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Physik 9. Klasse
I.
Magnetisches und Elektrisches Feld
1. Magnete und Ihre Eigenschaften
Die Grundlagen des Magnetismus - insbesondere des Dauermagnetismus - wurden
bereits in der 7. Klasse behandelt:
 Die Stellen stärkster Anziehung des Magneten heißen Pole.
 Man bezeichnet denjenigen Pol eines Magneten, der in die
geografische Nordrichtung zeigt, als Nordpol.
 Meist wird der Nordpol eines Magneten rot eingefärbt, der
Südpol grün.
 Stoffe, auf die Kraftwirkung durch Magnete entsteht, heißen
ferromagnetsiche Stoffe
 zwischen den Polen:
 Kraftwirkung zwischen den Polen:
 Gleichnamige Pole stoßen sich ab, ungleichnamige Pole ziehen sich
an.
 Je größer der Abstand zwischen den Polen ist, desto geringer ist
die
Kraftwirkung
 Ungleichnamige Pole heben sich in ihrer Wirkung auf.
 Teilt man einen Stabmagnet, so entstehen zwei kleinere neue Magnete (es gibt keine
magnetischen Monopole).
Im Folgenden geht es darum magnetische Erscheinungen mit Hilfe des Feldbegriffs zu
verstehen.
Eine sehr hübsche Möglichkeit der Feldstrukturuntersuchung bietet sich, wenn man den
Magneten unter eine Glasplatte legt und auf die Platte dann Eisenfeilspäne (viele kleine,
zunächst unmagnetische Späne) streut. Die Späne werden durch magnetische Influenz zu
kleinen Dipolen, die sich längs der Feldlinien ausrichten. Die Ausrichtung wird erleichtert, wenn
man kurz an die Glasplatte klopft.
Mit der vereinbarten Richtungsregel ergibt sich dann die folgende Darstellung für das Feld
eines Stabmagneten.
Beachte, dass magnetische Feldlinien nur Denk- und Anschauungshilfen sind, mit denen man das
Magnetfeld charakterisieren kann.
Einige Eigenschaften von magnetischen Feldlinien:
- Die magnetischen Feldlinien laufen vom Nord- zum Südpol, sie geben die Kraftrichtung auf
einen magnetischen Nordpol an.
- Magnetische Feldlinien schneiden sich nicht, d.h. die Kraftrichtung auf einen magnetischen
Nordpol ist stets eindeutig definiert.
- Will man andeuten, dass in einer Zone das Magnetfeld stärker ist als in einer anderen Zone, so
deutet man dies durch die Dichte der Magnetfeldlinien an. Höhere Feldliniendichte bedeutet
stärkeres Magnetfeld.
Aufgaben S. 27 Nr. 1, 2, 3, 5, 6, 8
Durch die Versuche von Oerstedt gelangte man zur Erkenntnis,
dass auch stromführende Leiter von einem Magnetfeld umgeben
sind. Der Zusammenhang zwischen der technischen
Stromrichtung und der Richtung der Magnetfeldlinien ist einfach
mit der Rechten-Faust-Regel zu ermitteln.
Ergebnis:
Jeder stromdurchflossene Leiter umgebt sich mit einem ringförmigen Magnetfeld, wobei sich
die Richtung der Feldlinien aus der Rechten-Hand-Regel ergibt. Dabei ist die Stromrichtung die
technische Stromrichtung ( von + nach -!!)
Magnetfeld eine stromdurchflossenen Spule
Theoretische Überlegung
+
+
+
+
_
_
_
_
Aufgabe S. 28 Nr. 7, 9
Bild
2. Elektrisches Feld
a) Wiederholung der Elektrizitätslehre
Größe/Begriffe
Symbol
Einheit
el. Spannung
U
1V (Volt)
el. Ladung
Q
1As = 1C
e
1,6 10-19
Widerstand
R
1Ω ( Ohm)
Stromstärke
I
1A ( Ampere)
el Leistung
P
1VA = 1W ( Watt)
Elementarladung
Elektron
Formel
U=RI
U = ΔE/Q
Q=It
R=U/I
I=U/R
I=Q/t
P=UI
Elektrische Schaltungen werden durch Schaltbilder dargestellt
Aufgabe: Zeichne das Schaltbild zu einem Versuch, bei dem der Zusammenhang zwischen
Spannung und Stromstärke bei einem Eisendraht gemessen werden.
Erkläre die Begriffe
Spannung
Fähigkeit Strom fließen zu lassen
Stromstärke
Definition des el. Strom:
„Strom ist das Fließen von Ladung“
Widerstand.
Widerstand = Spannung / Stromstärke
Ohmsches Gesetz Widerstand ist konstant
das I –U-Diagramm ist eine Ursprungsgerade
Die Stromstärke in einem Widerstand ist zur angelegten Spannung proportional
Ladung:
zwei Ladungsarten; + und –
gleichnamig Ladungen stoßen sich ab
ungeichnamige ziehen sich an
Elementarladung = kleinste Ladung e= 1,60 10
–19
C
Ladungstrennung
Reiben; chemische
Prozess
Ladungstransport
metall.Körper;
Metallkugel auf Isolierstab
Ladungsmessung??
Elektroskop
mechanische Energie
E=mgh
Ekin = ½ m v2
Espann = ½ Ds²
Innere Energie
Δ Ei = c m ΔT
elektrische Energie:
Eel. = U I t
b) Kräfte in der Nähe elektrisch geladener Körper
Lade die Oberfläche eines aufgeblasenen Luftballons oder eine Kunststofffolie durch Reiben mit
einem Wolltuch elektrisch auf. Nähere den geladenen Gegenstand, ohne zu berühren:
einem ebenfalls geladenen Luftballon,
den frisch gewaschenen Haaren einer Versuchsperson,
einer Schicht gemahlenem Pfeffer auf dem Tisch,
einer Kompassnadel,
einem Elektroskop aus der Physiksammlung,
einem dünnen Wasserstrahl aus der Wasserleitung (die Kunststofffolie dazu rund biegen).
Notiere jeweils deine Beobachtungen. Tipp: Damit die Experimente bei feuchtem Wetter gelingen,
solltest du den Luftballon oder die Folie vor den Versuchen mit einem Föhn trocknen.
Einfaches Elektroskop
Durchbohre den Deckel eines Marmeladen-glases,
stecke einen hakenförmig gebogenen Kupferdraht hindurch
und isoliere ihn vom Deckel durch Siegellack (Nagellack).
Über den Haken hängst du einen gefalteten Streifen
Alufolie. Bringst du nun einen durch Reibung an einem
Wolltuch elektrisch geladenen Füllhalter oder Kamm an den
Draht, spreizen sich die Streifen auseinander.
Bei der Berührung mit einem aufgeladenen Gegenstand
fließen die Elektronen durch den Draht in die Streifenenden.
Beide Streifen haben jetzt die gleiche Ladung und stoßen
einander je nach Ladungsstärke mehr oder weniger stark ab.
Thema:
Kraft auf geladene Körper, Influenz
Aufgabe:
Elektrisches Auf- bzw. Entladen von Körpern, Bau eines Elektroskops
Geräte:
Mechanik-Grundkasten, Steckachse, Glimmlampe, quadratische Kunststoffscheibe,
Lamettafaden
Aufbau:
Steckachse
Muffenblock
(isolierendes
Material!)
Lamettafad
en
Durchführung:
Versuch 1
Kunststoffscheibe an Pullover reiben
einen der Metallkontakte des Glimmlämpchens mit einer Hand halten,
Glimmlämpchen mit dem anderen Metallkontakt an die Kunststoffscheibe
halten, dabei Glimmlämpchen beobachten
(Beobachtung unter V 1 auf die  Rückseite dieses Anleitungsblattes!)
Versuch 2:
(Elektrische Influenz)
Lamettafaden (LF) so an die Steckachse hängen, dass er nur an einer Seite
herunterhängt!
Kunststoffscheibe aufladen und dem unteren Ende des LFs von der Seite
nähern (nicht berühren!). (Beob. > Rückseite, V 2 a - elektr. Influenz)
Erkläre das Verhalten des LFs, nachdem die Scheibe berührt wurde!
( Rückseite, V 2 b)
Versuch 3:
(Elektroskop)
LF so auf die Achse hängen, dass beide Enden gleich weit herunterhängen
Achse und LF mit Kunststoffscheibe aufladen
Verhalten des LFs beschreiben und erklären! (> Rückseite, mit kleiner
Skizze unter "V 3 - Elektroskop")
Zusammenfassung:
Zustand
Objekt
Gedankenmodell
materielles
Modell
unmagnetisch
magnetisch
Zusammenfassung.
Unterschiede:
Gemeinsames:
Elektrizitätslehre
Magnetismus
Monopole
Dipole
Ladungen
Elementarmagneten
Getrennt
zusammen
Raum, um sie herum, in dem auf entsprechende Körper eine Kraft
wirkt.
Physikalische Übungen
Klasse:
E-Lehre/Elektromagnetismus
Datum:
Nr.
Thema:
Magnetische Feldlinienbilder verschiedener Magnete
Aufgabe:
Geräte:
Aufbau:
Skizzieren verschiedener Feldlinienbilder versch. Magnetanordnungen
Stabmagnet (2x), Weicheisen, Bleistift, Mini-Magnetnadel
Abb. 2
Abb. 3
Abb. 4
Durchführung:
*Stabmagneten auf die markierte Stelle legen
*Mini-Kompass so neben den Stabmagneten stellen, dass der Fußpunkt der
Magnetnadel bei dem eingezeichneten Punkt zu liegen kommt.
*Lage der Magnetnadelspitze markieren
*Mini-Kompass so verschieben, dass der Fußpunkt über dem zuletzt
gezeichneten Punkt zu liegen kommt, neue Lage der Spitze markieren usw.
*Die so erhaltenen Punkte durch eine Linie (Feldlinie) verbinden
*Versuch mit neuem Startpunkt (nahe des Nordpols) wiederholen
*Mit zwei Stabmagneten und dem Weicheisenstück einen
Hufeisenmagneten bilden (Abb. 2) und nach obiger Methode ebenfalls
Feldlinienbild konstruieren (> Rücks. d. Blattes, selbst mehrere Startpkte.
wählen)
*Feldlinienverlauf bei Magnetanordnung nach Abb. 3 und 4 qualitativ
ermitteln (> Rückseite des Blattes)
Physikalische Übungen
E-Lehre/Elektromagnetismus
Thema:
Aufgabe:
Geräte:
Aufbau:
Klasse:
Datum:
Nr.
Magnetfeld eines geraden stromdurchflossenen Leiters
Ermittlung des Feldlinien-Verlaufs bei einem geraden stromdurchflossenen Leiter
Rastersteckplatte, Kabel, Brückenstecker, Gleichspannungsquelle, Mini-Kompass
3V =
Abb. 2
Rastersteckplatte
Abb. 1
Durchführung:
*Rastersteckplatte hochkant senkrecht auf den Tisch stellen, Stromkreis
herstellen
*Ein Praktikumsteilnehmer hält das Kabel auf der Vorderseite der
Rastersteckplatte so, wie auf Abb. 1 dargestellt. Gleichzeitig senkrecht
stehende Platte sichern! Strom stets nur kurz fließen lassen!
*Der Praktikumspartner untersucht den Feldlinienverlauf im angegebenen
Bereich (siehe Abb. 2)
Beobachtung
Aufgaben:
Jeweils technische Stromrichtung und beobachteten Feldlinienverlauf eintragen!
Rechte-Hand-Regel als Merkregel für obiges Ergebnis auf der Rückseite des Blattes
Skizzieren
b) Kräfte in der Nähe elektrisch geladener Körper – Elektrische Felder
Den Raum, in dem sich Kräfte auf einen geladenen Körper zeigen, nennt man ein elektrisches
Feld
Das elektrische Feld lässt sich beschreiben mit Feldlinienbilder mit folgenden Eigenschaften
 Die Richtung der Feldlinie gibt die Richtung der Kraft auf eine positive Ladung an
 Je dichter die Feldlinien sind, desto stärker ist das Feld
 Die Feldlinien beginnen bei der positiven Ladung und enden bei der negativen Ladung ( wie
kann man sich das aus der vorherigen Eigenschaft ableiten??)
 elektrische Feldlinien schneiden sich nicht, d.h. die Kraftrichtung auf einen pos. Ladung
ist stets eindeutig definiert
.
Beispiele von Feldern
Radialfeld:
_
Feld zwischen unterschiedlichen Punktladungen ( siehe oberes Beispiel)
Kraftrichtung ergibt sich aus dem Kräfteparallelogramm , usw
+
Homogenes Feld
_
Bewegung von Ladung in elektrischen Feldern
Bewegung im Längsfeld
 in Feldlinienrichtung
_
+
+
Geschwindigkeit wird größer; Richtung bleibt
 quer zur Feldlinienrichtung
v
+
_
+
+
+
+
+
+
Geschwindigkeit ändert sich und Bewegungsrichtung ändert sich --- Vergleich: waagrechter
Wurf
Aufgaben S. 28/29 Nr. 11, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24
1. Schau hin, mach mit
Fertige bei jeder Teilaufgabe eine gut beschriftete Skizze an. Sie sollte entweder ungefähr
maßstabsgetreu sein oder wenigstens Längenangaben enthalten. Beschreibe jeweils ganz knapp deine
Beobachtungen und (getrennt davon) deine Erklärungen.
a) Hänge zwei gleich große Luftballone an Schnüren nebeneinander auf und reibe sie in gleicher Art mit
Wolle oder einem Fleecestoff.
b) Stelle dich vor einen Spiegel und halte einen gut aufgeladenen Luftballon über deine frisch
gewaschenen und sehr gut getrockneten Haare.
c) Nimm einen Pinnwandmagneten. Hänge daran möglichst viele Büroklammern untereinander. Gibt es am
Magneten Stellen unterschiedlicher Stärke?
d) Nimm zwei gleiche Pinnwandmagnete. Füge die beiden Magnete aneinander und verdrehe dann einen
um 90°, 180° und 270°. Was fällt dir auf? Erkläre
2. Elektrizität und Magnetismus im Alltag
Im alltäglichen Sprachgebrauch werden gerne Begriffe aus der Elektrizitätslehre verwendet, weil die so
schön „dramatisch" klingen: „geladen", „gepolt", „unter Strom/Spannung". Finde einige konkrete Beispiele
und stelle eine Beziehung her zwischen der physikalischen Bedeutung und der sprachlichen Absicht.
3. Elektrische Ballspiele
Zwischen zwei geladenen Platten hängt an einem
isolierenden Faden ein Tischtennisball mit einer elektrisch
leitenden Oberfläche. Beschreibe jeweils, was zu
beobachten ist und begründe deine Aussage mit
physikalischen Argumenten..
a) Der Tischtennisball ist erst neutral, wird dann mit der
linken
Platte
in
Berührung gebracht und anschließend losgelassen.
b) Der Tischtennisball ist erst neutral, wird dann mit der
rechten Platte in
Berührung gebracht und anschließend losgelassen.
c) Der Tischtennisball ist positiv geladen, wird dann mit der rechten Platte in Berührung gebracht und
anschließend losgelassen.
d) Der neutrale Tischtennisball fängt nach geraumer Zeit von selber am zu pendeln
4. Ladungen groß und klein
Die kleinste Ladungsmenge ist die Elementarladung e = 1,6- 10~19 C. Darüber hast du im letzten Schuljahr einiges erfahren.
a) Was bedeutet die Einheit 1 Coulomb? Wie viele Elektronen haben zusammen die Ladung 1 C?
b) Nenne Beispiele aus der Physik oder Chemie, bei denen die Ladungsmengen + 1 e, ± 2 e bzw. + 5e
vorkommen.
c) Somebody walked on dry carpet tiles for a while and now he is charged with ü = + 10nC. How many
electrons are missing?
d) Unter einer negativ geladenen Wolke (0 = 25 mC) fliegt ein Luftballon mit 0,7 Billionen überschüssigen Elektronen. Vergleiche die Ladungsmengen und begründe, warum man den Luftballon als
„Probeladung" bezeichnen darf.
5. Staubiges Feld
Zwischen zwei geladenen Platten befinden sich zwei Staubkörnchen. Das eine Staubkörnchen hat eine
doppelt so große Masse wie das andere. Beschreibe für die vorgegebenen
Situationen, wie sich die zunächst ruhenden Teilchen bewegen werden.
a) Die Staubteilchen sind gleich negativ geladen; beim größeren Teilchen ist die
elektrische Kraft so groß wie die Gewichtskraft.
b) Die Staubteilchen sind gleich negativ geladen; beim kleineren Teilchen ist die
elektrische Kraft so groß wie die Gewichtskraft.
Bei den folgenden Aufgaben musst du zuerst eine Kräfteaddition durchführen.
c) Die Staubteilchen sind gleich positiv geladen; die elektrische Kraft ist viel
größer als die Gewichtskraft
d) Die Staubteilchen sind gleich positiv geladen; die elektrische Kraft ist beim
kleineren Teilchen genauso groß wie die Gewichtskraft
6. Rauchgasfilter
Eine Anordnung mit einem negativ geladenen Draht (Sprühelektrode) und einer
positiv geladenen Röhre (Niederschlagselektrode) dient dazu, Rußpartikel aus
Rauchgas zu entfernen. Für die Funktionsweise ist ein starkes elektrisches Feld
Isolator
Isolator
abgeschiedener Staub
entscheidend.
a) Zeichne den Längsschnitt durch das Rauchgasfilter in dein Heft ab. Trage zusätzlich die elektrischen
Feldlinien zwischen der Sprühelektrode und der Niederschlagselektrode ein. Gib jeweils auch die
Feldrichtung an.
b) Zeichne nun einen Querschnitt durch das Rauchgasfilter und trage die Feldlinien ein. Erkläre mithilfe
dieses Bildes, dass die elektrischen Kräfte in der Mitte besonders groß sind.
c) Erkläre die Funktionsweise des Rauchgasfilters. Nimm dazu an, dass die Sprühelektrode Elektronen
„versprüht", die von den Rauchteilchen aufgenommen werden und diese laden.
7. Oszilloskop*
Lies zuerst den Text „Das Oszilloskop" in „Zum Weiterlesen". Nun kannst du überprüfen, ob du die
Funktionsweise verstanden hast:
a) Du erkennst auf dem Schirm einer Braun'schen Röhre einen einzigen Leuchtpunkt. Was bedeutet dies
für die Spannungen an den Ablenkplatten?
b)
Gib für jedes der Bilder vom
eines Oszilloskops die Polung des
zur x-Ablenkung und y-Ablenkung an.
dazu die Beträge der Spannungen
Leuchtschirm
Plattenpaars
Vergleiche
miteinander.
c) Warum wird an die x-Ablenkung meistens eine Spannung angelegt, deren zeitlicher Verlauf die Form
eines Sägezahns hat? Wie sehen die entsprechenden Oszilloskop-Bilder mit einem Sägezahn aus,
wenn die Ablenkspannung in y-Richtung jeweils wie in Aufgabe b) ist?
12. Praktikum* (Projektmöglichkeit)
Die Einstellungen an den Drehknöpfen eines Oszilloskops geben jeweils an, welchen Wert eine
Kästchenbreite auf dem Bildschirm darstellt. In horizontaler Richtung werden dabei die
Zeitangaben abgelesen, in vertikaler Richtung die Spannungsangaben
a) Gib für folgende Oszilloskop-Bilder die typischen
Werte an: Extremwerte der Spannung U, Periodendauer
T, Frequenz f. Es gilt der Zusammenhang: f= 1/r.
b) Mache dich in einem Praktikum mit der Beschreibung des Oszilloskops vertraut. Gehe auf Intensität,
Fokussierung, Zeitablenkung, Frequenz und Triggerung ein. Mögliche Untersuchungsthemen sind:
Ausgangsspannung eines Funktionsgenerators, Darstellung akustischer Schwingungen mithilfe eines
Mikrofons, Qualität der Gleichspannung von Netzgeräten.
13. Magnete „zaubern" Bilder
(Projektmöglichkeit)
Stelle mit nachfolgenden experimentellen Methoden magnetische Feldlinien das:
a) mit vielen kleinen Magnetnadeln;
b) mit Eisenfeilspänen (sie entstehen beim Feilen
von Eisenstücken), die auf ein Stück Papier über
einen Magneten gestreut werden. Tipp: Du kannst das Bild anschließend mit Haarspray fixieren
und verhindern, dass die Eisenstückchen rosten.
2.
Das Gravitationsfeld
analog: Magnetfeld
a) radialsymmetrisches Gravitationsfeld um
einen Zentralkörper
Die Probekörper sind nicht eingezeichnet
b) Ausschnitt aus einem kleinen
oberflächennahen Gebiet von a)
Nahezu homogenes Gravitationsfeld, wie im
Bereich der Erdoberfläche
Im Gravitationsfeld eines Körpers der Masse M wirkt auf jeden Körper der Masse m im
Abstand r die Gravitationskraft F. Diese ist gegeben durch:
F G
mM
r²
Bildet man den Quotienten aus der Kraft F und der Masse des Probekörpers m, so erhält man
eine allein das Feld charakterisierende Größe, die Gravitationsfeldstärke:
Ergänzung:
Felder speichern und geben Energie ab.
Bespiel: Gravitationsfeld: Potentielle Energie; die Ekin nimmt zu.
E-Feld: Probekörper nimmt an Ekin zu
M-Feld Probekörper nimmt an Ekin zu
Weitere Aufgaben S. 30 Nr. 25, 26, 27, 29!!!, 30, 31
2.Wechselwirkung zwischen stromführende Leiter und Magnetfeld;
—-Elektromagnetismus—
a. Stromdurchflossene Leiterschaukel im Magnetfeld
Grundversuch 1
Versuchsaufbau: Hufeisenmagnet; Leiterschaukel; Lämpchen; Stromquelle
Versuchsskizze
Versuchsdurchführung:
1. Stromkreis schließen
2. Stromrichtung ändern
3. Magnetfeldrichtung ändern ( Strom wie Zeichnung!)
4. beides ändern
5. mit Hilfe von zwei Stabmagneten ein Magnetfeld herstellen, dass parallel zur
Stromrichtung verläuft
Beobachtung:
1. die Leiterschaukel wird senkrecht nach vorne bewegt
2. die Leiterschaukel wird senkrecht nach hinten bewegt
3. die Leiterschaukel wird senkrecht nach hinten bewegt
4. die Leiterschaukel wird senkrecht nach vorne bewegt
5. die Leiterschaukel bewegt sich fast nicht
Ergebnis: Die Richtung dieser Kraft kann mit der UVWRegel der rechten Hand ermitteln
- Ursache für
das Phänomen ist der Strom.
Der Daumen der rechten Hand zeigt in die technische
Stromrichtung (von + nach -).
- Vermittlung bei diesem Prozess ist das Magnetfeld.
Der Zeigefinger der rechten Hand zeigt in Magnetfeldrichtung (von N nach S).
- Wirkung ist bei diesem Prozess die Kraft auf den stromdurchflossenen Leiter.
Der Mittelfinger der rechten Hand gibt die Kraftrichtung an.
Aufgabe S. 28 Nr. 10
Grundversuch 1
Versuchsaufbau: Hufeisenmagnet;
Leiterschaukel; Lämpchen; Stromquelle
Versuchsskizze
Versuchsdurchführung:
1. Stromkreis schließen
2. Stromrichtung ändern
3. Magnetfeldrichtung ändern ( Strom wie Zeichnung!)
4. beides ändern
5. mit Hilfe von zwei Stabmagneten ein Magnetfeld herstellen, dass parallel zur
Stromrichtung verläuft
Beobachtung:
Ergebnis:
Das obige Versuchsergebnis soll nun noch auf eine andere Weise interpretiert werden.
Vielleicht denken Sie sich, dass ihnen eine Versuchsdeutung bereits ausreicht. Sie werden aber
sehen, dass diese neue Deutung allgemeiner und somit leistungsfähiger ist.
Es kommt nur zur Auslenkung der Leiterschaukel, wenn im Kreis ein Strom festzustellen ist.
Strom bedeutet in der "mikroskopischen Vorstellung" das Fließen von Ladungen. Hier setzt nun
die Umdeutung des obigen Versuches an:
Wenn die Lampe leuchtet so bewegen sich z.B. negative Ladungsträger vom Minus- zum Pluspol,
d.h. bei dem im Magnetfeld befindlichen Leiterstück von vorne nach hinten (in die
Zeichenebene). Die senkrecht zum Magnetfeld bewegten Ladungsträger erfahren nun eine
Kraft nach links und "ziehen das Leiterstück mit" in dem sie sich bewegen, das Leiterstück geht
nach links.
Aufgabe: Gib in allen drei Fällen an, ob eine Kraft wirkt und zeichne evtl. deren Richtung ein.
Anwendung: Elektromotor
Materialbedarf:
1 Batterie (Monozelle)
1 Zylinder oder Kugelmagnet (extra -stark),
1 Schraube
1 Stück Kabel
Foto rechts aus: http://www.supermagnete.de/elektromotor.php
Aufbau
Hängt man einen starken zylinderförmigen Magneten und eine Schraube an den einen Pol einer
Batterie und verbindet den anderen Pol mit einem Kabel mit dem Magneten, so gerät dieser
gemeinsam mit der Schraube in schnelle Rotation. Dies ist wohl eine der einfachsten Aufbauten
um zu zeigen , dass elektrische Energie in mechanische umgewandelt werden kann.
Quelle:
Die Idee wurde in der Zeitschrift "Physik in unserer Zeit", 35. Jahrgang, Ausgabe Nr. 6,
November 2004 veröffentlicht.
Den entsprechenden Artikel von H. J. Schlichting und C. Ucke sowie weitere Beispiele und eine
Bezugsquelle für starke Magnete findet man auf der Seite http://www.supermagnete .de
Schülerübung: Bau eines Elektromotors –http://www.eschke.com—Leifi-Arbeitsanleitung
0.1.
Lorentzkraft
Wissen: Ein stromdurchflossener Leiter erfährt im Magnetfeld eine Kraft ( Kraftrichtung gemäß der
Rechten-Hand-Regel)
Ursache für die Kraft?
Strom
Transport von Ladung (Elektron)
Theor. Überlegung: also erfährt eigentlich jedes Elektron im Magnetfeld eine Kraft
+
_
Magnetfeld
Stromrichtung entgegengesetzt zur
Bewegungsrichtung der Elektronen
Kraft auf den Leiter = Summe aller Einzelkräfte auf jedes Elektron
Definition:
Die Kraft auf bewegte Ladungen im Magnetfeld heißt Lorentzkraft (heir nur durch therotische
Überlegungen gefunden muss duch Versuch gezeigt werden!!)
Versuche zur Lorentzkraft—mit einem Elektronenstrahl im Magnetfeld.
Fadenstrahlrohr = Elektronenstrahlröhre mit verdünnter Gasfüllung
Das Fadenstrahlrohr
Mit Hilfe des Fadenstrahlrohres gelingt der Nachweis, dass im Magnetfeld auf freie
Ladungsträger (in diesem Fall Elektronen) eine Kraft wirkt (Lorentzkraft).
Aufbau: In einen zunächst evakuierten Glaskolben wird etwas Wasserstoffgas
gefüllt, so dass im Kolben eine Wasserstoffatmosphäre bei niedrigem Druck
besteht. Im Kolben befindet sich eine Elektronenkanone, die im Wesentlichen aus
einer Glühkathode und einer durchbohrten Anode besteht. Aus der mit dem Strom
IH geheizten Kathode treten aufgrund des glühelektrischen Effekts Elektronen aus,
die zur positiv geladenen Anode hin beschleunigt werden (Anodenspannung UA).
Durch ein Loch in der Anode verlassen die Elektronen das Strahlerzeugungssystem.
Beobachtung:
Einzelne Elektronen des Strahls treffen auf Wasserstoffatome und regen sie zum Leuchten an.
Dadurch wird der Elektronenstrahl sichtbar.
1. kein Magnetfeld Elektronenstrahl geradlinig
2. Magnetfeld in der Nähe des Strahles Ablenkung
3. Anlegen eines homogenen Magnetfeldes durch das Helmholtzspulenpaar
o Elektronenstrahl senkrecht zu den Feldlinien kreisförmige Ablenkung
o Elektrionenstrahl parallel zu den Feldlinien keine Ablenkung
o Winkel zwischen dem eingeschossenen Elektronenstrahl und der Richtung des
Spulenfeldes zwischen 0° und 90°--- Schraubenlinie.
Aufbau am MTG:
Zusammenfassung:
Bewegen sich Ladungen parallel zum Magnetfeld, so tritt keine Lorentzkraft auf
In allen anderen Fällen tritt eine Lorentzkraft auf.
Sie ist am größten, wenn sich die Ladungsträger senkrecht zur Feldrichtung bewegen
Die Kraft steht senkrecht zur Ebene, die durch die Bewegungs- und Feldrichtung
festgeliegt.
Richtung der Kraft: Rechte-Hand-Regel, wobei Elektronenbewegung entgegengesetzt zur
Stromrichtung
II.
Induktion
Lässt man die Leiterschaukel - einmal angestoßen - im Magnetfeld eines Hufeisenmagneten hinund herschwingen, so kann man am empfindlichen Messgerät eine Spannung feststellen.
Hinweise:
Wir betrachteten schon einmal einen
Versuch mit der Leiterschaukel. Dort
legten wird aber an die Leiterschaukel
eine äußere Spannung an. Aufgrund
dieser Spannung floss Strom und es
ergab sich eine Kraft auf den
stromdurchflossenen Leiter:
Elektromotorisches Prinzip:
Umwandlung elektrischer Energie in
mechanische Energie
Bei dem jetzt betrachteten Versuch verwenden wir keine äußere Spannungsquelle
Generator-Prinzip: Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie
Das Entstehen einer Spannung bei der Bewegung eines Leiters im Magnetfeld kann man mit
Hilfe der Lorentzkraft verstehen:
Im Leiter werden bewegliche Ladungsträger (z.B. Elektronen) mitbewegt. Mit der UVW-Regel
der linken Hand ergibt sich bei einer Bewegung nach links eine Lorentzkraft auf die Elektronen,
die aus der Zeichenebene gerichtet ist. Daher erhält der nach links bewegte Stab vorne einen
Minuspol und hinten einen Pluspol (Elektronenmangel). Bei der Bewegung in der Gegenrichtung
wird der Stab umgepolt. Ruht der Stab, so kommt es zu keiner Ladungstrennung.
Induktionsgesetz von Faraday
Das Entstehen einer Induktionsspannung in der Spule (Induktionsspule) können Sie mit Hilfe
der Lorentzkraft verstehen:
Sie haben gelernt, dass bei geeigneter Bewegung eines Leiters im
Magnetfeld eine Ladungstrennung und damit eine Spannung im Leiter entsteht (vgl.
Leiterschaukel-Versuch).
Hier bewegt sich zwar nicht der Leiter, jedoch der Magnet. Es kommt
offensichtlich nur auf die Relativbewegung an.
Aufgabe S. 49 Nr. 1
Fingergymnastik: Bestimme für alle sechs Bilder die jeweils gesuchten Dinge.
Hinweis: Die Ausdehnung des Magnetfeldes sei genügend groß!
Lösung:
Man kann nun den Permanentmagneten durch einen Elektromagneten (Feldspule) ersetzen.
Bewegt man die Feldspule auf die Induktionsspule zu, so entsteht wieder ein Spannungsstoß.
Soweit erbringen die oben angesprochenen Versuche nichts wesentlich Neues. Lässt man nun
die Feldspule bezüglich der Induktionsspule ruhen, so kommt es zu keinem Spannungsstoß, auch
wenn man das Magnetfeld der Feldspule noch so stark macht.
Es passiert aber etwas ganz Besonderes, wenn man den Strom in der Feldspule ein- bzw.
ausschaltet:
Ohne irgendwelche Relativbewegung kommt es in der Induktionsspule zu einem
Spannungsstoß. Diese Erkenntnis formulierte Faraday (1831) in seinem berühmten
Induktionsgesetz.
Ändert sich das von den Windungen einer Spule umschlossene Magnetfeld, so wird in ihr eine
Spannung induziert.
Genauere Untersuchungen zeigen zusätzlich:
Je größer die Änderung des Magnetfeldes ist (bei gleicher Zeitdauer der Änderung), desto
größer ist die Induktionsspannung.
Je schneller die Änderung des Magnetfeldes ist (bei gleichem Betrag der Änderung),
desto
größer ist die Induktionsspannung.
Die Induktionsspannung ist bei fester Feldspule umso größer, je mehr Windungen die
Induktionsspule besitzt.
Besonders hohe Induktionsspannungen erhält man, wenn man Feld- und Induktionsspule auf
einen gemeinsamen Eisenkern setzt.
Aufgabe S. 49 Nr. 2, 3
Anwendungen:
Waltenhofsches Pendel – Wirbelstrombremse
Ein Aluminiumring kann zwischen den Polschuhen eines Elektromagneten pendeln. Ist das
Magnetfeld noch abgeschaltet, so ist die Pendelschwingung relativ ungedämpft. Schaltet man
nun das Magnetfeld ein (rechte Animation), so wird das Pendel stark abgebremst.
Schwingt der Ring in den Elektromagneten so ändert sich das Magnetfeld welches den Ring
durchsetzt, es nimmt zu.
Dadurch wird im Ring eine Spannung induziert, die einen Induktionsstrom verursacht.
Nach Lenz ist dieser Strom so gerichtet, dass er die Ursache seiner Entstehung zu hemmen
sucht. Er fließt also so, dass er ein Magnetfeld bewirkt, das dem des Elektromagneten
entgegengerichtet ist (der Induktionsstrom "versucht" den ursprünglichen - feldfreien Zustand herzustellen).
Der Ring stellt nun einen stromdurchflossenen Leiter dar, der sich zum Teil im Feld des
Elektromagneten befindet. Nach der UVW-Regel der rechten Hand wirkt auf ihn eine Kraft
entgegen der Bewegungsrichtung, der Ring wird abgebremst.
Befindet sich der Ring vollständig im Magnetfeld so wirkt auf ihn keine Kraft, da sich das
Magnetfeld welches den Ring durchsetzt nicht ändert.
Schwingt der Ring aus dem Elektromagneten so ändert sich das Magnetfeld welches den Ring
durchsetzt, es nimmt ab.
Dadurch wird im Ring eine Spannung induziert, die einen Induktionsstrom verursacht.
Nach Lenz ist dieser Strom so gerichtet, dass er die Ursache seiner Entstehung zu hemmen
sucht. Er fließt also so, dass er ein Magnetfeld bewirkt, das dem des Elektromagneten gleich
gerichtet ist (der Induktionsstrom "versucht" den vorangegangenen Zustand: "Magnetfeld
durch Ring" wieder herzustellen).
Der Ring stellt nun wieder einen stromdurchflossenen Leiter dar, der sich zum Teil im Feld des
Elektromagneten befindet. Nach der UVW-Regel der rechten Hand wirkt auf ihn eine Kraft
entgegen der Bewegungsrichtung, der Ring wird weiter abgebremst.
Die nebenstehende Animation zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Wirbelstrombremse. Eine
rotierende Metallscheibe kann abgebremst werden, wenn sie - wie skizziert - von einem
Magnetfeld durchdrungen wird (hier Magnetfeld in die Schirmebene). In der Metallscheibe
entstehen Wirbelströme. Der stromdurchflossene Leiter erfährt dann durch das äußere
Magnetfeld eine bremsende Kraft.
Je kleiner die Rotationsgeschwindigkeit wird, desto geringer werden auch die Wirbelströme.
Der Generator
Mit dem ausgezeichneten Applet von Walter Fendt kannst du dir die Funktionsweise eines
Generators für elektrische Spannungen klar machen. Mit der bräunlich gezeichneten Kurbel
wird die Leiterschleife im Magnetfeld des Hufeisenmagneten in gleichbleibende Rotation
versetzt.
Beantworte folgende Fragen bevor du das Applet startest:
- Warum ist bei der Stellung der Leiterschleife im Bild 1die entstehende Spannung gerade
maximal (die schwarzen Pfeile deuten die Bewegungsrichtung an)?
- Welcher wesentliche Unterschied im Aufbau besteht zwischen dem Generator im linken und
im rechten Bild? Welche Folge hat dies?
Der Transformator
Funktionsprinzip:
- Die Wechselspannung in der Primärspule Up verursacht einen Wechselstrom Ip.
- Dieser Wechselstrom bewirkt sowohl in der Primärspule als auch in der Sekundärspule ein
magnetisches Wechselfeld.
- Nach Faraday zieht ein sich änderndes Magnetfeld eine Induktionsspannung nach sich.
- Die induzierte Spannung tritt in der Sekundärspule als Sekundärspannung Us auf. Sie
ruft aber auch in der Primärspule eine Induktionsspannung hervor, die - nach Lenz - der
von außen angelegten Spannung entgegengerichtet ist. Daher ist der Primärstrom beim
unbelasteten Transformator in der Regel sehr klein.
Aus dem oben Gesagten geht hervor, dass ein Transformator nur mit Wechselspannung
funktionieren kann. Würde man an die Primärseite eine Gleichspannung anlegen, so käme es zu
keiner Magnetfeldänderung und somit würde keine Sekundärspannung entstehen.
Spannungsübersetzung:
Versuche zeigen, dass zwischen der Primärspannung Up, der Sekundärspannung Us, der
Primärwindungszahl Np und der Sekundärwindungszahl Ns der folgenden Zusammenhang
besteht:
Stromübersetzung:
Die Regel für die Stromübersetzung kann aus der Regel für die Spannungsübersetzung
hergeleitet (deduziert) werden:
Geht man von einem verlustlosen Transformator aus, so ist die primär eingespeiste Leistung
gleich der sekundär bereitgestellten Leistung (Folge des Energiesatzes):
Aufgabe Buch S. 49 Nr. 4, 5
Aufgaben:
- Warum ist der Betrieb eines Trafos nur mit Wechselspannung, nicht aber mit
Gleichspannung möglich?
-
Die elektronischen Bauteile eines Stereo-Radios benötigen eine Gleichspannung als
Versorgungsspannung. Dazu wird mit einem Transformator (Netztrafo) die
Netzwechselspannung von 230 V auf eine Wechselspannung von 24 V herunter
transformiert. Anschließend sorgt ein Gleichrichter dafür, dass die herunter
transformierte Wechselspannung in eine Gleichspannung umgewandelt wird. Von dem
abgebildeten Netztransformator sind folgende Daten bekannt:
Primärspannung: 230V~;
Sekundärspannung 24V~ ; Ausgangsleistung: 50 W; Primärwicklungszahl: 500
o Berechne die notwendige Zahl der Sekundärwindungen des Trafos.
o Wie groß ist der Sekundärstrom des Trafos?
o Welcher Strom muss daher auf der Primärseite des Trafos fließen?
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Herr Schlaumeier bekam von einem Bekannten einen "Widerstand" geschenkt. In
Wirklichkeit war es ein Trafo mit der Windungszahl N1 = 600 Windungen auf der
Primärseite und der Windungszahl N2 = 1200 Windungen auf der Sekundärseite, sowie
einem Widerstand von RS = 40 Ω auf der Sekundärseite.
a) Welche Stromstärken mißt Herr Schlaumeier an seinem "Widerstand", wenn er
diesen mit den Buchsen A und B von 2V, 4V, 6V bzw 8V an eine Wechselspannung
anlegt? Welchen Widerstandsbetrag vermutet er im Kasten?
b) Die Spulen sind jeweils mit einem Kupferdraht mit 1,0 Ω Widerstand gewickelt. Kann
Herr Schlaumeier seinen "Widerstand" als Vorschaltwiderstand für ein 3V/300mA Lämpchen verwenden, das er mit 6V Gleichspannung betreiben will?
c) Stelle eine allgemeine Regel auf, wie durch einen Transformator
Wechselstromwiderstände "übersetzt" werden.
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Zum elektrischen Schweißen (vgl. Elektroschweißen) werde eine Stromstärke von 100A
benötigt.
- -a Warum kann man mit der Schweißanordnung (Werkstück; Schweißelektrode)
) nicht direkt an die Steckdose unseres Haushaltsnetzes gehen?
- -b Auf der Sekundärseite eines Schweißtransformators soll die Spannung 23V
) betragen. Das Haushaltsnetz sei mit 16A abgesichert. Ist es unter den
genannten Bedingungen möglich aus dem Transformator 100A zu entnehmen,
wenn der Wirkungsgrad des Transformators 90% beträgt?
An einen Transformator dessen Primärwicklungszahl 1200 und dessen
Sekundärwicklungszahl 300 ist, wird auf der Primärseite eine Wechselspannung mit dem
Effektivwert 230V angeschlossen. Der Wirkungsgrad des Transformators ist 80%.
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a)
- Welche Spannung tritt an der Sekundärseite des Trafos auf?
Mit dem Transformator soll ein Gerät G betrieben werden, auf dessen
Typenschild 30V~ und 3,0A~ steht. Da keine weiteren Spulen zur Verfügung
stehen, soll auf der Sekundärseite ein Widerstand vor das Gerät G geschaltet
werden, damit an G dann die richtige Spannung liegt.
b)
- Wie groß muss der Wert des Vorwiderstandes gewählt werden?
c)
- Wie groß ist dann der Strom, der auf der Primärseite fließt.
d)
- Wie viel Prozent der primärseitig eingespeisten Energie wird vom Gerät
G dann aufgenommen?
Weitere Aufgaben S. 49/50 Nr. 7, 8(PC!), 9, 11, 12, 13, 15, 16(!), 17, 18, 20(?), 21(Versuch
zeigen!), 22, 23 (dauert lange!)
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