Induktion
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Schulversuchspraktikum 2. Protokoll Induktion (Oberstufe) Dana Eva Ernst 9955579 Linz, am 3.11.2002 -1- Inhaltsverzeichnis Kapitel I - Thema und Ziele 2 Kapitel II - Grundlagen 2.1. Das Induktionsgesetz 3 2.2. Die Lenzsche Regel 4 2.3. Die Rechte-Hand-Regel 5 Kapitel III - Die Versuche 3.1. Leiterschleife 5 3.2. Relativbewegung Magnetfeld-Spule 6 3.3. Induktionsspannung und Windungszahl 7 3.4. Induktionsspannung und Windungszahl 8 3.5. Induktionsspannung und Eisenschub 9 3.6. Induktion und wirksame Windungsfläche 10 3.7. Lenzsche Regel 11 3.8. Lenzsche Regel – Richtung des Induktionsstroms 12 3.9. Thomsonscher Ringversuch 13 3.10. Abschirmung durch Kurzschlussspule 14 3.11. Waltenhofensches Pendel 15 Kapitel IV - Zusatzinformationen 4.1. Der FI-Schutzschalter 17 4.2. Funktionsweise von Mikrophonen 18 4.3. Disketten- und Festplattenaufbau, Schreib-Leseköpfe für magnetische Speicher 20 4.4. Induktive Zugsicherung 21 Kapitel V - Anmerkung 23 Kapitel VI - Literatur 23 Anhang Folien -2- I. Thema und Ziele Die Spule spielt in der Technik eine wichtige Rolle. Zum Beispiel Motoren oder Transformatoren u.s.w. würden ohne Spulen gar nicht realisierbar sein. Darum ist es wichtig, das die Schüler einen kleinen Einblick in das Thema „Spule und Induktion“ erhalten. Das Thema Induktion wird in der 7. Klasse (Oberstufe) behandelt. Was schreibt nun der Lehrplan für dieses Kapitel vor? Was sind die Lerninhalte und die Ziele des Kapitels Induktion? Lernziele: Das Induktionsgesetz erläutern können Wechselstromwiderstände und ihre Wirkungen beschreiben können elektrische Geräte und Maschinen, die auf Induktion beruhen, erklären können Lerninhalte: Elektromagnetische Induktion Selbstinduktion, Induktivität Wechselstrom, Wechselstromkreis Prinzip von Generator und Motor induktiver und kapazitiver Widerstand, Leistung des Wechselstroms Charakteristische Versuche: Bewegung eines Leiters relativ zum Magnetfeld (Leiterschaukel) Versuche zur Demonstration der Lenzschen Regel (Thomson-Kanone) Modellversuch zum Generator Spule im Wechselstromkreis Vorausgesetztes Wissen für dieses Protokoll: Magnetfeld Magnetische Flussdichte Kraftfluss Lorenzkraft -3- II. Grundlagen 2.1. Das Induktionsgesetz Abb. 1 In eine Spule, an die ein Voltmeter angeschlossen ist, wird ein Stabmagnet hineingeschoben und anschließend wieder herausgezogen (siehe Abbildung 1). Bei der Hinein- und Hinausbewegung zeigt das Voltmeter einen Ausschlag an. In der Spule wird eine Spannung induziert. Das heißt, zwischen den Anschlüssen der Spule tritt eine Spannung auf. Diese Art der Spannungserzeugung bezeichnet man als Induktion. Um das Induktionsgesetz besser herleiten und erklären zu können, betrachtet man am besten den folgenden Versuch: Eine Leiterschleife (mit 1 Windung) wird in ein homogenes Magnetfeld gebracht. Zu Beginn befindet sich die Leiterschleife vollständig im Magnetfeld und wird vom Fluss 1 = B A durchsetzt. Dieser Fluss ist die Anzahl der Feldlinien, die von der Leiterschleife erfasst werden. Nun wird diese Leiterschleife aus dem Magnetfeld herausgezogen. Während dieses Vorgangs ändert sich der Fluss, der die Leiterschleife durchsetzt, er nimmt ab. Ist die Leiterschleife vollständig aus dem Magnetfeld herausgezogen, wird sie von keinem Fluss mehr durchsetzt d.h. 2 = 0. Vergrößert man die Stärke des externen Magnetfelds, so steigt auch der Fluss 1 durch die Leiterschleife. Wird die Leiterschleife wieder mit gleicher Geschwindigkeit bewegt, dann zeigt das Instrument einen höheren Ausschlag. Das heißt, die induzierte Spannung Uind ist proportional zur Flussänderung . Wird die Leiterschleife schneller aus dem Magnetfeld herausgezogen, dann zeigt das Messinstrument einen höheren Ausschlag. Daraus folgt, dass die induzierte Spannung umso größer ist, je weniger Zeit t für das Herausziehen benötigt wird. Aus diesen beiden eben beschriebenen Gesetzmäßigkeiten Zusammenhang herleiten: Das Induktionsgesetz: U ind N -4- t lässt sich folgender Anmerkung: Die oben verwendete Größe = B A wird als magnetischer Fluss bezeichnet. Die Einheit ist das Weber [Wb]. 2.2. Die Lenzsche Regel Das Minuszeichen im Induktionsgesetz resultiert aus der Richtung der Induktionsspannung. Das Minuszeichen wird durch die Lenzsche Regel verdeutlicht und erklärt: Die Lenzsche Regel: Die Induktionsspannung und der Strom, den sie hervorruft, sind stets so gerichtet, dass sie ihrer Ursache entgegenwirken. An der Formulierung dieser Regel erkennt man schon, dass es recht allgemein gehalten ist. Es gibt nämlich mehrere Sachverhalte, die dieser Regel zugrunde liegen. Es wird nun ein solcher Sachverhalt erläutert: Man betrachte folgendes Beispiel: ein Stabmagnet bewegt sich auf einen leitenden Ring zu, wie es die Abbildung 2 zeigt. Abb. 2 Das Magnetfeld des Stabmagneten zeigt nach rechts aus dem Nordpol des Magneten heraus. Die Bewegung des Magneten auf den Ring zu erhöht den Fluss durch den Ring, weil das Magnetfeld in der Nähe des Nordpols stärker ist als in größerer Entfernung vom Ring. Der Strom, der im Ring induziert wird, erzeugt selbst wieder ein Magnetfeld. Der induzierte Strom fließt in der gezeigten Richtung, so dass der entstehende magnetische Fluss dem magnetischen Fluss des Stabmagneten entgegenwirkt Das induzierte Magnetfeld schwächt also den magnetischen Fluss durch den Ring. Würde man den Magneten vom Ring wegbewegen, so würde der Induktionsstrom in die Gegenrichtung fließen, so dass er diesmal der Flussabnahme die durch das Wegbewegen entsteht, entgegenwirkt. Dabei ist es für das Experiment unerheblich, ob der Magnet oder der Ring bewegt wird. Einige schöne und anschauliche Versuche zu diesem Thema befinden sich im Kapitel Versuche (z.B. das Waltenhofensche Pendel, Thomsonsche Kanone u.s.w.). Anmerkung: Die Lenzsche Regel ist gleichsam ein Ausdruck für die Gültigkeit des Energieerhaltungssatzes bei Induktionsvorgängen. -5- 2.3. Die Rechte-Hand-Regel Nun kennt man bereits, aufgrund der Lenzschen Regel, die Richtung des Induktionsstroms. Mit Hilfe der sogenannten Rechten-Hand-Regel lässt sich diese Richtung einfach bestimmen. Man betrachtet zunächst die Abbildung 3: Abb. 3 Bewegt man zum Beispiel einen Leiter in einem Magnetfeld, so zeigt der Daumen in Richtung dieser Bewegung (Ursache), der Zeigefinger weist in Richtung des Magnetfelds und der Mittelfinger zeigt dann schließlich in Richtung des im Leiter induzierten Stroms (Wirkung). Wie lässt sich nun die Induktion erklären? Verschiebt man einen Leiter (mit einer gewissen Geschwindigkeit v) innerhalb eines Magnetfelds B, so beginnen die Elektronen (mit der Ladung Q) des Leiters zu wandern. Aufgrund der Lorenzkraft (F = Q v B) werden sie abgelenkt. Die Elektronen wandern zu einem Ende des Leiters, d.h. es fließt der sogenannt Induktionsstrom. Durch das Wandern der Elektronen entsteht an dem anderen Ende ein Elektronenmangel. Zwischen den Enden herrscht somit ein Spannung. Für diese induzierte Spannung gilt folgender Zusammenhang: Uind = B l v l ... Länge des Leiters B ... Stärke des Magnetfelds v ... Geschwindigkeit des Leiters III. Die Versuche 3.1. Leiterschleife (siehe auch Folie im Anhang) Verwendete Materialien: 1 Leiterschaukel, 1 großer Hufeisenmagnet, Voltmeter und ev. Messverstärker, 4 Experimentierkabel -6- Versuchsaufbau: Abb. 4 Hinweis: Die Leiterschaukel so aufbauen, dass sie sich frei im Magnetfeld des Hufeisenmagneten bewegen kann und den Magnet nicht berührt. Am Messgerät wird der Messbereich 300 A, 60 mV eingestellt. Versuchsgang und Erklärung: Die Leiterschleife wird in einem Hufeisenmagneten bewegt. An der Leiterschleife ist außerdem ein Voltmeter angeschlossen. Bewegt man die Leiterschleife hin und her, so wird im Leiter eine Spannung induziert, die man mit dem Voltmeter (und Verstärker) sichtbar machen kann (in der Größenordnung von 0,1 mV). Wenn der Leiter im Magnetfeld ruht, ist kein Ausschlag des Voltmeterzeigers zu sehen, da nur bei Bewegung des Leiters Spannung induziert wird. Lorentzkraft: Bewegt sich ein geladenes Teilchen der Ladung Q mit der Geschwindigkeit v durch ein Magnetfeld der magnetischen Induktion B, so wirkt auf das Teilchen eine Kraft, die Lorenzkraft: F QvB Lenzsche Regel: Der Induktionsstrom ist stets so gerichtet, dass seine Wirkung der Ursache des Induktionsstroms entgegengesetzt ist. 3.2. Relativbewegung Magnetfeld-Spule (siehe auch Folie im Anhang) Verwendete Materialien: 1 Stabmagnet, 1 Spule (500 Windungen), Voltmeter, 2 Experimentierkabel Hinweis: Am Messgerät wird ein Messbereich von 60 mV, 300 A eingestellt. -7- Versuchsaufbau: Abb. 5 Versuchsgang und Erklärung: Der Stabmagnet wird zunächst langsam in die Spule eingeführt und wieder herausgezogen und dabei das Voltmeter beobachtet. Danach bewegt man den Stabmagnet mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aus der Spule heraus und hinein. Nun dreht man den Magneten um und wiederholt den Versuch. Ergebnis: Das Voltmeter zeigt wiederum die induzierte Spannung an. Durch das Einführen des Magneten ändert sich der magnetische Fluss, der die Spule durchsetzt und eine Spannung wird dadurch induziert. Wird der Magnet schnell heraus- oder hineingeschoben, so ist die induzierte Spannung für eine kurze Zeit (so lange, wie sich der Magnet in der Spule befindet) „sehr“ hoch. Schiebt man den Magneten hingegen langsamer heraus oder hinein, so wird zwar weniger Spannung induziert, aber über einen „längeren“ Zeitraum im Vergleich zum schnellen Bewegen. Anmerkung: Um Spannung zu induzieren ist es egal, ob der Magnet, oder aber die Spule bewegt wird. 3.3. Induktionsspannung und Windungszahl Verwendete Materialien: 3 Spulen (250, 500 ,100 Wdg.), 1 Stabmagnet, Amperemeter, 4 Experimentierkabel Versuchsaufbau: Abb. 6 Hinweis: Am Amperemeter wird ein Messbereich von 0,001 A eingestellt. -8- Versuchsgang und Erklärung: Die 3 Spulen werden zusammen mit dem Amperemeter zu einem Kreis geschlossen, so wie es Abbildung 6 demonstriert. Nun wird der Stabmagnet nacheinander mit der gleichen Geschwindigkeit in jede einzelne Spule hinein und hinausgezogen. Dabei beobachte man das Amperemeter! Ergebnis: Durch die Spulen fließt ein Induktionsstrom, wenn der Magnet bewegt wird. Die Stromstärke ist ein Maß, für die infolge der Veränderung des Magnetfelds entstehende Spannung Uind. Sie nimmt proportional mit steigender Windungszahl zu. 3.4. Induktionsspannung und Windungszahl Verwendete Materialien: 2 Spulen (250, 1000 Wdg.), 1 Joch, 2 Messgeräte, Schiebewiderstand, Schalter, 7 Experimentierkabel, Stromversorgung (Spannungsquelle) Hinweis: Dieser Versuch funktioniert nur, wenn die Spulen nicht kaputt sind. Ist nur eine Windung beschädigt, schlägt der Versuch fehl. Am Voltmeter der Sekundärspule (1000 Wdg.) wird ein Messbereich von 300 A, 60 mV, am Amperemeter der Primärspule (250 Wdg.) 10 A eingestellt. Erforderliche Spannung: 6V (Gleichspannung). Versuchsaufbau: Abb. 7 Versuchsgang und Erklärung: Am Schiebewiderstand wird zunächst der größte Widerstand eingestellt. Nach Schließen des Schalters wird der Widerstand kontinuierlich verändert, denn dadurch wird auch der Spulenstrom variiert. Bei diesem Vorgang beobachte man das Voltmeter. -9- Nacheinander werden nun unterschiedliche Stromstärken eingestellt (z.B. 2A, 4A, 6A) und dabei stets das Voltmeter beobachtet. Ergebnis: Da die Stromstärke verändert wird, ändert sich auch die Stärke des Magnetfelds. Die Feldlinien der Primärspule durchdringen auch die Sekundärspule (allerdings nicht alle Feldlinien, da kein Eisenkern verwendet wird). In der Sekundärspule wird also eine Spannung induziert, die mit Hilfe des Voltmeters gemessen werden kann. Je größer die zeitliche Änderung der magnetischen Feldstärke ist (wird durch den Schiebewiderstand realisiert) und je größer die verwendete Stromstärke ist, desto größer ist auch die induzierte Spannung in der Sekundärspule. 3.5. Induktionsspannung und Eisenschub Verwendete Materialien: 2 Spulen (500 Wdg.), Amperemeter, U-Kern mit Joch, 5 Experimentierkabel, Spannungsquelle Versuchsaufbau: Abb. 8 Versuchsgang und Erklärung: Die erforderliche Spannung für diesen Versuch beträgt 6V (Gleichspannung) und am Amperemeter wird ein Messbereich von 0,3 A eingestellt. Zunächst werden die beiden Spulen lediglich auf ein Joch gesteckt und an die Stromversorgung angeschlossen. Der Schalter wird abwechselnd geöffnet und geschlossen und dabei der Zeiger des Amperemeters beobachtet. Danach steckt man die Spulen auf einen U-Kern und wiederholt den Versuch in gleicher Weise. Zum Schluss wird der U-Kern mit dem Joch geschlossen und wiederum das Amperemeter bei ein- und ausschalten der Stromversorgung beobachtet. -10- Ergebnis: Der in der Spule fließende Induktionsstrom nimmt mit wachsenden „Eisenschluss“ zu. Die Erklärung hierfür ist einfach: Mit wachsendem „Eisenschluss“ nimmt die Anzahl der Feldlinien der Primärspulen zu, die die Sekundärspule durchsetzen. Dadurch wird der magnetische Fluss in der Sekundärspule erhöht und laut dem Induktionsgesetz (siehe Grundlagen) steigt dadurch auch die in der Sekundärspule induzierte Spannung an (und somit auch der Strom). 3.6. Induktion und wirksame Windungsfläche Verwendete Materialien: 2 Spulen (250, 10.000 Wdg.), Joch, Stromversorgung, 5 Experimentierkabel, Voltmeter Versuchsaufbau: Abb. 9a Abb. 9b Versuchsgang und Erklärung: Die erforderliche Spannung für diesen Versuch beträgt 6V (Gleichspannung) und am Voltmeter wird ein Messbereich von 60 mV, 300 A eingestellt. Zunächst werden die Spulen so ausgestellt, wie es die Abbildung 9a demonstriert. Sie liegen in einem Winkel von 90° zu einander. Die Spannungsquelle wird nun eingeschaltet und der Zeiger des Voltmeters beobachtet. Wie man auch schon dem Bild 9a entnehmen kann wird in der Sekundärspule keine Spannung induziert. Nun werden die Spulen parallel und hintereinander gelegt und wiederum die Stromversorgung eingeschaltet. Wie man in der Abbildung 9b entnehmen kann, ist auf dem Voltmeter ein Spannungsausschlag zu sehen. In der Sekundärspule wird somit infolge der Feldlinien der Primärspule Spannung induziert. Erklärung: Stehen die Spulen in 90° zueinander, so können die Feldlinien der Primärspule nicht in das Innere der Sekundärspule eindringen. Somit wird keine Spannung induziert. Dreht man die Spule so können die Feldlinien auch in die Sekundärspule eindringen. Die Windungsfläche wird vergrößert. Je größer die wirksame Windungsfläche ist, desto größer ist auch die Induktionsspannung in der Sekundärspule. Stehen die beiden Spulen parallel und -11- hintereinander, so ist die induzierte Spannung maximal, stehen die Spulen in 90° zueinander, so ist sie gleich Null. Hinweis: Das im Versuch verwendete Joch verstärkt lediglich das Magnetfeld der Spule. 3.7. Lenzsche Regel Verwendete Materialien: 1 Spule (500 Wdg.), 1 Joch, Aluminiumring, Steckdose, Stativ Versuchsaufbau: Abb. 10 Versuchsgang und Erklärung: Der Aluminiumring wird an eine Schnur gehängt und anschließend an die Stativstange gebunden, sodass er sich frei bewegen kann. Nun wird in das Innere des Rings das Joch, das noch etwas aus der Spule herausragt, gesteckt (siehe Abbildung 10). Es ist darauf zu achten, dass der Ring das Joch nicht berührt. Die Spule wird nun mit einem Schalter und einer Steckdose zu einem Kreis geschlossen. Wichtig: Schalter nicht vergessen, da 230 Volt an der Steckdose anliegen!!! Die Spule würde nur eine Stromstärke von rund 2,5 A vertragen, doch durch das Anschließen an die Steckdose fließen weitaus höhere Ströme!!! Während des Versuchs ist der Schalter nur kurz (ein und wieder aus) zu schließen, da die hohen Ströme die Spule sonst durchbrennen lassen. Nun wird der Schalter kurz (ein und wieder aus) eingeschaltet. Der Ring wird von der Spule ruckartig weggestoßen. Hinweis: Spule festhalten!!! -12- Der Ring stellt eine Sekundärspule mit nur einer Windung dar. Beim Einschalten ist der Strom in der Sekundärspule (Ring) so gerichtet, das sich ein Magnetfeld aufbaut, das in entgegengesetzte Richtung zeigt, als das Magnetfeld der Primärspule. Der Ring wird somit abgestoßen. Der Grund für diesen Vorgang ist die Lenzsche Regel, die, wie bereits in den Grundlagen erwähnt wurde, besagt, dass der Induktionsstrom stets so gerichtet ist, dass er seiner Ursache (Magnetfeld) entgegen wirkt. 3.8. Lenzsche Regel – Richtung des Induktionsstroms Verwendete Materialien: Spule (1000 Wdg.), Hufeisenmagnet, 2 Rollen (2 runde Bleistifte), 2 Exprimentierkabel, Holzklotz Versuchsaufbau: Abb. 11 Versuchsgang und Erklärung: Der Aufbau erfolgt, wie es in Abbildung 11 zu sehen ist. Danach wird die Spule an die 6V (Gleichspannung) Stromversorgung angeschlossen. Ergebnis: Wird an die Spule eine Spannung angeschlossen, so wird der Magnet in die Spule hineingezogen. Mit Hilfe der „Rechten-Hand-Regel“ lässt sich bestimmen, in welche Richtung der Nordpol einer Spule zeigt. Betrachtet man die Abbildung 12, so erkennt man folgendes: Die rechte Hand wird so auf die Spule gelegt, dass die Finger in Richtung des, durch die Spule fließenden Stroms zeigt. Der Daumen weist dann in Richtung des Nordpols des Magnetfelds (siehe auch Folie im Anhang). Abb. 12 -13- Legt man beim Versuch an die Spule Spannung an, so fließt durch sie ein Induktionsstrom. Es baut sich ein Magnetfeld auf. Auf die oben beschriebene Art und Weise wurde auch bei diesem Versuch die Richtung des Felds bestimmt. Der Nordpol weist bei den obigen Abbildungen nach links. Somit steht dem Nordpol des Hufeisenmagneten der Südpol der Spule gegenüber. Da sich Nord- und Südpol bekanntlich anziehen, wird die Spule in den Magnet hineingezogen. 3.9. Thomsonscher Ringversuch Verwendete Materialien: U-Kern mit Joch, Spule (500 Wdg.), Aluminiumring, Steckdose Versuchsaufbau: Abb. 13 Versuchsgang und Erklärung: Der U-Kern wird nach oben offen auf den Tisch gestellt. Die Netzspule mit 500 Windungen wird auf den einen Schenkel geschoben und das Joch auf den gleichen Schenkel gesetzt. Wie die Abbildung 13 demonstriert, wird der Aluminiumring nun auf eben diesen Schenkel gesteckt. Die Spule wird über einen Schalter an die Steckdose angeschlossen und anschließend schaltet man die Stromversorgung kurz ein. Wichtig: Den Schalter nicht vergessen, da 230 Volt an der Steckdose anliegen!!! Die Spule würde nur eine Stromstärke von rund 2,5 A vertragen, doch durch das Anschließen an die Steckdose (230 V Wechselspannung)) fließen weitaus höhere Ströme!!! Während des Versuchs ist der Schalter nur kurz (ein und wieder aus) zu schließen, da die hohen Ströme die Spule sonst durchbrennen lassen. -14- Ergebnis: Beim Einschalten des Stromes wird der Ring enorm hoch weggeschleudert. Die für den Versuch verwendete Anordnung ist ein Transformator mit der Primärspule 500 Windungen und einer Sekundärspule von nur 1 Windung. Da diese Windung in sich kurzgeschlossen ist und daher einen sehr kleinen Widerstand hat, entsteht in ihr ein sehr starker Strom, der nach der Lenzschen Regel dem Primärstrom entgegengerichtet ist. Die magnetischen Felder der beiden Ströme stoßen sich also ab. 3.10. Abschirmung durch Kurzschlussspule Verwendete Materialien: 4 Spulen (2 500, 250, 1000 Wdg.), Kleinspannungsspule, U-Kern mit Joch, 2 Joche, Glühlämpchen, Schalter, 6 Experimentierkabel Hinweis: Dieser Versuch funktioniert nur, wenn die Spulen nicht kaputt sind. Ist nur eine Windung beschädigt, schlägt der Versuch fehl. Versuchsaufbau: Abb. 14 Versuchsgang und Erklärung: Bei diesem Versuch wird eine Spannung von 20V Wechselspannung benötigt. Die drei Spulen (siehe Abbildung 14) werden auf die zwei aneinandergelegten Joche aufgeschoben. Die Spule mit 1000 Windungen wird an die Kleinspannungsspule angeschlossen (volle Windungszahl), und die Enden der Spule mit 250 Windungen werden mit dem Glühlämpchen (2,5 V und 0, 1 A) verbunden. Zunächst ist der Schalter geöffnet. Nun wird die Netzspule eingeschaltet und das Glühlämpchen bei geöffnetem und geschlossenem Schalter beobachtet. Ergebnis: Bei geöffnetem Schalter leuchtet das Glühlämpchen. Durch das Kurzschließen der Spule mit 500 Windungen (Schalter wird geschlossen) wird das magnetische Wechselfeld von -15- der Spule mit 250 Windungen abgeschirmt. Das Glühlämpchen erlischt. In der Kurzschlussspule wird nämlich eine Spannung induziert und das durch den Kurzschlussstrom verursachte Magnetfeld schwächt das Primärfeld so stark, dass die in der Induktionsspule induzierte Spannung erheblich absinkt. 3.11. Waltenhofensches Pendel Verwendete Materialien: U-Kern, 2 Spulen (250 Wdg.), 1 Paar Polschuhe, Waltenhofensches Pendel, Stativ, 4 Experimentierkabel Versuchsaufbau: Abb. 15 Versuchsgang und Erklärung: Für diesen Versuch wird eine Gleichspannung von 10V benötigt. Der Aufbau erfolgt so, wie es in Abbildung 15 zu sehen ist. Wichtig: Es ist unbedingt darauf zu achten, dass die Spulen richtig gepolt sind. Ausgang E mit Ausgang E verbinden, wie in der Abbildung!!! Zunächst befinde sich der ungeschlitzte Teil des Pendels zwischen den ca. 1 cm voneinander entfernten Polschuhen. Nun versetzt man das Pendel vorsichtig in Schwingung. Nach dem Einschalten der Stromversorgung kommt das Pendel rasch zum Stillstand, da im Pendelkörper durch Induktion sogenannte Wirbelströme entstehen. Die von diesen Induktionsströmen verursachten Magnetfelder wirken dem Feld des Magneten entgegen und bremsen so das Pendel bis zum Stillstand ab (siehe Abbildung 16b auf der nächsten Seite). -16- Abb. 16a Abb. 16b Im 2. Versuchsteil wird die Pendelplatte umgedreht und der Versuch noch einmal durchgeführt, d.h. das Pendel wird ausgelenkt, die Stromversorgung angeschaltet und das Pendel weiterhin beobachtet. Jetzt befindet sich der durchbrochene, kammartige Teil des Pendels im Magnetfeld. Ergebnis: Die Abbremsung erfolgt wesentlich langsamer (siehe Abbildung 17b). Die Wirbelströme können sich im durchbrochenen Teil des Pendels offenbar nicht so stark ausbilden wie beim vorangegangenen Versuch. Eine Anwendung für derartige Wirbelströme findet man in den sogenannten Wirbelstrombremsen, bei denen sich eine massive Metallscheibe im Spalt eines Elektromagneten dreht. Bei Bedarf kann durch Einschalten des Magneten eine starke verzögernde Kraft auf die Scheibe ausgeübt werden. Solche Wirbelstrombremsen werden in Lastautos und Autobussen eingesetzt. Sie sind immer dann von Vorteil, wenn langanhaltende große Bremskräfte erforderlich sind und herkömmliche Reibungsbremsen durch Überhitzen ihre Bremswirkung verlieren. Abb. 17a Abb. 17b -17- IV. Zusatzinformationen 4.1. Der FI-Schutzschalter Leider passieren auch in der heutigen Zeit immer wieder Stromunfälle. Gerät zum Beispiel ein Mensch in einen Stromkreis und fließen dort hohe Ströme (ab ungefähr 10 mA), so erfolgt eine Störung der Impulsübertragung vom Gehirn zu den Muskeln. Nicht mehr das Gehirn gibt an den Muskel den Befehl „Kontraktion“, sondern der durch den Körper fließende Fremdstrom löst den Effekt der Kontraktion aus. Der Mensch ist nicht mehr selbst in der Lage, z.B. einen stromdurchflossenen Metallgriff loszulassen. Beim Stromdurchfluss durch den menschlichen Körper sind unterschiedliche Faktoren von Bedeutung: Die Höhe der Spannung Die Stärke des elektrischen Stroms Die Frequenz Der Widerstand des menschlichen Körpers Die Einwirkdauer des Stromes auf den Körper Fließt ein 30 mA starker Strom für nur 0,5 Sekunden über das menschliche Herz, so kann Herzkammerflimmern entstehen und dadurch wird die Pumpfunktion des Herzens aufgehoben. Es besteht also Lebensgefahr, da die Sauerstoffversorgung des Gehirns durch das Aussetzen der Pumpe (Herz) nicht mehr gesichert ist. Nach etwa drei bis fünf Minuten in diesem Zustand treten irreparable Schäden auf und der Tod kann eintreten. Was bewirkt nun der FI-Schutzschalter in einem Stromkreis (siehe auch Folie im Anhang)? Der FI-Schalter bedeutet ausgesprochen: Fehlerstromschutzschalter! Beim normalen Betrieb elektrischer Geräte geht der von den elektrischen Verbrauchern benötigte Strom über die Zuleitung zum Verbraucher hin, und in gleicher Größe wieder zurück. Der im FISchutzschalter enthaltene Summenstromwandler (Ringkern mit Wicklungen – siehe auch Abbildung auf Folie im Anhang) vergleicht die in den Leitungen fließende Ströme. Ist die Summe der zufließenden Ströme nicht mehr die Summe der abfließenden Ströme, so löst der „verloren gegangene Strom“ einen Mechanismus aus, der den überwachten Stromkreis sofort abschaltet. Der FI-Schalter soll den Stromkreis also unterbrechen, wenn der Strom außer dem vorgegebenen Weg noch andere Wege geht. Er soll zum Beispiel ausschalten, wenn eine leitende Verbindung zwischen dem Gehäuse eines Geräts und dem Außenleiter (Phase) besteht, oder wenn eine leitende Verbindung zwischen dem Außenleiter und der -18- Wasserleitung hergestellt wird. Deshalb müssen alle Metallgehäuse von Elektrogeräten mit dem Schutzleiter verbunden werden. Der Fehlerstromschutzschalter schaltet bei geringen Fehlerströmen innerhalb 0,1 Sekunden ab. Alle FI-Schutzschalter sind mit einer Prüftaste ausgestattet, mit der man die Funktion des Schalters überprüfen kann. Dieser Test sollte aller 6 Monate durchgeführt werden. Seit 1984 sind FI-Schutzschalter bei Neuinstallationen für das Bad und für elektrische Einrichtungen im Außenbereich zwingend vorgeschrieben. Die Anzahl von tödlichen Stromunfällen hat sich seit dem Einsatz erheblich verringert (von 1967 bis 1997 um fast 70 %). Auch Brände, die durch Erdschlussfehlerströme entstehen können, lassen sich durch den FI-Schutzschalter vermeiden. Abb. 18a: Sowohl der Außenleiter (rot) als auch Abb. 18b: Geht jedoch auf Grund einer Fehler- der Nullleiter (blau) sind mit gleicher Wicklungs- quelle ein Teil des durch den Außenleiter zuge- zahl über eine als Elektromagnet wirkende Spule führten Stroms nicht durch den Nulleiter, sondern gewickelt. Im Normalbetrieb verläuft der Strom durch den Schutzleiter (oder irgendwie anders) im Außenleiter und im Nulleiter gegenläufig mit zurück, so überwiegt der Außenleiterstrom im gleicher Stromstärke, so dass sich die magneti- Elektromagnet und er zieht das am Kippschalter schen Wirkungen beider Wicklungen genau verfestigt Eisenstück an und unterbricht dadurch den aufheben. Stromkreis. 4.2. Funktionsweise von Mikrophonen Ein Mikrophon wandelt Schallwellen in elektrische Impulse um (auch das menschliche Ohr hat diese Eigenschaft!). Die Funktionsweise eines Mikrophons (egal welcher Typ) wird nun kurz etwas näher erläutert: In einem Mikrophon befindet sich ein Gegenstand, der in Schwingungen versetzt werden kann. Meist handelt es sich dabei um eine dünne Membran. Diese Membran nimmt die Schwingungen der Luft auf, und überträgt diese Schwingungen an einen Stromkreis, indem -19- sie in diesem Stromkreis die Stromflussstärke reguliert. Dadurch entstehen unterschiedlich starke Spannungen, die sich genauso verhalten, wie die aufgenommenen Schwingungen der Luft. Nun liegt das Signal in elektrischen Spannungen vor und kann in ein Computersystem mit Hilfe von Wandlern übertragen werden. Auch das Mikrophon übernimmt schon eine wandelnde Aufgabe. Es gibt unter anderem 2 wichtige Arten von Mikrophonen: Das Kondensatormikrophon Das dynamische Mikrophon Wie der Name schon verrät enthält das Kondensatormikrophon einen Kondensator. Der Kondensator besteht im wesentlichen aus einer hauchdünnen Folie, die in einem sehr kleinen Abstand straff gespannt über einer Metallplatte angebracht ist. Folie und Metallplatte bilden die Elektroden (Leiterflächen) des Kondensators. Trifft Schall auf diesen Kondensator, so ändert sich dessen Kapazität, da die Folie des Kondensators durch die Vibrationen der Luft ihren Abstand zur Metallplatte verändert (veränderter Abstand andere Kapazität). Das dynamische Mikrophon ist ein elektrodynamischer Schallwandler. Eine an der Membran befestigte Spule taucht in das Kraftfeld eines Dauermagneten ein (siehe Abbildung 19). Durch den eintreffenden Schall wird die Membran in Schwingungen versetzt, und die Spule bewegt sich in dem Magnetfeld. Aufgrund des physikalischen Prinzips der Induktion (Erzeugung einer elektrischen Spannung in einer Spule bei der Bewegung in einem Magnetfeld bzw. der Änderung des Magnetfeldes) entsteht in der Spule ein dem Schall Abb. 19 entsprechendes elektrisches Signal. Die induzierte Spannung ist der Bewegungsgeschwindigkeit des Leiters proportional. Kondensatormikrophone finden ihre Anwendung im professionellen Bereich, da diese ausgezeichnete Übertragungseigenschaften besitzen und höchsten Qualitätsansprüchen genügen. Dynamische Mikrophone findet man oft bei Sängern auf der Bühne, da dieser Mikrophontyp für die Stimme geeignet und außerdem so konstruiert ist, dass es rückkopplungsarm ist, d.h. die Gefahr, dass das Ausgangssignal auf den Eingang des Übertragungssystems zurückgeführt wird, ist nur gering. -20- 4.3. Disketten- und Festplattenaufbau, Schreib-Leseköpfe für magnetische Speicher Die am meisten verwendeten magnetischen Medien, die zur Datenspeicherung genutzt werden, stellen Disketten und Festplatten dar. An zweitwichtigster Stelle rangieren optische Systeme, wie die CD-ROM. Die magnetischen Speicher beruhen auf dem Prinzip des Elektromagnetismus. In den magnetischen Speichern sind Schreib-Leseköpfe eingebaut, die die elektronischen Informationen auf eben diese übertragen. Diese Schreib-Leseköpfe sind im Prinzip nichts anderes als Leiter, die nahe an der Oberfläche des magnetischen Speichers angebracht sind. Fließt durch diese Leiter Strom (Signale vom Computer), so einsteht im Kopf ein magnetisches Feld, dessen Polarität dann sehr schnell umgeschaltet wird. Die magnetische Scheibe oder das Band in einem magnetischen Speicher besteht bei Disketten aus Kunststoff bei Festplatten aus Glas oder Aluminium. Diese Scheibe oder dieses Band ist mit einem magnetischen Film (Eisenoxid in verschiedenen Verbindungen) beschichtet. Auf einem gelöschten Medium befinden sich die magnetischen Felder auf der Oberfläche bezüglich ihrer Polarität in einem zerstreuten, zufälligen Zustand. Die Daten werden in konzentrischen Kreisen (diese sind wiederum in einzelne Segmente bzw. Sektoren aufgeteilt und ein Sektor kann genau 512 Byte speichern), den sogenannten Spuren (Track), auf der magnetischen Oberfläche gespeichert bzw. von dort gelesen. Dazu dient der Schreib-Lese-Kopf im Laufwerk, der quer zur Scheibe verschoben werden kann. Dieser Schreib-Lese-Kopf wird z. B. beim Lesen über der Spur mit den gewünschten Daten positioniert. Dann wird abgewartet bis die gewünschten Daten infolge der Drehung der Scheibe unter dem Schreib-Lese-Kopf erscheinen und anschließend werden die Daten auf dem Medium fixiert. Aufbau z.B. einer Diskette: Abb. 20 Hinweis: Alle weiteren Ausführungen zu diesem Thema sind zu kompliziert und speziell, dass darauf nicht weiter eingegangen wird. -21- 4.4. Induktive Zugsicherung Um die Aufgabe und Wirkung der induktiven Zugsicherung zu verstehen, muss zunächst einmal die auf die wichtigsten Unterschiede zwischen Schienenfahrzeugen und Straßenfahrzeugen eingegangen werden. Es gibt drei grundlegende Unterschiede: Schienenfahrzeuge sind spurgebunden, sie können daher nur an ganz bestimmten Stellen (Bahnhöfe, Ausweichstellen) ihre Spur verlassen um anderen Fahrzeugen auszuweichen. Aufgrund der niedrigeren Rollreibung zwischen Stahlrad und Schiene im Vergleich zu Gummireifen und Straße ist der Bremsweg von Schienenfahrzeugen deutlich verlängert. Die bewegten Massen sind bei Schienenfahrzeugen um ein Vielfaches höher, wodurch der Bremsweg ebenfalls verlängert wird. Aus diesen Gründen ist es für den Zugführer unmöglich zu erkennen, wann beispielsweise ein Bremsmanöver eingeleitet werden muss, um im nächsten Bahnhof punktgenau stehen bleiben zu können, da der Bremsweg meist bis zu 1000m beträgt. Außerdem ist bei einem Schienenfahrzeug das Fahren auf Sicht nicht möglich, was ja eine grundlegende Forderung für eine sichere Fahrt bei einem Straßenfahrzeug ist. Deshalb wird dem Fahrzeugführer durch entsprechende Signale angezeigt, ob und wenn ja, mit welcher Geschwindigkeit der vorausliegende Streckenabschnitt befahren werden darf. Man unterscheidet dabei grob zwei Arten von Signalen. Das Befahren einer freien Strecke bzw. die Einfahrt in einen Bahnhof wird durch das sogenannte Hauptsignal geregelt. Um dem Führer des Schienenfahrzeugs rechtzeitig die Möglichkeit zu geben, seine Fahrgeschwindigkeit zu reduzieren bzw. das Fahrzeug vor dem nächsten Hauptsignal zum Stillstand zu bringen, wird diese Information durch ein Vorsignal angekündigt. Die induktive Zugsicherung dient nun dazu, dass die Nichtbeachtung der Haupt- und Vorsignale durch den Schienenfahrzeugführer nicht zu einer gefährlichen Situation führen kann. Die induktive Zugsicherung stellt durch eine punktförmige Überwachung eine Verbindung zwischen den Streckensignalen und dem Triebfahrzeug her. Da diese Beeinflussung nur an bestimmten Überwachungspunkten erfolgt, wird diese Sicherung auch als „punktförmige Zugbeeinflussung“, kurz PZB bezeichnet. Um diese Kommunikation zwischen Schienenfahrzeug und Signal zu ermöglichen, verwendet man folgendes Übertragungsprinzip: -22- Abb. 21 Dazu sind in Fahrrichtung rechts neben der Schiene Gleismagnete angebracht, die sich in einem nach oben offenen Leichtmetallgehäuse befinden. Aus einem Kondensator und einer Spule mit Eisenkern wird ein sogenannter Schwingkreis aufgebaut, der durch Öffnen oder Schließen eines Kontakts wirksam oder unwirksam ist. Das Schalten geschieht natürlich in Abhängigkeit von der Signalstellung, d.h. nur wenn das Signal etwas anzeigt, ist dieser Schwingkreis aktiv. An den Schienenfahrzeugen ist in der Regel am ersten Drehgestell in Fahrtrichtung rechts ein Fahrzeugmagnet angebracht, der mit Hilfe eines Generators und eines Kondensators ständig elektromagnetische Wellen in den Frequenzen 500, 1000 und 2000 Hz nach unten strahlt. Nähert sich nun ein Triebfahrzeug einem aktiven Gleismagneten, wird durch das elektromagnetische Feld des Fahrzeugmagneten im Gleismagneten eine Spannung induziert. Dabei entzieht der Gleismagnet dem vorbeifahrenden Fahrzeugmagneten Energie, was von einer Überwachungseinrichtung im Führerstand registriert wird. Je nach Signal wird nun eine entsprechende Aktion ausgeführt. Dies kann ein akustisches Warnsignal oder eine automatische Geschwindigkeitsreduzierung sein, im Extremfall auch eine sofortige Notbremsung (z.B. bei Überfahren eines „Halt“-Signals). Damit das System zwischen unterschiedlichen Signalen unterscheiden kann, können die Schwingkreise der Gleismagnete auf drei unterschiedliche Frequenzen eingestellt werden, die dem Fahrzeugmagneten etwas mehr oder etwas weniger Energie entziehen. -23- V. Anmerkung Es erscheint mir am vernünftigsten, wenn der Lehrer die oben beschriebenen Versuche erst am Ende des gelehrten Kapitels „Induktion“ durchführt oder durchführen lässt. Die Erarbeitung der Lerninhalte allein an den Versuchen könnte zu Problemen führen, da die Erklärungen einzelner Versuche ab und zu recht umfangreich sind. Wurden die benötigten Grundlagen bereits gelehrt, so sind die Schüler auch selbständig in der Lage, die verschiedenen auftretenden Effekte während der Versuche zu erklären. Es ist möglich, dass einige beschriebene Versuche nicht durchführbar sind. Wie schon oben erwähnt, schlagen manche Versuche fehl, wenn die verwendeten Spulen auch nur eine defekte Windung aufweisen. Es ist ratsam, sich als Lehrer nicht allzu lange an derartigen Versuchen aufzuhalten. Wenn das ausgewählte Experiment nicht funktioniert, so sollte der Lehrer eventuell auf einen ähnlichen Versuch ausweichen. Zwei Versuche möchte ich besonders herausheben: „Versuch zur Lenzschen Regel“ und „Die Thomsonsche Ringkanone“. Beide Versuche sind recht einfach durchzuführen und bieten ein spektakuläres Erlebnis für die Schüler. Beide Versuche sollten im Physikunterricht nicht fehlen. Damit sicher gegangen werden kann, das die verwendeten Geräte keinen Schaden nehmen, ist darauf zu achten, das der Aufbau sämtlicher Versuche noch einmal kontrolliert wird. Die Zusatzinformationen sind in diesem Protokoll zwar sehr zahlreich, doch weichen sie ab und zu vom Thema ab. Es bleibt hierbei dem Lehrer überlassen, inwieweit er auf diese Zusatzinformationen näher eingeht. Dennoch stellen sie eine nützliche Ergänzung dar, da auf diese Art und Weise Alltagserfahrungen in den Unterricht mit einfließen. Mit der Thematik „Magnetische Induktion“ haben im Grunde alle Zusatzinformationen zu tun, wenn auch nur am Rande. VI. Literatur Verwendete Bücher: - „Basiswissen 3“ (Jaros, Nussbaumer, Kunze) - „Physik 3“ (Sexl, Raab und Co.) - Schulversuchspraktikummappe: „Experimente zur Schulphysik“ (M. Bernhard) - „Physik – Elektrizitätslehre“ – Kraker (E. Dorner) - „Physik“ (Tipler) -24- Internetlinks: Die Informationen zu folgenden Themen wurden den angeführten Links entnommen. Disketten- und Festplattenaufbau: http://www.ms-net.ch/pctechnik/magspeicher.htm http://www.iee.et.tu-dresden.de/~kc-club/05/BOOK02/0502-09.HTML Funktionsweise von Mikrophonen: http://www.waldorf-am-see.de/projekte/musik/musik.htm#mikro Der FI-Schutzschalter: http://www.vis-technik.bayern.de/de/left/fachinformationen/praevention/sicherheitstechnik/fischalter.htm Folien: Basiswissen 3 Folienmappe aus dem Schulversuchspraktikum Abbildungsverzeichnis: „Physik – Elektrizitätslehre“ – Kraker: Abbildung: 3 „Basiswissen 3“ – Jaros, Nussbaumer, Kunze: Abbildung: 12 Schulversuchspraktikummappe: „Experimente zur Schulphysik“ – M. Bernhard: Abbildung: 6, 7, 8, 13, 14, 15 Internetlink: http://www.physik.uni-muenchen.de/didaktik/U_materialien/leifiphysik/ web_ph10/ grundwissen/06_sicherung/fi_automat.htm Abbildung: 18 Internetlink: http://www.ms-net.ch/pctechnik/magspeicher.htm Abbildung: 20 Internetlink: http://www.indusi.de Abbildung: 21 Selbstgemachte Abbildungen: 1, 2, 4, 5, 9a, 9b, 10, 11, 16a, 16b, 17a, 17b -25- Folien -26- -27- -28- -29- -30-
