wiederum den
Magneten - möglichst mit gleicher
Geschwindigkeit der Bewegung- in der
Spule hin und her und beobachte die
Höhe des Messausschlages.
Auswertung:
Fragen und Aufgaben
1. Welche Voraussetzungen müssen gegeben sein, damit eine elektrische Spannung erzeugt
werden kann?
2. Welcher Unterschied ergibt sich in der Richtung des Messausschlages, wenn man zuerst den
Nordpol und dann den Südpol in die Spule hineinsteckt?
3. Welchen Einfluss hat die Bewegungsrichtung des Magneten auf die Richtung des
Zeigerausschlages?
4. Vergleiche die Höhe des Messausschlages bei der Spule mit 1600 W dg. und der Spule mit
400 Wdg.
5. Was sagt die Beobachtung aus, dass der Zeiger des Messinstrumentes vom Nullpunkt
einmal nach rechts und einmal nach links ausschlägt?
6. Die Beobachtung beim Versuchsschritt 8. widerspricht Deiner Erfahrung über die Helligkeit
der Fahrradlampe bei langsamen und schnellem Fahren. Suche nach einer Erklärung.
Teil 2: Selbstinduktion
Grundlagen: Bei Versuchen zur Induktion wird das benötigte Magnetfeld häufig von einer
stromdurchflossenen Spule geliefert. Wir unterscheiden dann die „magnetfelderzeugende“
Spule (die Feldspule) und die Spule in der die Induktionsspannung entsteht (die
Induktionsspule).
Hier soll nun untersucht werden, wie sich das Ansteigen und Abfallen eines Stroms durch eine
Spule auf die Spule selbst auswirkt. Die Spule ist dann praktisch Feldspule und
Induktionsspule in einem. Die Lenzsche Regel gibt Anhaltspunkte dafür, was bei diesen
Versuchen zu erwarten ist.
a) Einschalten eines Stroms
Durchführung:
1. Baue die Schaltung nach der Schaltzeichnung auf. Vermeide einen Luftspalt zwischen Uund I-Kern.
Stelle am Netzgerät eine Gleichspannung von 5...6,5 V ein.
2. Schließe und öffne wiederholt den Schalter im Stromkreis und beobachte gleichzeitig beide
Glühlampen.
Auswertung:
Fragen und Aufgaben
1. Was ist zu erwarten, wenn zwei gleiche Glühlampen über je einen Vorwiderstand mit etwa
gleichem Widerstandswert an derselben Stromquelle betrieben werden; dabei sei der eine
Widerstand ein normaler, der zweite dagegen eine Kupferdrahtspule.
2. Welches Bauelement muss die Ursache zum verzögerten Aufleuchten der einen Glühlampe
sein?
3. Welches sind die beiden wichtigsten Eigenschaften einer Spule, wie sie aus den
vorhergehenden Versuchen hervorgegangen sind?
4. Versuche mit diesen beiden Eigenschaften die beobachtete Erscheinung zu erklären.
Diskutiert darüber in der Gruppe und erfragt evtl. Einzelheiten bei Eurem Lehrer.
5. Kennzeichne in der gegebenen schematischen Darstellung einer "Spule in einem
Gleichstromkreis" durch Pfeile - die Richtung des „eigentlichen“ Spulenstromes - die Richtung
des Selbstinduktionsstromes - die Richtung der Schalterbewegung und trage die passende
Vorsilbe auf- bzw. ab- in das Kästchen ein.
b) Ausschalten eines Stroms
Durchführung:
1. Baue den Versuch nach der Schaltzeichung auf. Verwende als Lampenfassung die mit dem
Schaltzeichen einer normalen Glühlampe.
Stelle am Netzgerät eine Spannung von 12 V- ein.
2. Schließe und öffne wiederholt den Schalter im Stromkreis.
3. Ersetze die Spulen durch einen Widerstand 68 .
Auswertung:
Fragen und Aufgaben
1. Bei welcher Spannung zündet die Glimmlampe?
2. Welches Bauelement bewirkt das Aufleuchten der Glimmlampe?
3. Was sagt die Tatsache aus, dass die Glimmlampe aufleuchtet, obwohl nur eine Spannung
von 12 V angelegt wurde?
4. Versuche den physikalischen Vorgang zu deuten und orientiere Dich dabei an der Erklärung
des vorigen Versuches.
5. Kennzeichne in der gegebenen schematischen Darstellung einer "Spule in einem
Gleichstromkreis" durch Pfeile - die Richtung des „eigentlichen“ Spulenstroms - die Richtung
des Selbstinduktionsstromes - die Richtung der Schalterbewegung und trage die passende
Vorsilbe auf- bzw. ab- in das Kästchen ein.
Teil 3: Das Prinzip eines Generators
Aufgabe: Baue einen Dynamo in seinem prinzipiellen Aufbau nach und erprobe seine
Wirkung.
Durchführung
1 . Setze die beiden Spulenbausteine gegenüberliegend
so ein, dass sich zwischen ihnen das Drehlager befindet.
Führe die beiden U-Kerne, mit der offenen Seite zum
Drehlager weisend, in die Spule ein.
Schiebe das U-Joch unter die Klemmfeder des
Drehlagers zwischen die beiden U-Kerne und verfestige
den Aufbau durch Einsetzen des Spannbügels in die
rechten Bohrungen der U-Kerne.
Befestige den Stabmagneten mittig im Drehhalter und
setze diesen in die Drehlagerbuchse ein.
Füge entsprechend der Schaltzeichnung die
Leiterbausteine und die Lampenfassung hinzu.
2. Drehe den Stabmagneten möglichst schnell.
3. Vollziehe den Masseanschluss am Fahrrad nach,
indem Du die untere Bausteinleitung bis zur Fassung
hin entfernst und an ihrer Stelle je einen Massebaustein
an die Spule und an die Lampenfassung setzt.
Drehe wiederum den Stabmagneten möglichst schnell.
4. Stelle die ursprünglichen Anschlüsse wieder her und ersetze die Glühlampe durch einen
Spannungsmesser (Leitung, unterbrochen verwenden). Stelle den niedrigsten
Gleichspannungsmessbereich (1 V) ein.
5. Drehe den Stabmagneten zuerst langsam und dann möglichst schnell und beobachte dabei
jeweils den Zeigerausschlag des Messinstrumentes.
6. Stelle das Messinstrument auf den kleinsten Wechselspannungsbereich um und wiederhole
den vorigen Versuchsschritt.
Auswertung:
Fragen und Aufgaben
1. Wodurch kannst Du mit der Lichtanlage des Fahrrades die größtmögliche Helligkeit der
Glühlampe erreichen?
2. Beschreibe den Weg der "Masseleitung" am Fahrrad vom Dynamo zum Scheinwerfer.
3. Welche Aussage ermöglicht die Beobachtung, dass der Zeiger des Messinstrumentes hin
und her pendelt?
4. Welche Wirkung hat das auf den Strom?
5. Vergleiche die Weite des Zeigerausschlages bei Gleich- und Wechselspannungsmessung
und begründe.
6. In welcher Schaltungsart sind die beiden Spulen 400 Wdg. (Stromquellen) verbunden und
welchen Wert hat die erzeugte Gesamtspannung in bezug zu den beiden Einzelspannungen?