05_trafo_seibold3_indefinit

Der Transformator
Benötigte Materialien:
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Zwei Spulen mit 1200 Windungen (12 Ohm, max. 1A)
Gleichspannungsquelle (10V stabilisiert, geringste Restwelligkeit)
Ein Schalter
Ein Gleichspannungsmessgerät (30V, 3A)
Stelltrafo von Phywe (0-25V ~ )
Spannvorrichtung
U-förmiger, geblätterter Eisenkern
Joch für U-förmigen, geblätterten Eisenkern
Zwei etwa 10cm lange, geblätterte Eisenstücke
Zwei Drehspulmessgeräte (Anzeige 10V −, 3V ~, 10V ~, 50V ~)
Sieben Messleitungen (z.B. vier rote und drei blaue)
Versuchsvorbereitung:
Zur Vorbereitung werden die Wechselspannungsquelle und das Drehspulmessinstrument (rechts und
links platziert) jeweils mit zwei Leitungen verbunden, deren Enden Richtung Spannvorrichtung in der
Tischmitte gelegt, um dann mit den beiden Spulen verbunden werden zu können. Außerdem werden
die Spulen und die verschiedenen Eisenkerne bereit gelegt (allerdings so, dass die Schüler die
Eisenstücke nicht sofort sehen).
Versuchsdurchführung:
1. Lehrschritt (Thema: Wechselspannung): Wir verbinden eine Spule mit 1200 Windungen mit der
Spannungsquelle und eine weitere Spule mit 1200 Windungen mit dem Gleichspannungsmessgerät
(30V, 3A). Zwischen die Primärspule und die Spannungsquelle schalten wir einen Schalter in Reihe.
Für den Versuch verwenden wir 10V Gleichspannung, die wir aus Gründen der Übersichtlichkeit auf
einem parallel zur Spannungsquelle geschalteten Drehspulmessinstrument anzeigen (Anzeige 10V
Gleichspannung). Wir beobachten dann die in der Sekundärspule induzierte Spannung mit einer
Kamera und projizieren das Bild an die Wand. Die Sekundärspule soll sich in Verlängerung der
Längsachse der Primärspule dicht an derselben befinden. Dann schließen wir den Schalter und
beobachten einen kurzen Ausschlag am Messgerät der Sekundärspule, der sehr schnell wieder auf
Null abfällt. Dann öffnen wir den Schalter wieder und beobachten dabei wieder einen kurzen
Ausschlag. Es kommt also offensichtlich nur auf das Öffnen und Schließen des Schalters an. Nach der
Frage, wie man das Öffnen bzw. Schließen des Schalters automatisieren kann, um dauerhaft eine
Induktions-(wechsel-)spannung zu erhalten, kommt man auf den Betrieb der Primärspule mit
Wechselspannung. Um dies den Schülern auch zu zeigen, muss man den Aufbau leicht modifizieren,
indem man das Netzgerät gegen einen Stelltrafo von Phywe tauscht und diesen mit 10 Volt
Wechselspannung betreibt und außerdem den Schalter weglässt. Im Messgerät, das zur Anzeige der
angelegten Spannung da ist, wählen wir als maximalen Messbereich jetzt 30 Volt Wechselspannung.
Die induzierte Spannung messen wir mit einem Drehspulmessgerät und der Skala 3 Volt
Wechselspannung.
2. Lehrschritt (Thema: Lagebeziehung): Wir verwenden ab jetzt den Stelltrafo von Phywe als
Spannungsquelle. Der restliche Aufbau ist völlig identisch zum Aufbau am Ende von Teil 1. Allerdings
variieren wir die Spannung leicht und legen nun 12 Volt Wechselspannung an (nicht allzu lange,
damit die Spule nicht heiß wird und kaputt geht; 12 Volt deshalb, damit man den Effekt besser
erkennt). Die dabei maximal registrierte Induktionsspannung beträgt ungefähr 0,9 Volt. Das
Experiment verläuft nun folgendermaßen: Man bewegt die Sekundärspule langsam (auch die
Relativgeschwindigkeit der beiden Spulen spielt bei der Induktion eine Rolle) in verschiedenen
Orientierungen im näheren Bereich (ca. 10-15cm) der Primärspule und beobachtet das Verhalten der
Induktionsspannung am Drehspulmessgerät. Dabei spielt offensichtlich der Abstand der beiden
Spulen eine Rolle (je näher, desto mehr Induktionsspannung), außerdem die relative Lage (die meiste
Induktionsspannung erhält man, wenn sich beide Spulen in Längsachsenrichtung vollständig
berühren), sowie die relative Orientierung der beiden. Für letztere Beobachtung stellt man die
beiden Spulen in Längsachsenrichtung nah (ca.3-4cm) zusammen und dreht dann die Sekundärspule
von der Primärspule langsam weg. Dabei beobachtet man das stetige Fallen der Induktionsspannung,
die bis auf Null sinkt bei orthogonaler Stellung der beiden Spulenachsen. Unbedingt zeigen sollte
man in diesem Versuchsteil zwei besondere Stellungen, nämlich die, in der die Spulen sich in
Längsachsenrichtung vollständig berühren (maximale Induktionsspannung), sowie die Stellung in der
sich die beiden Spulen vollständig berühren und ihre Längsachsen parallel versetzt sind (mittelguter
Wert der Induktionsspannung). Da die Induktionsspannung sich nur sehr leicht verändert, zeigen wir
die Anzeige des Drehspulmessgerätes mit Hilfe einer Kamera an der Wand.
3. Lehrschritt (Thema: Eisenkern): Der Versuchsaufbau ist völlig analog dem aus Teil 2 mit zwei
kleinen Modifikationen: Einerseits verwenden wir jetzt 10 Volt Wechselspannung und andererseits
verwenden wir im Drehspulmessgerät an der Sekundärspule die 10 Volt Wechselspannungsskala.
Außerdem stehen die Spulen nun immer in ihrer „Maximalorientierung“ (also die eine Spule steht in
der Verlängerung der Längsachse der anderen) im Abstand von ungefähr 3-5cm. Außerdem sollte
man die unlackierten Flächen der Eisenstücke vorher mit einem feinen Schmirgelpapier abschmirgeln
und, z.B. mit einem Stück Zewa, nachpolieren. Nun geben wir in beide Spulen zur Verstärkung des
Magnetfeldes ein kurzes, geblättertes Eisenstück und erkennen sofort eine deutlich größere
Induktionsspannung im Vergleich zu Teil 2. Dabei stellen wir die geblätterten Eisenteile als
„Spezialmaterial“ vor, das nach Einbringen in die Spulen die Induktionsspannung besonders gut
vergrößert (dabei kann/sollte man den Schülern ein solches Eisenstück durchgeben, damit sie
feststellen können, dass es aus vielen einzelnen Blechen besteht und diese den großen Effekt
auslösen (im Vergleich zum Vollkern; allerdings sollte dies nur eine Randnotiz sein, auf deren Ursache
noch nicht näher eingegangen wird). Dann bewegt man ein Eisenstück (besser das in der
Sekundärspule) langsam in Richtung des anderen und stellt fest, dass sich die Induktionsspannung
vergrößert (dabei sollte man kurz auf den Feldlinienverlauf des Elektromagneten, der ähnlich ist, wie
der eines Stabmagneten, eingehen). Bei Berührung wird sie dann besonders groß und nach dem
Trennen der beiden Eisenstücke sinkt sie wieder. Da die Spulen relativ nah beieinander stehen, kann
man die Situation auch wieder mit der Kamera filmen und an die Wand projizieren. Danach stellt sich
noch die Frage, ob denn ein geschlossenes Eisenstück auch noch eine Verbesserung der
Induktionsspannung bewirkt. Dazu gibt man die beiden Spulen auf den U-förmigen, geblätterten
Eisenkern und schließt diesen mit einem, durch eine Spannvorrichtung, darauf gespannten
geblätterten Eisenjoch. Dabei beobachten wir, dass in diesem Aufbau die maximale
Induktionsspannung registriert wird (ca. 9V).
Lernvoraussetzungen:
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Die Schüler kennen das Prinzip der Induktion, d.h. dass ein sich änderndes Magnetfeld in
einer Spule eine Spannung induziert.
Die Schüler kennen das Prinzip, dass ein stromdurchflossener Leiter ein Magnetfeld
erzeugt, und kennen Elektromagneten.
Die Schüler kennen den Begriff der Wechselspannung bzw. Wechselstrom.
Die Schüler wissen, dass eine Wechselspannung durch eine Spule ein sich änderndes
magnetisches Feld erzeugt.
Die Schüler wissen, dass ein Eisenkern ferromagnetisch ist und durch ein äußeres
magnetisches Feld selbst zum Magneten wird.
Die Schüler kennen den Feldlinienverlauf eines Stabmagneten.
Die Schüler wissen, dass der Magnetfeldlinienverlauf eines Elektromagneten dem
Feldlinienverlauf eines Stabmagneten ähnelt und dass ein Elektromagnet vereinfacht als
Stabmagnet betrachtet werden kann.
Die Schüler wissen, dass ein Ferromagnet ein umso größeres Magnetfeld besitzt, je
größer er ist, d.h. je mehr ferromagnetisches Material vorhanden ist.
Die Schüler können Werte von einem Drehspulmessgerät bzw. einem stabilisierten
Gleichspannungsmessgerät richtig ablesen.
Lernziele:
Grobziel:
Die Schüler sollen den Aufbau eines 1-Phasen-Transformators aus der Verknüpfung verschiedener
experimenteller Erkenntnisse nachvollziehen können und ihn als effektivste technische Anordnung
zum Erhalt der größtmöglichen Induktionsspannung bei vertretbarem Aufwand erkennen.
Feinziele:
Die Schüler sollen
1. den Versuchsaufbau hinsichtlich seiner einzelnen Bauteile analysieren und beschreiben
können.
2. die Begriffe Primärspule und Sekundärspule kennenlernen.
3. erkennen, dass man nur durch Änderung des Magnetfeldes eine Induktionsspannung
beobachtet und damit also das Induktionsprinzip wiederholen.
4. erkennen, dass man die automatische Änderung des Magnetfeldes durch Anlegen einer
Wechselspannung an die Primärspule erhält.
5. einsehen, dass die relative Lage und Orientierung der beiden Spulen die
Induktionsspannung beeinflussen.
6. erkennen, dass die maximale Induktionsspannung dann beobachtet wird, wenn die
Sekundärspule in Längsachsenrichtung direkt an die Primärspule anschließt.
7. beobachten, dass die Induktionsspannung durch Einbringen eines ferromagnetischen
Materials größer wird.
8. erkennen, dass bei Annäherung bzw. Berührung
der beiden Eisenstücke die
Induktionsspannung größer bzw. maximal wird.
9. Erkennen, dass die Anordnung der beiden Spulen auf einem geschlossenen Eisenkern die
größte Induktionsspannung liefert.
Lehrplaneinordnung (hierarchisch geordnet):
10. G8, Jahrgangsstufe 9, Physik, Elektrik, Induktion, Generator und Transformator
Möglichkeit des Gruppenunterrichts:
In der Regel ist die Möglichkeit den Transformator den Schülern in Gruppen selbst erfahren zu lassen
aufgrund der mangelnden materiellen Ausstattung der Physiksammlungen wohl eher nicht gegeben.
Man kann ihn aber zur Wiederholung gut ins Stationen-lernen einbinden.
Falls genügend Spulen und Eisenstücke zur Verfügung stehen, könnten die Schüler auch selbst
experimentieren (bei zentral, durch den Lehrer gesteuerter Spannung) und als Messgerät ein
analoges Handmultimeter mit Drehspulmesswerk benutzen.
Experimentelle Alternativen:
Man könnte alternativ zum Drehspulmessgerät auch ein Oszilloskop verwenden und statt der Spulen
mit Windungszahl 1200 auch Spulen mit anderer Windungszahl verwenden, wobei die Windungszahl
allerdings in beiden Spulen gleich sein sollte.
Außerdem kann man je nach Verfügbarkeit und unter der Voraussetzung, dass die Schüler
Wirbelströme und die Lenz‘sche Regel schon kennen, auch Eisenvollstücke in die Spulen geben bzw.
die Spulen in einen geschlossenen Eisenvollring einbringen und dann die Abhängigkeit der Verluste
von der Gestalt des Materials diskutieren.
Aufpassen sollte man bei der von uns gewählten Versuchsanordnung, dass man auf das Verwenden
eines langen Eisenstücks anstelle der beiden kurzen verzichtet, da bei Verwendung desselbigen der
Maximalwert der so erreichbaren Induktionsspannung nicht bei symmetrischer Anordnung vorliegt,
was leicht zu Erklärungsschwierigkeiten führen kann (Überlagerung der verschiedenen Magnetfelder;
man muss dann den Feldlinienverlauf besprechen).
Unterrichtsverfahren:
Normalverfahren
Lehr- und Lernform:
Darbietend bzw. erarbeitend
Sozialform:
Frontalunterricht mit Demonstrationsexperiment
Einstiegssituation:
Zum Einstieg zeigen wir die zwei Spulen mit 1200 Windungen, wobei eine mit 10 Volt
Wechselspannung verbunden ist und die andere an ein Drehspulmessgerät mit 3 Volt
Wechselspannungsskala angeschlossen ist. Damit wird den Schülern qualitativ gezeigt, dass es
möglich ist ohne direkte Verbindung der beiden Spulen eine Spannung von der einen auf die andere
übertragen werden kann. Doch wie kann man die Induktionsspannung steigern bzw. maximieren?
Sicherung der Lernziele:
Arbeitsblatt (es geht auch ein Hefteintrag, allerdings besitzt ein Arbeitsblatt gestalterische und
zeitliche Vorteile; das Arbeitsblatt wird Schritt für Schritt abgearbeitet, d.h. erst werden die
Beobachtungen festgehalten und danach die Erklärungen geliefert; die kursiven Teile werden von
den Schülern während und nach dem Experiment eingefügt)
Der Transformator
Versuchsaufbau: (unvollständig, da wir nicht rechtzeitig genug nach geeigneten Bildern gesucht
haben bzw. nicht mehr genug Zeit hatten, selbst die nötigen Skizzen zu entwerfen)
Hier fehlt ein Bild der beiden Spulen mit zwischengeschaltetem Schalter, wobei die Beschriftung
„Primärspule“ und „Sekundärspule“ von den Schülern einzufügen wäre. Bei der unten
angedeuteten Art von Bilder, als Mischung aus Schaltbild und schemenhafter Skizze, sollte man
die Kenntnis von Schaltbildern bei den Lernvoraussetzungen hinzufügen.
Beobachtung:
1. Man beobachtet im Gleichspannungsbetrieb der Primärspule nur dann einen
Spannungsimpuls in der Sekundärspule , wenn der Schalter geschlossen bzw. geöffnet wird.
2. Um das ständige Schließen bzw. Öffnen des Schalters zu umgehen, automatisieren wir diese
Tätigkeit durch das Verwenden einer Wechselspannungsquelle an der Primärspule.
Erklärung:
Laut dem Induktionsgesetz kann man nur dann eine Induktionsspannung beobachten, wenn sich
das Magnetfeld, das die Sekundärspule durchsetzt ändert (z.B. durch An- und Abschalten des
Elektromagneten).
Versuchsaufbau: (unvollständig, da wir nicht rechtzeitig genug nach geeigneten Bildern gesucht
haben bzw. nicht mehr genug Zeit hatten, selbst die nötigen Skizzen zu entwerfen)
Hier sollten sechs kleine Bilder der verschiedenen Lagebeziehungen sein
Beobachtung:
Der Effekt soll die Stärke der beobachteten Induktionsspannung in Abhängigkeit von der
relativen Lage der beiden Spulen sein. Wähle hierzu für jede Stellung den passenden Effekt aus.
Mögliche Effekte: keiner – schwach– mittel – stark –wird schwächer– bleibt gleich -wird stärker
Stellung der Spulen
Effekt
Spulen weit auseinander
(Bild 1)
Spulen näher zusammen
(Bild 2)
Spulen längs nebeneinander
(Bild 3)
Spulen längs aneinander
(Bild 4)
Spulen werden langsam gegeneinander verdreht
(Bild 5)
Spulen senkrecht zueinander
(Bild 6)
schwach
wird stärker
mittel
stark
wird schwächer
keiner
Die maximale Induktionsspannung beobachten wir also in Bild 2.
Bei einer anliegenden Wechselspannung von 12 Volt beträgt die Maximalspannung in dieser
Anordnung 0,9 Volt.
Erklärung:
Das Magnetfeld ist in der Primärspule am stärksten und nimmt mit zunehmender Entfernung ab.
Je näher wir uns also mit der Sekundärspule an der Primärspule befinden, desto größer ist die
beobachtete Induktionsspannung.
Das Magnetfeld der Primärspule ähnelt dabei dem eines Stabmagneten und ist umso größer, je
näher man sich an der Spule befindet.
Damit die Induktionsspannung möglichst groß wird, muss die Sekundärspule genauso wie die
Primärspule orientiert sein, damit das Magnetfeld die ganze Sekundärspule durchdringen kann.
Stehen die Spulen nämlich senkrecht zueinander, gelangen die Feldlinien des Magnetfeldes der
Primärspule nicht ins Innere der Sekundärspule und es wir keine Spannung induziert.
Versuchsaufbau: (unvollständig, da wir nicht rechtzeitig genug nach geeigneten Bildern gesucht
haben bzw. nicht mehr genug Zeit hatten, selbst die nötigen Skizzen zu entwerfen)
Hier fehlen noch 2-3 kleine Bilder von den beiden Spulen mit Eisenkern, der Bewegung des einen
Kerns und der Berührung der beiden.
Beobachtung:
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Bringt man ferromagnetisches Material, z.B. Eisen, in die Spulen ein, so steigt die
Induktionsspannung deutlich an.
Schiebt man nun, bei fester Lage der Spulen, die Eisenstücke, die sich allerdings immer
noch in den Spulen befinden sollen, näher zusammen, so wird auch die induzierte
Spannung größer.
Bei Berührung der beiden Eisenstücke wird die Induktionsspannung am größten.
Ändert man nun den Versuchsaufbau leicht und integriert die beiden Spulen in einen
geschlossenen Eisenkern, so wird die Induktionsspannung maximal.
Erklärung:
Das ferromagnetische Material verstärkt das Magnetfeld der Primärspule bzw. verstärkt das
Magnetfeld durch die Sekundärspule. Dadurch wird auch die Magnetfeldänderung größer, die
wiederum eine größere Induktionsspannung bewirkt. Da das Magnetfeld im Inneren eines
Magneten am größten ist, steigt bei Berührung der beiden Ferromagneten natürlich auch die
induzierte Spannung. Im geschlossenen Eisenkern hat das Magnetfeld kaum Verluste, weshalb
diese Anordnung auch die meiste Induktionsspannung liefert.