Elektrizität
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Elektrizität 2 Inhalt Wo ist bei einem Fahrrad die zweite Leitung? ........................................................................................ 3 Modell eines Bimetallschalters ................................................................................................................ 4 Spannung erzeugen durch Lichtenergie ................................................................................................. 5 Erzeugen von Spannung durch Wärmeenergie (Thermospannung) ...................................................... 6 Das Akkumodell....................................................................................................................................... 7 Ein motivierendes Experiment zur Einführung der elektromagnetischen Induktion ............................... 8 Modell des Fahrraddynamos................................................................................................................... 9 „Seilhüpfen“ im Magnetfeld der Erde..................................................................................................... 10 Widerstand von Metalldrähten............................................................................................................... 11 Abhängigkeit des Widerstands eines Metalldrahts von der Temperatur .............................................. 13 Ein lichtempfindlicher Widerstand ......................................................................................................... 14 Ein temperaturabhängiger Widerstand ................................................................................................. 15 Oersted-Versuch mit einem magnetisierten Laubsägeblatt .................................................................. 16 Magnetpole einer stromdurchflossenen Spule...................................................................................... 17 Abhängigkeit der elektromagnetischen Kraftwirkung von der Windungszahl der Spule ...................... 18 Modell eines Gleichstrommotors mit Trommelanker............................................................................. 19 Der Fahrraddynamo als Motor .............................................................................................................. 20 Ein Gedankenexperiment zur Wechselwirkung zwischen Motor und Generator.................................. 21 Eine „magnetische Pumpe“ ................................................................................................................... 22 Messen der Spannung an den Kontakten einer Halogenleuchte ......................................................... 23 Die „Thomsonkanone“........................................................................................................................... 24 Erwärmung eines geblätterten und eines massiven Eisenkerns durch Induktion ................................ 25 Modell der Schmelzsicherung ............................................................................................................... 26 Modell eines Leitungsschutzschalters................................................................................................... 27 Identifizierung der Kontakte einer Steckdose........................................................................................ 28 Ein einfacher Stromkreis unter Einbeziehung der Schutzleiter............................................................. 29 Modellversuch zur Funktion des FI-Schalters ....................................................................................... 30 Ionenleitung (Ionenbindung) in einem „salzgetränkten“ Wollfaden....................................................... 32 Ionenleitung in einer Salzschmelze....................................................................................................... 33 Ionenleitung in zähflüssigem Glas......................................................................................................... 34 Steigerung der Leitfähigkeit von destilliertem Wasser .......................................................................... 35 Leitfähigkeitsvergleich Eis – Wasser..................................................................................................... 36 Die Leitfähigkeit der Erde ...................................................................................................................... 37 Die Erde als Telefonleitung ................................................................................................................... 38 Die Leitfähigkeit des menschlichen Körpers ......................................................................................... 39 Elektrolyse eines „Kochsalzteigs“ ......................................................................................................... 40 Der qualmende Bleistift ......................................................................................................................... 41 Polung einer stromdurchflossenen Spule ............................................................................................. 42 Verstärkung der magnetischen Wirkung einer stromdurchflossenen Spule durch einen Eisenkern.... 43 Gleichstromwiderstand und Wechselstromwiderstand einer Spule...................................................... 44 Warum verwendet man bei Transformatoren geblätterte Eisenkerne? ................................................ 45 Stromstärkebegrenzung beim Fahrraddynamo .................................................................................... 46 Bremsen eines fallenden Magneten durch Induktion............................................................................ 47 Unterschiedliches Aufleuchten zweier Lämpchen durch Selbstinduktion............................................. 48 Störung der Taktfrequenz einer batteriebetriebenen Uhr ..................................................................... 49 Wirbelstrombremse ............................................................................................................................... 50 3 Wo ist bei einem Fahrrad die zweite Leitung? Material: Fahrrad mit Dynamo, Krokoklemmen, Lämpchen in Fassung Beschreibung: a) Das Fahrrad mit Dynamo wird im Physiksaal so aufgestellt, dass man das Rad, das den Dynamo antreibt, drehen kann. b) Die Schülerinnen und Schüler wissen, dass ein Lämpchen nur leuchtet, wenn es mit zwei Leitungen mit der Stromquelle (dem Dynamo) verbunden ist. Es ist jedoch nur ein Draht vom Dynamo zum Lämpchen sichtbar. Wo ist die zweite Leitung? c) Nun verbindet man ein Lämpchen in Fassung mithilfe einer Krokoklemme mit dem Dynamo und versetzt ihn in Bewegung. Ergebnis: Das Lämpchen bleibt dunkel. d) Den Schülerinnen und Schülern wird die Aufgabe gestellt, das Lämpchen zum Leuchten zu bringen. Ergebnis: Das Lämpchen leuchtet, wenn man den zweiten Anschluss mit einem Metallteil des Fahrrads verbindet. 4 Modell eines Bimetallschalters Krokoklemmen Kontaktstift Stativmaterial Brenner Material: Gleichstromquelle, Bimetallstreifen, Lämpchen in Fassung, Brenner, Leitungen, Krokoklemmen, Stativ und Stativmaterial Beschreibung: Der Bimetallstreifen wird in Serie mit dem Lämpchen geschaltet, mit der Stromquelle verbunden und mit dem Gasbrenner erwärmt. Beobachtung: Bei Erwärmung biegt sich der Streifen und der Stromkreis wird unterbrochen (oder geschlossen). Erklärung: Der Bimetallstreifen besteht aus 2 verschiedenen Metallen, die sich bei Erwärmung unterschiedlich stark ausdehnen. 5 Spannung erzeugen durch Lichtenergie Material: LED, Voltmeter, Leitungen, allenfalls Taschenlampe LED Beschreibung: Die LED wird mit dem Voltmeter verbunden und in Licht Richtung Fenster gehalten (bzw. mit einer Lichtquelle beleuchtet). Das Voltmeter zeigt einige Millivolt Spannung an. Sobald die LED mit der Hand abgedunkelt wird, sinkt auch die Spannung. V Erklärung: An der Grenzfläche zwischen den beiden Schichten (n und p) der LED werden durch Lichtenergie Ladungen getrennt (= Spannung erzeugt). 6 Erzeugen von Spannung durch Wärmeenergie (Thermospannung) Material: Kupferdraht, Eisendraht, Brenner, Voltmeter, Krokoklemmen, Leitungen Kupferdraht V Krokoklemmen Eisendraht Brenner Beschreibung: Die beiden Drähte werden an einem Ende verdrillt und die freien Enden mit dem Voltmeter verbunden. Das verdrillte Ende wird mit der Brennerflamme erhitzt. Beobachtung: Das Voltmeter zeigt einige Millivolt Spannung. Erklärung: Ladungstrennung (= Spannung erzeugen) durch Wärmeenergie 7 Das Akkumodell Laden Elektrodenhalter Pb-Elektrode verd. H2SO4 Beschreibung: a) Aus den angegebenen Materialien wird eine Akkuzelle gebaut, die einige Minuten mit der Stromquelle verbunden wird. Nach dem Aufladen werden die beiden Elektroden aus dem Elektrolyt genommen. Eine Platte hat sich mit einer dunkelbraunen Schicht überzogen. b) Die geladene Akkuzelle wird mit einer LED verbunden – Polung beachten! Die LED leuchtet. Entladen Elektrodenhalter galvanisches Element verd. H2SO4 Material: 2 kleine Stative, 2 Elektrodenhalter, 2 Bleiplatten, 2 Experimentierkabel, Spannungsquelle (z. B. Labortrafo), LED, verdünnte Schwefelsäure, Becherglas, Krokoklemmen Erklärung: In der Schwefelsäure überziehen sich die Bleiplatten mit Bleisulfat. Beim Aufladen entsteht am Pluspol Bleidioxid (dunkelbraun). Der Minuspol wird hellgrau; es entsteht wieder Blei. Beim Aufladen ist eine galvanische Zelle entstanden. Elektrische Energie wurde in chemische Energie umgewandelt. Beim Entladen laufen die Vorgänge in umgekehrter Richtung ab. Chemische Energie wird in elektrische Energie umgewandelt. Tipp: Wenn die Ausstattung für Schülerversuche unzureichend ist, können statt der von Lehrmittelfirmen angebotenen Bleielektroden auch „Bleiplatten“, die man sich aus einem alten Abwasserrohr (Sondermüll beim Installateur!) herstellt, verwendet werden. Statt der Bechergläser benützt man abgeschnittene PET-Flaschen. 8 Ein motivierendes Experiment zur Einführung der elektromagnetischen Induktion Material: Spule (z. B. 12 000 Windungen) mit Eisenkern, „starker“ Stabmagnet, Voltmeter (dessen Zeiger in beide Richtungen ausschlagen kann), Leitungen Durchführung: Der Lehrer oder die Lehrerin gibt einem Schüler oder einer Schülerin vor Beginn der Unterrichtsstunde einen Stabmagnet und ersucht ihn oder sie, diesen in den Hosensack zu stecken. Wenn nun dieser Schüler oder diese Schülerin während der Unterrichtsstunde in geringer Entfernung an der Spule mit Eisenkern vorbeigeht, bewegt sich der Zeiger des Voltmeters (Messbereich: Millivolt) wie „durch Zauberkräfte“ (der Zeiger des Voltmeters wird zu Beginn des Experiments in Mittelstellung gebracht). Erklärung: Elektromagnetische Induktion 9 Modell des Fahrraddynamos Material: Spule (z. B. 600 Windungen) mit Eisenkern, Stabmagnet (drehbar gelagert), Voltmeter (dessen Zeiger nach beiden Richtungen ausschlagen kann), Leitungen V 600 Wdg. drehbar gelagerter Stabmagnet Durchführung: Der Zeiger des Voltmeters wird in Mittelstellung gebracht und der Versuch wie in der Abbildung aufgebaut. Man beobachtet den Zeigerausschlag des Messgeräts. Beobachtung: Der Zeiger schwingt hin und her. Wechselspannung wird erzeugt. Erklärung: Elektromagnetische Induktion Tipp: Vor der Durchführung des Experiments sollte den Schülerinnen und Schülern ein zerlegter Fahrraddynamo gezeigt werden und auf die Parallelen zwischen dem „realen“ Dynamo und dem Modell aufmerksam gemacht werden: Der Spule des Dynamos mit seiner „Krone“ aus Eisenblech entspricht im Modell die Spule mit Eisenkern, dem Rotor (Läufer) der drehbar gelagerte Stabmagnet. 10 „Seilhüpfen“ im Magnetfeld der Erde Material: 5-6 m langes Kabel, Voltmeter (dessen Zeiger in Mittelstellung gebracht werden kann) Beschreibung: Vor Durchführung des Versuchs wird der Zeiger des Messgeräts in Mittelstellung gebracht. Ein ca. 5-6 m langes Kabel wird mit einem Voltmeter verbunden (Messbereich: z. B. 1 mV). Am Experiment selbst sind mindestens 3 Personen beteiligt: Zwei Schüler oder Schülerinnen bewegen nun ein langes Teilstück des Kabels wie ein Sprungseil, während der dritte Schüler oder die dritte Schülerin über das schwingende Kabel hüpft. Ergebnis: Der Zeiger des Voltmeters bewegt sich im Rhythmus des Hüpfens. Erklärung: Elektromagnetische Induktion im Magnetfeld der Erde 11 Widerstand von Metalldrähten Polocalrohr Material: Konstantandrähte (Durchmesser: 0,1 mm und 0,3 mm), Kupferdraht (Durchmesser: 0,3 mm), 3 Polocalrohre, Telefonbuchsen (Innendurchmesser: 4 mm), Lämpchen, Amperemeter, regelbare Stromquelle Telefonbuchse Vorbereitungsarbeit: Zur Demonstration der Abhängigkeit des Widerstands von Länge, Querschnitt und Material lässt sich (z. B. fächerübergreifend mit dem Werkerziehungsunterricht) mithilfe von drei Polocalrohren ein praktisches Unterrichtsmittel selbst herstellen: Jedes der drei Polocalrohre wird mit 10 Windungen Draht umwickelt, • das erste mit Konstantandraht, Durchmesser: 0,1 mm (= Widerstandsrohr 1), • das zweite mit Konstantandraht, Durchmesser: 0,3 mm (= Widerstandsrohr 2), • das dritte mit Kupferdraht, Durchmesser: 0,3 mm (= Widerstandsrohr 3). Die Enden der Drähte werden mit Telefonbuchsen (Innendurchmesser 4 mm) verbunden. Die Drahtenden werden an die Telfonbuchsen gelötet oder einfach zwischen zwei Schraubenmuttern geklemmt. Krokoklemme Experiment a: Zunächst wird die Spannung so eingestellt, dass ein Lämpchen, das über ein Amperemeter mit der Stromquelle verbunden ist, hell leuchtet. Nun schaltet man zusätzlich das „Widerstandsrohr 1“ (Konstantandraht, Durchmesser: 0,1 mm) in Serienschaltung in den Stromkreis und berührt mit dem Stecker der Leitung eine Windung nach der anderen. A Beobachtung: Die Stromstärke und die Leuchtstärke des Lämpchens nehmen ab. Erklärung: größere Länge des Drahts Æ geringere Stromstärke Æ größerer Widerstand Experiment b: Im nächsten Versuch werden die Leitungen bei unveränderter Spannung nacheinander mit den Anschlüssen von „Widerstandsrohr 1“ und „Widerstandsrohr 2“ (Konstantandraht, Durchmesser: 0,3 mm) verbunden. Die Leuchtstärke des Lämpchens und die Stromstärken werden verglichen. Beobachtung: 12 Wenn das „Widerstandsrohr“ mit dem dünneren Draht im Stromkreis ist, leuchtet das Lämpchen schwächer und die Stromstärke ist geringer. Erklärung: kleinere Querschnittsfläche Æ geringere Stromstärke Æ größerer Widerstand. Experiment c: Abschließend wird (bei unveränderter Spannung) die Wirkung des „Widerstandsrohrs 2“ mit der des „Widerstandrohrs 3“ (Kupferdraht, Durchmesser: 0,3 mm) verglichen. Beobachtung: Im Stromkreis mit dem Kupferdraht leuchtet das Lämpchen heller und die Stromstärke ist höher. Erklärung: Materialabhängigkeit 13 Abhängigkeit des Widerstands eines Metalldrahts von der Temperatur Material: Netzgerät, Eisendraht (Durchmesser: 0,3 mm, gewendelt), Isolierstützen, Amperemeter, Gasbrenner oder Kerze, Leitungen Durchführung: In einer Serienschaltung aus einem gewendelten Eisendraht und einem Amperemeter wird die Stromstärke auf z. B. 2 Ampere eingestellt. Dann wird der Draht mit dem Gasbrenner (oder der Kerze) vorsichtig erwärmt. Beobachtung: Beim Erwärmen des Drahts nimmt die Stromstärke ab. Wenn der Draht abkühlt, steigt die Stromstärke wieder. Erklärung: Durch die Erwärmung des Drahts geraten seine Teilchen in heftigere Schwingungen und „behindern“ zunehmend die Bewegung der Elektronen, d. h. der Widerstand des Drahts nimmt zu. 14 Ein lichtempfindlicher Widerstand LDR LED A Material: Gleichstromquelle (ca. 4,5 V), lichtabhängiger Widerstand (LDR), Leuchtdiode (LED), Amperemeter, Taschenlampe, Leitungen, Krokoklemmen Beschreibung: Ein lichtabhängiger Widerstand und ein Amperemeter werden in Serie mit einer Leuchtdiode geschaltet und mit der Stromquelle verbunden. Der LDR wird abwechselnd beleuchtet und abgedunkelt. Beobachtung: Bei Beleuchtung des LDR mit der Taschenlampe leuchtet auch die LED und die Stromstärke ist „hoch“. Bei Abdunklung nehmen die Leuchtstärke der LED und die Stromstärke ab. Erklärung: Der beleuchtete LDR hat einen geringeren Widerstandswert (Æ größere Stromstärke) als der abgedunkelte (Æ geringere Stromstärke). 15 Ein temperaturabhängiger Widerstand NTC LED Material: Gleichstromquelle (ca. 4,5 V), temperaturabhängiger Widerstand (NTC), Leuchtdiode (LED), Amperemeter, Taschenlampe, Leitungen, Krokoklemmen Beschreibung: Ein NTC und ein Amperemeter werden in Serie mit einer Leuchtdiode geschaltet und mit der Stromquelle verbunden. Der NTC wird nacheinander in destilliertes Wasser mit ca. 20 °C und ca. 60 °C getaucht. A Beobachtung: Wenn man den NTC in heißes Wasser taucht, leuchtet die Leuchtdiode heller und die Stromstärke nimmt zu. Erklärung: Der Widerstandswert des NTC nimmt bei Erwärmung ab. 16 Oersted-Versuch mit einem magnetisierten Laubsägeblatt Material: Glasschale oder Kunststoffschale, Permanentmagnet, Laubsägeblatt, Leitung (2 m), Batterie (4,5 V), Krokoklemmen Vorbemerkung: Der folgende Versuch ist für Schulen konzipiert, deren Physiksammlung eine unzureichende Anzahl von Magnetnadeln zur Durchführung des bekannten OerstedVersuchs in Gruppenarbeit aufweist. Laubsägeblatt Leitung Gleichspannung Beschreibung: Die Glasschale (Kunststoffschale) wird mit Wasser gefüllt. Auf die Wasseroberfläche wird ein magnetisiertes Laubsägeblatt so aufgesetzt, dass es schwimmt. Nun wartet man, bis sich das Laubsägeblatt in Nord-Südrichtung eingestellt hat und hält anschließend einen Teil der mit der Batterie verbundenen Leitung parallel zum Laubsägeblatt. Beobachtung: Das magnetisierte Laubsägeblatt wird aus seiner Richtung abgelenkt (im Idealfall rechtwinkelig). Erklärung: Der stromdurchflossene Leiter ist von einem Magnetfeld (konzentrische Kreise) umgeben. Tipp: Die Leitung soll nur kurzzeitig mit der Batterie verbunden werden. 17 Magnetpole einer stromdurchflossenen Spule Material: Spule (z. B. 1 200 Windungen), Netzgerät, Glasschale (Kunststoffschale), Permanentmagnet, Laubsägeblatt, Leitungen Vorbemerkung: Der folgende Versuch ist für Schulen konzipiert, deren Physiksammlung eine unzureichende Anzahl von Magnetnadeln zur Bestimmung der Magnetpole einer Spule in Gruppenarbeit aufweist. magnet. Laubsägeblatt Spule Beschreibung: Ein magnetisiertes Laubsägeblatt wird auf die Wasseroberfläche einer wassergefüllten Glasschale (Kunststoffschale) aufgesetzt, so dass es schwimmt. Nun nähert man von außen die stromdurchflossene Spule, einmal mit dem einen, dann mit dem anderen „Ende“. Glasschale (Kunststoffschale) Beobachtung: Es bewegt sich einmal das eine Ende des magnetisierten Laubsägeblatts auf die Spule zu, dann das andere. Erklärung: Das Magnetfeld einer Spule kann mit dem eines Stabmagneten verglichen werden. Tipp: Auch die „Verstärkung“ des Magnetfelds einer Spule durch einen Eisenkern kann mit den angegebenen Materialien gezeigt werden: Die Entfernung zwischen der stromdurchflossenen Spule und dem Laubsägeblatt wird so gewählt, dass sich das Laubsägeblatt noch nicht auf die Spule zubewegt. Dann wird der Eisenkern in die Spule geschoben, was zur Folge hat, dass das Laubsägeblatt auf den Eisenkern „hüpft“. 18 Abhängigkeit der elektromagnetischen Kraftwirkung von der Windungszahl der Spule regelbare Gleichstromquelle 1200 800 Material: 2 gleiche Modellbahnwagons (sie müssen Metallteile enthalten), gerader Schienenstrang (Länge: z. B. 100 cm), 2 Spulen mit unterschiedlicher Windungszahl (z. B. 1 200 und 800 Windungen), 2 Eisenkerne, Lineal, regelbare Stromquelle Durchführung: Die beiden Wagons stehen auf dem geraden Schienenstrang in gleicher Entfernung von den beiden unterschiedlichen Spulen (mit Eisenkern), die mit der Stromquelle in Serienschaltung verbunden sind. Die Stromstärke wird langsam erhöht. gerader Schienenstrang Beobachtung: Der Wagon, der bei dem Elektromagneten mit der größeren Windungszahl steht, setzt sich als erster in Bewegung. Erklärung: Durch beide Spulen fließt wegen der Serienschaltung die gleiche Stromstärke. Bei gleicher Stromstärke hat die Spule mit der höheren Windungszahl (= größeren Länge des Leiters) das stärkere Magnetfeld. 19 Modell eines Gleichstrommotors mit Trommelanker Stativmaterial Nagel Trommelanker Ringmagnet ca. 12 V Material: Trommelanker (z. B. aus einem Handmixer), Netzgerät, Leitungen (rot und schwarz, 100 cm), „starke“ Permanentmagnete, „Lager“ (z. B. 2 Nägel), Isolierklemmen, Stromzuführungen (z. B. 2 Stricknadeln aus Metall), Stativmaterial (Tischklemmen, Stativstangen, Muffen) Aufbau: Siehe Abbildung! Stricknadeln Isolierstützen Beschreibung: Der Trommelanker setzt sich in Bewegung, wenn man ihm bei einer Spannung von etwa 12 V die ungleichnamigen Pole der beiden Permanentmagnete nähert. Die Drehrichtung des Ankers kann geändert werden: • durch Vertauschen der Pole der Permanentmagnete, • durch Umkehr der Stromrichtung. Hinweise: • Die Lagerung des Trommelankers mittels der Nägel ist so vorzunehmen, dass der Anker „leichtgängig läuft“. • Die Spannung muss am Netzgerät so eingestellt werden, dass die Ankerwicklungen auch nach längerem Betrieb nicht zu heiß werden (ausprobieren!). 20 Der Fahrraddynamo als Motor Material: Fahrraddynamo, regelbare Wechselstromquelle Reibrad Masseanschluss Beschreibung: Der Spulenanschluss und die Masse eines Fahrraddynamos werden mit ca. 6 V~ verbunden. Beobachtung: Nach dem Anwerfen am Reibrad läuft der Fahrraddynamo als Motor. Die Drehfrequenz ist (weitgehend) unabhängig von Änderungen der Spannung. Spulenanschluss 6 V~ Erklärung: Die Drehfrequenz ist durch die Frequenz des Wechselstroms bestimmt. 21 Ein Gedankenexperiment zur Wechselwirkung zwischen Motor und Generator Bild 1: Wenn das Massestück m1 zu Boden sinkt, wirkt die Maschine 1 als Generator. Die erzeugte elektrische Energie betreibt die Maschine 2, einen Elektromotor: Er verrichtet Hubarbeit am Massestück m2. Bild 1 Masch. 1 Masch. 12 Masch. m1 Bild 2 m2 Bild 2: Sobald m1 den Boden erreicht hat, laufen die Vorgänge in der umgekehrten Richtung ab: Das sinkende Massestück m2 betreibt die Maschine 2 als Generator. Die erzeugte elektrische Energie betreibt die Maschine 1 als Elektromotor, der das Massestück m1 hebt. Masch. Masch. 1 1 Masch. 2 m2 m1 Läuft dieses Wechselspiel „ewig“? Erklärung: Die Versuchsvorrichtung ist selbstverständlich kein „perpetuum mobile“. Bei den Energieumwandlungsvorgängen wird laufend nicht nutzbare Wärme an die Umgebung abgegeben, sodass das Wechselspiel sehr bald zu Ende ist (bzw. im realen Experiment nicht stattfindet). 22 Eine „magnetische Pumpe“ 10 V- Plattenelektroden Material: große Kristallisierschale, 2 Plattenelektroden (z. B. aus Kupfer oder Blei), dünner Litzendraht, Ringmagnet, Kochsalz, regelbares Netzgerät, OH-Projektor, Bärlappsporen (oder Pfeffer), Stativ und Stativmaterial Durchführung: Zunächst wird die Kristallisierschale auf einen Ringmagnet Ringmagnet gestellt. In die Kristallisierschale OH-Projektor legt man – parallel zueinander – die beiden Plattenelektroden, deren Enden mit abisoliertem Litzendraht umwickelt worden sind. Nachdem man diese Anordnung wenige Millimeter hoch mit Kochsalzlösung überschichtet hat, streut man etwas Bärlappsporen oder gemahlenen Pfeffer auf die Oberfläche der Flüssigkeit und verbindet die Plattenelektroden mit der Gleichstromquelle. Bei der Durchführung als Demonstrationsexperiment kann diese Versuchsanordnung auch mit dem OH-Projektor projiziert werden. Ergebnis: Die Kochsalzlösung wird in Bewegung versetzt. Erklärung: Lorentzkraft Tipp: Vor diesem Versuch sollte der übliche „Leiterschaukelversuch“ durchgeführt und die Kraftwirkung des Magnetfelds auf einen stromdurchflossenen Leiter geklärt werden. Anwendungsbeispiele: • Elektromagnetische Pumpen werden z. B. in Kernreaktoren eingesetzt, die mit flüssigem Natrium gekühlt werden. – Vorteil: Die Bewegung der Flüssigkeit wird von außen her bewirkt. Es kann (außer an Schweißnähten) keine undichten Stellen geben. • Es gibt auch Pläne, Schiffe nach diesem Prinzip zu betreiben. Dabei wird die Schiffschraube durch ein dickes Rohr ersetzt, in das vorne Wasser eintritt. Das Wasser wird dann durch die elektromagnetische Pumpe beschleunigt und verlässt das Triebwerk hinten wieder als kräftiger Strahl. – Bedingungen für einen solchen Antrieb: Das Wasser muss den elektrischen Strom ausreichend gut leiten und starke magnetische Felder sind erforderlich (Supraleiter!). 23 Messen der Spannung an den Kontakten einer Halogenleuchte Material: Halogenleuchte (12 V), Voltmeter, Leitungen Durchführung: Als einführendes Experiment zum Thema „Transformator“ wird die Spannung zunächst an den Anschlüssen der Steckdose gemessen, dann an den Kontakten, in die die Halogenlampe gesteckt wird. Ergebnis: 230 V Wechselspannung werden durch eine „Vorrichtung“ (= Transformator) im Sockel der Halogenleuchte auf 12 V Wechselspannung herabgesetzt. 24 Die „Thomsonkanone“ „Turm“ aus Weicheisenkernen 230 V~ Einen Kontakt nur kurzzeitig schließen 600 W geschlossener Aluring Material: Experimentiertrafo, Spule (z. B. 600 Windungen), ein geschlossener und ein offener Aluminiumring, Leitungen, Eisenkerne Beschreibung: Das Experiment wird wie in der Abbildung aufgebaut und der Kontakt wird kurzzeitig geschlossen. Ergebnis: Der geschlossene Alu-Ring wird in die Höhe geschleudert, der offene Ring nicht. Erklärung: Der Induktionsstrom im geschlossenen Alu-Ring hat ein Magnetfeld zur Folge. Die Lenz’sche Regel erklärt die Abstoßung. Im offenen Aluring fließt kein Induktionsstrom. Er ist daher auch von keinem Magnetfeld umgeben und bleibt liegen. Hinweis: • Weitere Experimente mit dem Experimentiertrafo sind im Kapitel „Energie – Energietransport, Energieumwandlung, Leistung“ beschrieben. • Ein Experiment, das das Verständnis der Verwendung von Hochspannungstransformatoren bei der Energieübertragung vorbereitet, ist ebenfalls im vorher genannten Abschnitt dargestellt. 25 Erwärmung eines geblätterten und eines massiven Eisenkerns durch Induktion Material: Spule (z. B. 600 Windungen), massiver Eisenkern, geblätterter Eisenkern, Leitungen 230 V~ 600 Wdg. massiver Eisenkern 230 V~ 600 Wdg. geblätterter Eisenkern Beschreibung: In die Spule wird zunächst ein Kern aus massivem Eisen gesteckt und die Spule wird mit einer Wechselstromquelle verbunden. Der Versuch wird mit einem geblätterten Eisenkern wiederholt. Ergebnis: Der Kern aus massivem Eisen hat sich nach wenigen Minuten spürbar erwärmt, beim geblätterten Eisenkern ist das nicht der Fall. Erklärung: Das sich ändernde Magnetfeld der Spule ruft auch im Eisenkern Induktionsströme hervor. Diese so genannten Wirbelströme sind im Kern aus massivem Eisen stärker als im geblätterten Eisenkern. Um die Wirbelstromverluste möglichst gering zu halten, werden für den Bau von Transformatoren geblätterte Eisenkerne verwendet. 26 Modell der Schmelzsicherung Konstantandraht Papiertaschentuch Material: „Verbraucher“ (z. B. Glühlampen 230 V / 100 W) in Parallelschaltung, Konstantandraht (Durchmesser: 0,1 mm), Isolierstützen, Leitungen, Papiertaschentuch Beschreibung: Ein längeres Stück Konstantandraht (z. B. 1 m) wird zwischen die Isolierstützen gespannt 230 V~ und über den Draht wird ein Papiertaschentuch gehängt. Dieses „Sicherungsmodell“ wird in einen Stromkreis mit locker geschraubten Glühlampen, die in Parallelschaltung verbunden sind, in Serie geschaltet. Während man nun eine Glühlampe nach der anderen einschraubt, beobachtet man das Taschentuch. Beobachtung: Das Papiertaschentuch beginnt zu rauchen, manchmal auch zu brennen. Erklärung: Je höher die Stromstärke ist, desto heißer wird der Draht. Tipp: Wenn man einen Kurzschluss herstellt, verdampft der Draht. Achtung! Schutzbrille empfehlenswert! Will man das Experiment im Schülerversuch durchführen, verwendet man statt der Glühlampen Halogenlampen (z. B. 12 V / 20 W) und ein kurzes Stück Konstantandraht. Die Anzahl der parallel geschalteten Halogenlampen hängt von der Leistung des verwendeten Netzgeräts ab. 27 Modell eines Leitungsschutzschalters Gewindestange Schraubmutter Schraubenfeder Schraubenfeder Scharniere Scharniere Holzleiste 2 kleine flache Eisenwinkel zu einem „Quadrat“ zusammengefügt Spule (600 Wdg.) mit Eisenkern kupferkaschierte Leiterplatten 12 V / 20 W 12 V Material: Holzleisten, 2 Scharniere, kupferkaschierte Leiterplatte, 2 Schraubenfedern, 2 kleine flache Eisenwinkel, Gewindestange, Schraubenmuttern, Spule mit Eisenkern, 2 Halogenlampen (12 V / 20 W) Durchführung: Den Aufbau des Modells zeigt die Abbildung. Durch Verstellen der Schraubenmuttern der Gewindestange wird der Druck der „senkrechten“ Holzleiste (auf ihr sind die beiden flachen kleinen Eisenwinkel montiert) auf den Schalter so eingestellt, dass der Schalter bei Inbetriebnahme einer Halogenlampe geschlossen bleibt, beim Einschalten der zweiten Halogenlampe den Stromkreis jedoch öffnet, weil die Eisenwinkel der „senkrechten“ Holzleiste vom Elektromagnet angezogen werden. Erklärung: Die höhere Stromstärke bewirkt eine größere magnetische Kraft. 28 Identifizierung der Kontakte einer Steckdose Material: Voltmeter (Messbereich: z. B. 300 V~) Beschreibung: Die Spannung a) zwischen den beiden Anschlüssen einer Steckdose, b) zwischen je einem Anschluss und dem Schutzkontakt, c) zwischen dem Außenleiter (Neutralleiter) und einem mit der Erde verbundenen Gegenstand (z. B. der Wasserleitung) wird gemessen. Ergebnisse: a) Die Spannung beträgt 230 V~. b) Die Spannung beträgt 230 V~ zwischen Außenleiter und Schutzleiter, 0V zwischen Neutralleiter und Schutzleiter. c) Die Spannung beträgt 230 V~. Erklärung: Neutralleiter und Schutzleiter sind geerdet, der Außenleiter nicht. Tipp: • Mit einem Spannungsprüfer (spezieller Schraubenzieher mit Glimmlämpchen) lassen sich gefahrlos Außenleiter und Neutralleiter identifizieren: Bei Berührung des Neutralleiters leuchtet das Glimmlämpchen nicht, bei Berührung des Außenleiters schwach. • Der Spannungsprüfer wird mit dem Außenleiter einer Tischsteckdose in Kontakt gebracht. Die Versuchsperson berührt nun gleichzeitig die Kontaktstelle des Spannungsprüfers und den Schutzkontakt der Steckdose oder einen mit der Erde verbundenen Gegenstand, z. B. die Wasserleitung. Ergebnis: Das Glimmlämpchen leuchtet sehr hell. An den Berührungsstellen kann ein leichtes Prickeln auftreten. 29 Ein einfacher Stromkreis unter Einbeziehung der Schutzleiter Stecker mit Schutzkontakten 4,5 V Krokoklemme Leitungshahn Material: Batterie (4,5 V), Lämpchen, Leitungen, Krokoklemmen, Tischsteckdose Beschreibung: Ein Anschluss der Batterie wird über ein Lämpchen mit der Wasserleitung verbunden, der andere Anschluss mit den Schutzkontakten der Steckdose. Ergebnis: Das Lämpchen leuchtet. Erklärung: Sowohl die Wasserleitung als auch die Schutzkontakte der Steckdose sind mit der Erde verbunden. Der Stromkreis ist geschlossen, weil die Erde den Strom leitet. ▼ Als Schülerversuch ist dieses Experiment nur dann geeignet, wenn die Spannungsversorgung zu den Steckdosen an den Arbeitsplätzen der Schüler und Schülerinnen vom Lehrer oder der Lehrerin zentral abgeschaltet werden kann. 30 Modellversuch zur Funktion des FI-Schalters a A V Primärspulen Sekundärspule Material: Regelbare Stromquelle, 2 Primärspulen (mit z. B. je 1 200 Windungen), eine Sekundärspule mit wenigen Windungen, Eisenkern, Voltmeter (dessen Zeiger in Mittelstellung gebracht werden kann), Schalter oder Taster), Lämpchen oder Widerstand (z. B. 100_?), Leitungen, Krokoklemmen Beschreibung zu a: Der Zeiger des Voltmeters wird in Mittelstellung gebracht und die Versuchsanordnung laut Abbildung aufgebaut. Die beiden Primärspulen sind derart in Serie geschaltet, dass sie in „gleicher Richtung“ von Strom durchflossen werden. Der Schalter (Taster) wird geschlossen und geöffnet. ~ Beobachtung zu a: Beim Öffnen und Schließen des Schalters wird ein Zeigerausschlag beobachtet. Erklärung zu a: Induktionsspannung an der Sekundärspule durch Aufbau und Zusammenbrechen des Magnetfelds b A V Primärspulen Sekundärspule ~ Beschreibung zu b: Die beiden Primärspulen werden nun derart in Serie geschaltet, dass sie in „entgegengesetzter Richtung“ von Strom durchflossen werden. Der Schalter (Taster) wird abermals geschlossen und geöffnet. Beobachtung zu b: Beim Schließen und Öffnen des Schalters wird kein (ein nur geringer) Zeigerausschlag beobachtet. Erklärung zu b: Die Magnetfelder der beiden Spulen heben einander auf. Keine Änderung des Magnetfelds Æ keine Induktionsspannung 31 Beschreibung zu c: Im Schaltungsaufbau nach Abbildung a) wird die Gleichspannung an den Primärspulen durch eine etwa gleich hohe Wechselspannung ersetzt. Schalter des Messgeräts auf „Wechselspannung“ stellen! c A V Primärspulen Sekundärspule Beobachtung zu c: Der Zeiger des Voltmeters schlägt aus. ~ Erklärung zu c: Analog zum Transformator. d A V Primärspulen Sekundärspule Beschreibung zu d: Im Schaltungsaufbau nach Abbildung b) wird die Gleichspannung durch Wechselspannung ersetzt. Beobachtung zu d: kein (geringer) Zeigerausschlag Erklärung zu d: Analog zu b) ~ Hinweis: Sollte bei diesem Experiment ein deutlicher Zeigerausschlag beobachtet werden, liegt dies an der Position des Eisenkerns in den beiden Primärspulen. In diesem Fall wird der Eisenkern verschoben, bis der Zeiger nicht mehr (kaum mehr) ausschlägt. e A V Primärspulen A B Sekundärspule Beschreibung zu e: Im Schaltungsaufbau nach Abbildung e) wird ein Teil des Stroms über ein Lämpchen (oder einen Widerstand) zur Stromquelle abgeleitet. Beobachtung zu e: Der Zeiger schlägt aus. Erklärung zu e: Durch die Primärspule B fließt jetzt weniger Strom als durch die Primärspule A. Die Ma~ gnetfelder der beiden Primärspulen heben einander wegen der unterschiedlichen Stromstärken nicht mehr auf Æ Induktionsspannung Æ Induktionsstrom. 32 Ionenleitung (Ionenbindung) in einem „salzgetränkten“ Wollfaden „kochsalzgetränkter“ Wollfaden Isolierstützen Material: 2 Isolierständer, Wollfaden (ca. 75 cm), Schale, Kochsalz, Glühlampe (z. B. 230 V / 100 W), Spritzflasche aus Kunststoff, Leitungen Beschreibung: In eine Schale wird Kochsalz geleert und gerade so viel Wasser zugesetzt, dass das Kochsalz die Konsistenz eines „Kuchenteigs“ annimmt. In diesen „Salzteig“ wird ein Wollfaden von ca. 75 cm Länge gelegt. Nach mehrmali230V~ gem Umrühren wird der Wollfaden entnommen und – mehrfach zusammengelegt – zwischen zwei Isolierständer gespannt. Die Isolierständer werden mit einer Glühlampe in Serie geschaltet und 230 V Spannung wird angelegt. Beobachtung: Die 100 W-Lampe leuchtet zunächst deutlich sichtbar. Nach einiger Zeit kann man beobachten, wie das Wasser aus dem „Salzteig“ verdampft und die Leuchtstärke der Lampe bis zum völligen Erlöschen abnimmt. Erklärung: Im feuchten Faden ist Ionenleitung möglich. Sobald das Wasser verdampft ist, sind die Ionen durch elektrische Anziehungskräfte aneinander gebunden und es stehen keine frei beweglichen Ladungsträger mehr zur Verfügung. Tipp: Nach dem Erlöschen der Lampe kann bei angelegter Spannung Wasser aus einer Spritzflasche aus Kunststoff auf den Wollfaden gespritzt werden: Die Glühlampe leuchtet wieder. 33 Ionenleitung in einer Salzschmelze Material: Kaliumnitrat, abgeschnittene Blechdose (z. B. von Katzenfutter), Dreifuß, 2 Elektroden (z. B. Stricknadeln), Glühlampe (z. B. 230 V / 100 W), Leitungen, Krokoklemmen, Elektrodenhalter oder Isolierklemmen, Stativ und Stativmaterial, Gasbrenner Elektrodenhalter Stricknadeln KNO3 in Blechdose Beschreibung: Eine Blechdose, in die (festes) Kaliumnitrat geleert wurde, wird auf einen Dreifuß gestellt. Zwei Stricknadeln werden in dem Kaliumnitrat mit einem Elektrodenhalter (oder mit Isolierklemmen) und mit Stativmaterial so fixiert, dass sie den Boden der Dose nicht berühren. Diese Anordnung wird in Serie mit einer Glühlampe geschaltet und mit der Steckdose verbunden. Das Kaliumnitrat in der Dose wird mithilfe des Gasbrenners geschmolzen. 230 V~ Beobachtung: Sobald das Kaliumnitrat zu schmelzen beginnt, leuchtet die Lampe. Nach dem Erstarren der Schmelze erlischt sie wieder. Erklärung: Im Kaliumnitrat sind die Ionen durch elektrische Anziehungskräfte aneinander gebunden. Es stehen (fast) keine frei beweglichen Ladungsträger zur Verfügung. Das Salz ist daher ein Isolator. In der Salzschmelze sind hingegen die Ionen frei beweglich. Sie ist ein Ionenleiter. 34 Ionenleitung in zähflüssigem Glas Elektrodenhalter Glasstab Material: Glühlampe (150 W oder mehr), Glasstab (Durchmesser: ca. 8 mm), Gasbrenner, Leitungen, Elektrodenhalter, Stativ und Stativmaterial, blanker Kupferdraht Cu-Draht, um den Glasstab gewickelt Beschreibung: Zwei „stärkere“ Kupferdrähte werden um den Glasstab gewickelt, wie es die Abbildung zeigt. Je ein Ende der Kupferdrähte wird in einem Elektrodenhalter (oder in zwei Isolier230V~ klemmen) befestigt. Die beiden anderen Enden dürfen einander nicht berühren. Sie sollen einen Abstand von ca. 1-2 cm voneinander haben. Erst nachdem der Versuch vollständig aufgebaut ist, wird der Stromkreis mit der Stromquelle verbunden und das Gas entzündet. Beobachtung: Solange das Glas „kalt“ ist, ist die Glühlampe dunkel. Sobald das Glas in der Brennerflamme zu schmelzen beginnt, leuchtet sie jedoch. Erklärung: Glas ist eine amorphe, zähe Flüssigkeit, die aus Ionen aufgebaut wird. Das „kalte“ Glas isoliert, weil sich die Ionen wegen der Zähigkeit bei angelegter Spannung praktisch nicht in Bewegung setzen können. Sobald das Glas jedoch schmilzt, nimmt diese Zähigkeit ab und das Glas wird zum Ionenleiter. Tipp: • Sobald Strom fließt, kann die Brennerflamme vorsichtig entfernt werden. Der Glasstab glüht wegen der „Stromwärme“ dennoch weiter. • Statt einer Lampe können auch mehrere parallel geschaltete Glühlampen verwendet werden. Wichtig ist, dass die Stromstärke durch den Glasstab ausreichend hoch ist, um sein Glühen aufrechtzuerhalten. 35 Steigerung der Leitfähigkeit von destilliertem Wasser CO2 Material: Kohleelektroden, Elektrodenhalter (oder 2 Isolierstützen), Leitungen, Stativ und Stativmaterial, Becherglas, destilliertes Wasser, Amperemeter, Netzgerät, Trinkhalm Elektrodenhalter C-Elektroden A Beschreibung: Die Stromstärke in destilliertem Wasser wird gemessen. Bei unveränderter Spannung wird Atemluft in das Wasser geblasen. dest. H2O 10 V- Beobachtung: Die Stromstärke steigt. Erklärung: CO2 und H2O reagieren zu H2CO3. Die H2CO3-Moleküle zerfallen im Wasser (zum Teil) in H3O+-Ionen (Hydronium-Ionen) und CO32–-Ionen (Carbonat-Ionen). Ionenleitung ist möglich. 36 Leitfähigkeitsvergleich Eis – Wasser Elektrodenhalter Stricknadeln A Eis Heizplatte Wasserbad Material: Netzgerät, Kunststoffbecher, Stück Styropor, Stricknadeln, Elektrodenhalter (oder Isolierstützen), Amperemeter, Leitungen, Becherglas, Heizplatte Beschreibung: a) Zwei Stricknadeln werden mithilfe eines etwas dickeren Stücks Styropor in einen Kunststoffbecher mit Leitungswasser gestellt. Die Anordnung kommt bis zum völligen Erstarren des Wassers in einen Tiefkühlschrank (eine Tiefkühltruhe). b) Die Anordnung aus a) wird in Serie mit einem Amperemeter geschaltet und mit der Stromquelle verbunden. Die Stromstärke im Eis wird gemessen. c) Das Eis wird im Wasserbad langsam aufgetaut und die Stromstärke laufend beobachtet. Beobachtung: Während das Eis auftaut, steigt die Stromstärke kontinuierlich an. Erklärung: Im Leitungswasser befinden sich immer gelöste Salze. Nach dem Anlegen der Spannung wird die Bewegung der Ionen dieser Salze im festen Eis durch „Eisbezirke“ wesentlich stärker behindert als im flüssigen Wasser. 37 Die Leitfähigkeit der Erde Elektrodenhalter Kohleelektroden trockene Erde Æ feuchte Erde Material: regelbare Stromquelle, Leuchtdiode, Kohleelektroden, Elektrodenhalter (oder Isolierstützen), Leitungen, Becherglas mit trockener Erde, Gießkanne (oder zweites Becherglas) Beschreibungen: a) Der Versuch wird mit trockener Erde im Becherglas aufgebaut, wie es die Abbildung zeigt. Die Leuchtdiode wird beobachtet. b) Die Erde wird mit Wasser aus einer Gießkanne oder einem zweiten Becherglas angefeuchtet, während man die Leuchtdiode beobachtet. Beobachtung: a) Die Leuchtdiode ist dunkel. b) Die Leuchtdiode beginnt zu leuchten. Erklärung: In der Erde sind Salze. Solange die Erde trocken ist, sind die Ionen dieser Salze durch elektrische Anziehungskräfte aneinander gebunden und stehen deswegen für eine Stromleitung nicht zur Verfügung. Sobald die Erde feucht ist, lösen sich die Ionenbindungen teilweise. Die positiven Ionen bewegen sich nun auf den negativen Pol der Stromquelle zu und umgekehrt. 38 Die Erde als Telefonleitung Material: Gleichstromquelle, Mikrophon und Hörkapsel (z. B. aus einem alten Telefon), 2 große Nägel, Krokoklemmen, Leitungen 9 VNägel Erde Beschreibung: Die beiden Nägel werden im Abstand von mehreren Metern (z. B. auf dem Sportplatz) in die Erde gesteckt. Dann wird mithilfe von Krokoklemmen der Stromkreis über Mikrophon und Hörkapsel aufgebaut, wie es die Abbildung zeigt. Ergebnis: Wenn ein Schüler oder eine Schülerin in das Mikrophon spricht, kann ihn der oder die andere deutlich hören. Erklärung: In jeder (feuchten) Erde sind gelöste Salze. Die Ionen dieser Salze leiten den elektrischen Strom. Hinweis: Sollte die Erde sehr trocken sein, wird die „Übertragungsstrecke“ vorher gegossen. 39 Die Leitfähigkeit des menschlichen Körpers Material: Netzgerät, Amperemeter, Leitungen Durchführung: Der Körper wird mit dem Amperemeter in Serie geschaltet und mit der Stromquelle (max. 24 V) verbunden. Die Stecker der beiden Leitungsschnüre werden einmal mit trockenen Fingern, dann mit feuchten Fingern angefasst. Der Zeigerausschlag des Amperemeters wird beobachtet. Beobachtung: Wenn man die Enden der Leitungen mit feuchten Fingern anfasst, ist der Zeigerausschlag weit höher als bei trockenen Fingern. Erklärung: Schweiß, Leitungswasser und „Körperflüssigkeit“ enthalten gelöste Salze, deren Ionen den elektrischen Strom leiten. Hinweis: Die Stromstärke durch eine länger werdende (kürzer werdende) „Menschenkette“ kann gemessen werden. Wegen der Erhöhung bzw. Verminderung des Gesamtwiderstands wird die Stromstärke größer bzw. kleiner. 40 Elektrolyse eines „Kochsalzteigs“ Material: Kochsalz (oder Streusalz), Becherglas (z. B. 250 ml), 2 Kohleelektroden, Spritzflasche (aus Kunststoff), Elektrodenhalter für zwei Elektroden, Glühlampe (z. B. 230 V / 100 W), Leitungen, Stativ und Stativmaterial Leitungen Doppelmuffe Elektrodenhalter Kohleelektroden Stativstab Becherglas mit „Kochsalzteig“ 230 V / 100 W 230 V Stativfuß Durchführung: Das Becherglas wird etwa halbvoll mit Kochsalz (Streusalz) gefüllt und mit Wasser aus der Spritzflasche angefeuchtet, sodass ein „Kochsalzteig“ entsteht. Den weiteren Aufbau des Experiments zeigt die Abbildung. Beobachtung: Nach dem Anlegen der Spannung sieht man zwischen den Elektroden das gelbe „Natriumlicht“. Chlorgeruch macht sich bemerkbar. Tipp: Wenn das gelbe Licht des Natriums nicht zu beobachten ist, kann das folgende Ursachen haben: • Der Elektrodenabstand ist zu groß, • Der „Kochsalzteig“ ist entweder zu feucht oder zu trocken. Sicherheitshinweis: Wegen des entstehenden giftigen Chlorgases dürfen die Elektroden nur kurzzeitig mit der Stromquelle verbunden bleiben. 41 Der qualmende Bleistift beidseitig angespitzter Bleistift A feuerfeste Unterlage Material: Regelbare Gleich- oder Wechselstromquelle, Amperemeter, 2 Isolierstützen, beidseitig angespitzter Bleistift (unlackiert) der Härte 2, Leitungen, feuerfeste Unterlage Beschreibung: Den Aufbau des Experiments zeigt die Abbildung. Die Spannung wird so eingestellt, dass die Stromstärke ca. 2 bis 3 Ampere beträgt. Nun beobachtet man Bleistift und Amperemeter: Während die Stromstärke ständig ansteigt, beginnt der Bleistift zunächst zu qualmen. Etwas später fällt das brennende Holz auf die feuerfeste Unterlage. Erklärung: Der Kohlenstoff (Graphit) des Bleistifts ist ein Heißleiter, d. h. der Widerstand nimmt mit steigender Temperatur ab und damit nimmt die Stromstärke im Stromkreis zu. Schließlich wird die Entzündungstemperatur des Holzes erreicht. 42 Polung einer stromdurchflossenen Spule Material: Modellbahnwagon, Modellbahnschienen (gerader Schienenstrang von ca. 90 cm Länge), zylinderförmiger Magnet, Spule (z. B. 600 Windungen), Eisenkern, regelbare Stromquelle, Leitungen Gleichstromquelle Modellbahnwagon mit Stabmagnet Spule mit Eisenkern Durchführung: Je nach Polung der Spule wird der Magnet im Modellbahnwagon vom Elektromagnet angezogen oder abgestoßen. Ergebnis: Die Polung der Spule hängt von der Stromrichtung durch die Spule ab. 43 Verstärkung der magnetischen Wirkung einer stromdurchflossenen Spule durch einen Eisenkern Material: Modellbahnwagon mit Eisenteilen, Modellbahnschienen (gerader Schienenstrang), Spule (z. B. 600 Windungen), Eisenkern, Amperemeter, regelbare Stromquelle, Leitungen Gleichstromquelle Gleichstromquelle A Modellbahnwagon Spule Durchführung: Der Abstand zwischen dem Modellbahnwagon (mit Eisenteilen) und der Spule beträgt etwa 5 cm. Die Spannung wird langsam erhöht. Die Stromstärke, bei der sich der Wagon in Bewegung setzt, wird festgehalten. Das Experiment wird wiederholt, nachdem man in die Spule einen Eisenkern gesteckt hat. Gleichstromquelle A Modellbahnwagon Spule mit Eisenkern Ergebnis: Die Stromstärke, bei der der Wagon im zweiten Experiment angezogen wird, ist deutlich geringer als im ersten Versuch. Der Eisenkern verstärkt somit die magnetische Wirkung. 44 Gleichstromwiderstand und Wechselstromwiderstand einer Spule Material: Spule (z. B. 1 200 Windungen) mit Eisenkern, regelbare Gleichstromquelle, regelbare Wechselstromquelle, Amperemeter 1 200 Windungen Amperemeter Gleichstromquelle Æ Wechselstromquelle Durchführung: Die Spule mit Eisenkern wird zunächst mit der Gleichstromquelle in Serienschaltung mit dem Amperemeter verbunden und die Stromstärke gemessen. Das Experiment wird bei gleicher Spannung mit der Wechselstromquelle wiederholt. Ergebnis: Im Gleichstromkreis ist die Stromstärke deutlich höher als im Wechselstromkreis. Erklärung: Der Wechselstrom erzeugt in der Spule durch Selbstinduktion einen „Gegenstrom“, der die gemessene Stromstärke verringert (Lenz’sche Regel). Der induktive Widerstand XL der Spule ist: XL = 2 * π * f * L (f in Hertz, L in Henry) 45 Warum verwendet man bei Transformatoren geblätterte Eisenkerne? Material: Experimentiertrafo, 2 gleiche Spulen (z. B. je 1 200 Windungen), ein Joch aus geblättertem Eisen, ein Joch aus massivem Eisen, Energie- und Leistungsmessgerät, eventuell Thermometer Durchführung: Die Primärspule des Experimentiertrafos wird an das Energie- und Leistungsmessgerät angeschlossen (gibt es preiswert in Baumärkten). Das geblätterte Eisenjoch wird auf den Trafo gelegt und die „verbrauchte“ elektrische Energie vom Messgerät abgelesen. Das Experiment wird mit dem Joch aus massivem Eisen wiederholt. Joch aus geblättertem Eisen Æ Joch aus massivem Eisen Die Temperatur der beiden Joche nach kurzer Zeit fühlen bzw. messen. 230 V~ Energie- und Leistungsmessgerät Ergebnis: Der Trafo mit dem Joch aus massivem Eisen „verbraucht“ wesentlich mehr elektrische Energie. Das massive Eisenjoch erwärmt sich deutlich schneller als das geblätterte. Erklärung: Durch Induktion entstehen in beiden Eisenkernen elektrische Ströme (Wirbelströme), die den Leiter Eisen erwärmen. Im geblätterten Eisenkern heben sich diese Wirbelströme in ihrer Wirkung jedoch gegenseitig weitgehend auf. Information: Geblätterte Eisenkerne werden aus dünnen Blechen hergestellt, die durch einen Anstrich aus Wasserglas, Lack oder durch aufgeklebtes dünnes Papier gegeneinander isoliert werden. Bei den Kernen für Hochfrequenz geht man mit der Unterteilung noch weiter. Diese Kerne werden aus Eisenpulver, das mit einem Bindemittel gemischt wird, gepresst und als Ferrite bezeichnet. 46 Stromstärkebegrenzung beim Fahrraddynamo Material: Fahrraddynamo, Experimentiermotor und Antriebsriemen, Amperemeter, eventuell Oszilloskop, Stativ und Stativmaterial Antriebsriemen A Experimentiermotor Fahrraddynamo Durchführung: Ein Fahrraddynamo wird mit einem Riemen von einem Experimentiermotor angetrieben, wobei die Drehzahl langsam erhöht wird. Mit dem Amperemeter wird der Kurzschlussstrom gemessen. Allenfalls kann die Frequenzzunahme der erzeugten Wechselspannung mit einem Oszilloskop dargestellt werden. Ergebnis: Die Stromstärke nimmt zu – aber: Je höher die Frequenz, desto „langsamer“. Erklärung: Der induktive Widerstand XL der Spule des Dynamos wächst proportional mit der Frequenz des erzeugten Wechselstroms: XL = 2 * π * f * L (f in Hertz, L in Henry) 47 Bremsen eines fallenden Magneten durch Induktion Material: Ein Kupferrohr und ein Kunststoffrohr (Durchmesser: ca. 20 mm; Länge: ca. 2 m), 2 zylinderförmige Magnete, Brett mit 2 Bohrungen (Durchmesser: wie die Rohre), Stative und Stativmaterial Cu-Rohr Kunststoffrohr Brett mit 2 Bohrungen mit dem Durchmesser der Rohre Durchführung: Die beiden Rohre werden senkrecht aufgebaut, wie es die Abbildung zeigt. Dann lässt man die beiden Magnete gleichzeitig durch die Rohre fallen. Ergebnis: Der Magnet im Kupferrohr fällt langsamer. Weiche Unterlage Erklärung: Der fallende Magnet erzeugt im Kupferrohr Induktionsspannung. Das Magnetfeld des Induktionsstroms wirkt dem Magnetfeld des fallenden Magneten entgegen. Tipp: Falls eine elektronische Stoppeinrichtung zur Verfügung steht, können die unterschiedlichen Fallzeiten auch gemessen werden. 48 Unterschiedliches Aufleuchten zweier Lämpchen durch Selbstinduktion Material: Regelbare Gleichstromquelle, 2 Lämpchen (z. B. 3,8 V / 70 mA), Schalter, 2 Spulen (z. B. 1 200 Windungen), U-Eisenkern und Joch (vom Experimentiertrafo), regelbarer ohmscher Widerstand (z. B. Schiebewiderstand) z. B. Schiebewiderstand Gleichspannung Durchführung: Das Experiment wird mit geschlossenem Schalter aufgebaut, wie es das Schaltbild zeigt. Der ohmsche Widerstand wird so eingestellt, dass die beiden Lämpchen gleich hell leuchten. Die beiden Spulen müssen so geschaltet werden, dass das Joch vom Elektromagnet angezogen wird. Nun wird der Schalter geöffnet und kurz danach wieder geschlossen. Dabei beobachtet man die beiden Lämpchen. Beobachtung: Das Lämpchen im Stromkreis mit den beiden Spulen auf dem U-Kern mit Joch leuchtet später als das andere. Erklärung: Das Lämpchen im Stromkreis mit Spulen und U-Kern leuchtet erst, wenn die Stromstärke einen bestimmten Wert erreicht hat. Die Ursache des langsameren Ansteigens der Stromstärke in diesem Stromkreis ist die beim Einschalten des Stroms in der Spule entstandene Selbstinduktionsspannung. Der Induktionsstrom wirkt seiner Ursache entgegen (Lenz’sche Regel) und verzögert somit das Ansteigen der Stromstärke. 49 Störung der Taktfrequenz einer batteriebetriebenen Uhr Material: U-Eisenkern, Spule mit 600 Windungen, 2 Leitungen, batteriebetriebene Uhr mit Sekundenzeiger, Küchentopf (eisenhältig) Uhr 230 V~ Spule mit 600 Windungen Durchführung: Die Spule wird mit 230 V Wechselspannung verbunden und die batteriebetriebene Uhr (mit Sekundenzeiger) in geringem Abstand vor den Elektromagneten gestellt. Beobachtung: Der Sekundenzeiger der Uhr läuft „rasend schnell“ im (oder gegen) den Uhrzeigersinn. Erklärung: Das wechselnde Magnetfeld des Eisenkerns induziert im elektronischen Teil der Uhr Spannung, die zu einer Störung der Taktfrequenz der Uhr führt. Tipp: Wenn man den Steuermechanismus der Uhr mit Eisen (z. B. einem eisenhältigen Küchentopf) abschirmt, bewegt sich der Sekundenzeiger der Uhr wieder normal. – Praxisbezug: Verwendung von abgeschirmten Kabeln. 50 Wirbelstrombremse Material: Regelbare Wechselstromquelle, U-Kern mit Polschuhen, Spule (z. B. 1 200 Windungen), gut gelagertes Alu-Rad, Stativ und Stativmaterial, 2 Leitungen Alu-Rad Polschuh Wechselspannung Spule: z. B. 1 200 Wdg. Durchführung: Das gut gelagerte Alu-Rad wird zwischen den Polschuhen in Rotation versetzt, wobei durch die Spule noch kein Strom fließt. Die Spule wird an Wechselspannung (einige Volt) angeschlossen und das Experiment wird wiederholt. Beobachtung: Sobald Wechselstrom durch die Spule fließt, nimmt die Rotationsgeschwindigkeit des Alu-Rads deutlich schneller ab. Erklärung: Der Wechselstrom, der durch die Spule fließt, erzeugt im Eisenkern ein wechselndes Magnetfeld und damit Induktionsspannung im Alu-Rad. Durch das Alu-Rad fließen Wirbelströme, die ihrerseits wieder die Ursache von Magnetfeldern sind. Die gegenseitige Beeinflussung der Magnetfelder der Spule und des Alu-Rads bewirken die deutlich schnellere Abnahme der Rotationsgeschwindigkeit.
