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19. Elektrizität und Magnetismus – einfache Experimente
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Elektrizität und Magnetismus – einfache Experimente
Dr. Beate Bathe-Peters, Berlin
Elektrische und magnetische Erscheinungen
umgeben uns. Wir nutzen sie vollkommen
selbstverständlich.
In diesem Beitrag erforschen die Schüler
die Grundlagen dieser Erscheinungen. Einfache Experimente verdeutlichen ihnen die
Zusammenhänge.
I/D
Foto: Pixelio
T
H
C
I
S
N
A
R
O
V
Polarlicht
Interessante Anwendungen,
z. B. die Funktionsweise
eines Lautsprechers!
Der Beitrag im Überblick
Klasse: 7/8
Inhalt:
Dauer:
• Alltagsphänomene
5–6 Stunden
Ihr Plus:
üBauanleitung Elektromagnet
üModell magnetischer Datenspeicher
üK
reuzworträtsel als Lernerfolgskontrolle
üS
chülertaugliche Versuche
• Ablenkung bewegter Ladungen
durch ein Magnetfeld
• Rechte-Hand-Regel
• Modell Elementarmagnete
• Magnetische Datenspeicherung
• Elektromagnetismus in der Natur,
z. B. beim Polarlicht
• Das Prinzip des Morsens und eines
Lautsprechers
29 RAAbits Physik November 2012
19. Elektrizität und Magnetismus – einfache Experimente
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Fachliche und didaktisch-methodische Hinweise
Elektrizität und Magnetismus hängen eng zusammen. Die magnetische Wirkung des elektrischen Stroms, aber auch der Einfluss eines Magneten auf den elektrischen Strom erleichtern uns in vielfältigen Anwendungen das tägliche Leben oder erzeugen unbeabsichtigte Störungen. Die Schüler nehmen diese Phänomene als selbstverständlich wahr.
Ablauf
I/D
Die Unterrichtseinheit stellt grundlegende Prinzipien vor. Zunächst erfolgt eine Abgrenzung der Begriffe Elektrizität, Magnetismus und Elektromagnetismus (M 1). Dabei wird
deutlich, dass dies oft nur bedingt möglich ist. Den Einfluss eines Magneten auf bewegte
Ladungen erforschen die Schüler anhand eines einfachen Beispiels (M 3), nämlich eines
PC-Monitors, den die meisten Schüler fest in ihr Freizeitverhalten integriert haben. Die
Schüler sollten zum Verständnis des Experiments grob das Prinzip der Braun’schen Röhre
kennen. Die Richtung der Lorentzkraft wird mit der Rechte-Hand-Regel (als Merkregel FBI)
ermittelt (M 4). Mithilfe einer Modellvorstellung veranschaulichen Sie die Wirkung eines
Elektromagneten (M 5).
Anwendungen wie magnetische Datenspeicher, Elektromagnet, Klingel, die magnetische
Sicherung, das Morsen und der Lautsprecher untersuchen wir anschließend (M 6, M 7,
M 9, M 10). Auch in der Natur spielen magnetische, elektrische und elektromagnetische
Vorgänge eine Rolle (M 8). Das Kreuzworträtsel wiederholt alle relevanten Begriffe (M 11).
T
H
C
Notwendige Vorkenntnisse
I
S
N
Die Schüler kennen die elektrische Ladung, den Magnetismus, einfache Stromkreise und
den Elektromagneten. Basierend auf diesen Kenntnissen, erforschen sie tiefer gehende
Zusammenhänge und begreifen diese anhand einer Vielzahl von Anwendungen.
A
R
O
Bezug zu den Bildungsstandards der Kultusministerkonferenz
Allgemeine
physikalische
Kompetenz
V
Inhaltsbezogene Kompetenzen
Die Schüler ...
Anforderungsbereich
F 1, F 2, E 1, E 2,
K1
… begreifen elektrische, magnetische und elektromagnetische Phänomene (M 1, M 2, M 5, M 8),
I
F 3, E 1–E 3, K 4
... verstehen das Prinzip, auf dem der Elektromagnetismus beruht (M 3, M 4, M 7),
II
F 1–F 5, E 1, E 3,
... verwenden die Modellvorstellung „Elementarmagnete“ (M 5) bzw. bauen Modelle zur
Erklärung und für Anwendungen (magnetischer
Datenspeicher, M 6),
II
… erkennen und beschreiben Zusammenhänge
zwischen elektromagnetischen Phänomenen
und Anwendungen (Morseapparat, Lautsprecher, Natur) (M 8–M 10),
II, III
F 3, F 4, K 1, K 7
... bauen einen Elektromagneten (M 7) und
morsen (M 9),
II, III
F 3, F 4, K 2, K 7
… lösen ein Quiz zum Elektromagnetismus
(M 11).
I–III
E 5, E 7, E 8,
K 1, K 4, K 5
F 1–F 5, E 1, E 3,
E 5, K 3, K 4, K
6, K 7, B 1, B 2
Für welche Kompetenzen und Anforderungsbereiche die Abkürzungen stehen, finden Sie
auf der beiliegenden CD-ROM 29.
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Materialübersicht
· V = Vorbereitungszeit
· D = Durchführungszeit
SV = Schülerversuch
LV = Lehrerversuch
Ab = Arbeitsblatt/Informationsblatt
Fo = Folie
M1
Ab
Elektrizität, Magnetismus und Elektromagnetismus
M2
Fo
Beispiele aus deinem Alltag
M3
Ab, SV
Bewegte Ladungen werden durch ein Magnetfeld abgelenkt
· V: 2 min
· D: 5 min
r
Röhrenmonitor (PC-Monitor)
r
Magnet
M4
Ab
Den Geheimagenten abgeschaut – die FBI-Regel
M5
Ab
Eine Modellvorstellung erklärt das Phänomen
M6
Ab, SV
Die magnetische Datenspeicherung – so funktioniert’s!
· V: 5–10 min
· D: 5 min
r
Blatt Papier
r
Magnet
Ab, SV
Elektromagnet, Klingel und magnetische Sicherung
M7
· V: 5–10 min
· D: 5 min
· V: 10 min
· D: 10 min
r
Feile
r
Blatt Papier
r
Eisenteil (z. B. Nagel)
r
Magnete in verschiedenen Formen
(Hufeisenmagnet, Stabmagnet)
I
S
N
A
R
O
M8
M9
V
T
H
C
r
Eisenfeilspäne
r
Kupferlackdraht (Dicke circa
0,5 mm, Länge circa 8–10 m)
r
Korken
r
Schnur
r
Sandpapier
r
Batterie
r
Eisennägel
r
Büroklammern
Ab
Elektrizität und Magnetismus in der Natur
Ab/SV
55 bedeutet viel Erfolg! – Das Morsealphabet kennenlernen
M 10 Ab/SV
· V: 5 min
· D: 5 min
M 11 LEK
I/D
Laut, lauter – die Funktionsweise eines Lautsprechers
r
z. B. Lautsprecher einer Stereoanlage mit zwei Kontakten
r
4,5-V-Flachbatterie
Teste dein Wissen!
Die Erläuterungen und Lösungen zu den Materialien finden Sie ab Seite 16.
Minimalplan
Wiederholen Sie die Begriffe Elektrizität, Magnetismus und Elektromagnetismus anhand
von M 1. Mit M 3–M 5 erläutern Sie die Grundprinzipien der beobachteten Erscheinungen.
Wählen Sie eine der Anwendungen (M 6–M 10) exemplarisch aus. Lassen Sie die Schüler
diese bearbeiten.
Bitte beachten Sie:
Das Quiz können die Schüler dann nicht vollständig lösen.
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M2
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Beispiele aus deinem Alltag
Glühbirne
Kompass
I/D
Relais
T
H
C
A
R
O
I
S
N
Lautsprecher
Magnetisches Spielzeug
Transformator
Reizstromgerät
PC-Monitor
Magnetisches Werkzeug
Lötkolben
Stromzange
Türklingel
Fotos: Pixelio, G. Schneider
V
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M 4 Den Geheimagenten abgeschaut – die FBI-Regel
Im Versuch auf Material M 3 konntest du beobachten, dass Elektronen (= negative Ladungsträger) durch einen Magneten abgelenkt werden. Kann man vorhersagen, in welche Richtung die Ladung abgelenkt wird? Ja! Hier lernst du eine einfache Regel kennen.
Tipp
Sieh dir die Seite http://www.walter-fendt.de/ph14d/lorentzkraft.htm an.
Das Java-Applet demonstriert, dass das Magnetfeld eines Hufeisenmagneten auf eine
stromdurchflossene Leiterschaukel eine Kraft, die sogenannte Lorentzkraft, ausübt.
Um nun die Wirkung des Magnetfeldes auf die bewegliche Ladung zu beschreiben, nimmt
man seine Hände zu Hilfe.
I/D
Aufgabe
a) Betrachte den Versuch. Überlege dir, in welche Richtung sich die Elektronen bewegen.
Nimm deine rechte Hand zu Hilfe. Die Bewegungsrichtung der Elektronen (= Ursache)
beschreibst du mit deinem Daumen. Versuche, die folgenden Größen zu benennen und
zwei Fingern deiner rechten Hand zuzuordnen. Halte diese zwei Finger so, dass sie die
Richtung der beiden Größen anzeigen:
T
H
C
Ursache (= Grund für das beobachtete Phänomen): Daumen
Vermittlung (= Einfluss, der das Phänomen erzeugt):
I
S
N
Wirkung (= beobachtetes Phänomen bzw. wirkende physikalische Größe):
b) Ändere die Versuchsbedingungen (z. B. Richtung des Stroms bzw. des Magnetfeldes).

Versuche, deine Regel zu bestätigen.
A
R
O
Merke: Die FBI-Regel
V
Beachte bei dieser Regel, dass der Name rückwärts zu lesen ist:
I: Ursache – Strom – Daumen
B: Vermittlung – Magnetfeld – Zeigefinger
F: Wirkung – Kraft – Mittelfinger
Die Kraft, die bewegte Ladungen in einem Magnetfeld
erfahren, heißt Lorentzkraft. Die Lorentzkraft steht
immer senkrecht auf der Richtung, in der sich die
Elektronen bewegen.
Für Experten
Foto: G. Schneider
Wie verändert sich die Lorentzkraft, wenn das
Magnetfeld nicht senkrecht zur Bewegungsrichtung der Elektronen verläuft?
Rechte-Hand-Regel
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Die FBI-Regel – eine Folienvorlage
U
I/D
(I)
T
H
C
I
S
N
V(B)
A
R
O
W(F)
Rechte-Hand-Regel
29 RAAbits Physik November 2012
Foto: G. Schneider
V
19. Elektrizität und Magnetismus – einfache Experimente
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M 7 Elektromagnet, Klingel und magnetische Sicherung
Schülerversuch: Elektromagnet · Vorbereitung: 10 min
Durchführung: 10 min
Materialien
r
Kupferlackdraht (Dicke circa
0,5 mm, Länge circa 8–10 m)
r
Korken
Foto: Bathe-Peters
r
Schnur
r
Sandpapier
r
Batterie
r
Eisennägel
r
Büroklammern
I/D
Material für einen Elektromagneten
Versuchsvorbereitung
Bau einer Spule
T
H
C
1. Wickle den Draht um den Korken, sodass auf jeder Seite einige Zentimeter überstehen.
Du sollst mindestens 200 Windungen erreichen.
2. Ziehe den Draht von dem Korken ab.
I
S
N
Binde die Windungen mit der Schnur an den gegenüberliegenden Seiten fest.
3. Reibe die Drahtenden mit Sandpapier blank, um hier Kontakte zu schaffen.
A
R
O
Versuchsdurchführung: So wird aus der Spule ein Elektromagnet!
a) Verbinde die Kontakte der Spule mit den Polen der Batterie.
b) Nähere die Spule den Büroklammern.
V
c) Lege einen „Eisenkern“ in die Spule. Dazu umwickele z. B. einige Eisennägel mit einem
Stück Draht und platziere diese in der Spule.
Wiederhole den Versuch.
d) Notiere deine Versuchsbeobachtung und dein Versuchsergebnis im Heft.
Vergleiche dein Ergebnis mit dem von Klassenkameraden, die ihre Spule mit mehr oder
weniger Windungen als du gebaut haben.
Aufgabe
a) Wie kannst du mit einem Elektromagneten eine Türklingel
bauen?
Foto: Pixelio
b) Informiere dich, wie eine magnetische Sicherung funktioniert.
Türklingel
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M8
19. Elektrizität und Magnetismus – einfache Experimente
Elektrizität und Magnetismus in der Natur
Wusstest du schon?
1. Sinnesorgane für das Erdmagnetfeld
Menschen haben kein Organ zur Feststellung des Erdmagnetismus.
Es gibt aber durchaus einige Tiere, die dies können. So sind z. B. Zugvögel durch ein
Molekül in der Netzhaut in der Lage, das Magnetfeld der Erde visuell zu erfassen.
Sie orientieren sich also nicht nur am Sonnenstand, den Sternen und der Oberfläche
der Erde, sondern können auch das Erdmagnetfeld für ihre Orientierung verwenden.
Auch Bienen nutzen das Erdmagnetfeld zur Orientierung.
Quelle: http://www.bienenschade.de/Honigbienen/Sprache/Sinnesorgane%20Bienen.htm
2. Das Polarlicht
Am nördlichen Himmel gibt es besonders im Frühjahr und im Herbst beeindruckende
Leuchterscheinungen. Man bezeichnet sie als Polarlicht. Am südlichen Himmel kann
man das Südlicht beobachten. Ströme elektrisch geladener Teilchen, die die Sonne
ständig aussendet, gelangen in das Magnetfeld der Erde. Beim Eindringen in die
Atmosphäre regen die Teilchen Moleküle und Atome zum Leuchten an. In Jahren, in
denen die Sonnenflecken besonders stark ausgeprägt sind, ist das Polarlicht umso
deutlicher zu sehen. Auch auf anderen Planeten kann man diese Leuchterscheinung
beobachten.
T
H
C
I
S
N
A
R
O
V
Bienenschwarm
Fotos: Pixelio
I/D
Polarlicht
Aufgaben
1. Du machst einen Ausflug in unwegsames Gebiet. Zeitweise wirst du dich in Gebieten
befinden, an denen es keinen Weg gibt. Du musst sicherstellen, dass du dich dennoch
zurechtfindest. Elektronische Geräte wie z. B. dein Handy sind auf dem Abenteuerausflug nicht erlaubt.
Was nimmst du mit und wie funktionieren deine Hilfsmittel?
2. a) Finde ein weiteres Tier, das den Erdmagnetismus zur Orientierung nutzt.
Recherchiere dazu im Internet.
b) Was soll der Mensch bei der Erzeugung elektromagnetischer Felder im Zusammenhang mit der Tierwelt beachten?
3. Welche Voraussetzungen muss ein Planet erfüllen, damit man dort Leuchterscheinungen wie das Polarlicht beobachten kann?
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19. Elektrizität und Magnetismus – einfache Experimente
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M 11 Teste dein Wissen!
4
10
3
6
2
1
5
I/D
7
T
H
C
8
I
S
N
9
Begriffe, die gesucht sind:
A
R
O
1. Magnetische Erscheinungen, die im direkten Zusammenhang mit bewegter elektrischer
Ladung stehen.
2. Elektromagnetische Erscheinungen erkennt man an ihren
V
3. Ein
.
lenkt bewegte Ladung ab.
4. Die Vermittlung zur Erzeugung der Lorentzkraft
5. Die Ursache für die Beobachtung einer magnetischen Wirkung kann
einem elektrischen Leiter sein.
in
6. Magnetisierbares Material
7. Ein wesentliches Bauteil einer Klingel, eines Morseapparates oder einer magnetischen
Sicherung
8. Leuchterscheinung am Himmel – hervorgerufen durch geladene Teilchen
9. Wesentliches Bauteil eines Morseapparates
10. Gerät zur Umwandlung elektrischer Schwingungen in akustische Signale
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19. Elektrizität und Magnetismus – einfache Experimente
Erläuterungen und Lösungen
M1
Elektrizität, Magnetismus und Elektromagnetismus
Zu Beginn der Reihe weisen Sie die Schüler unbedingt darauf hin, dass sie die Versuche
nie an der Steckdose durchführen sollen. Die Spannung an einer Steckdose beträgt in
Deutschland 230 Volt, wobei schon Wechselspannungen ab 50 Volt für den Menschen
gefährlich sein können. Erläutern Sie, dass man im Umgang mit Elektrizität vorsichtig
sein muss.
I/D
Elektrizität und Magnetismus sind eng miteinander verknüpft (à Elektromagnetismus).
Die Schüler haben deren Wirkungen schon oft beobachtet, ohne diese systematisch
einordnen zu können. Daher sollen sie zunächst derartige Phänomene benennen und
versuchen, diese zu klassifizieren. Lassen Sie die Schüler, bevor Sie das Material ausgeben,
eigene Beschreibungen bzw. Definitionen zusammentragen. Anschließend besprechen Sie
die Begriffe im Plenum. Die Aufgabe bearbeiten die Schüler in Stillarbeit.
Lösung
Elektrizität: Glühlampe (Licht), Lötkolben (Wärme), Reizstromgerät (physiologische
Wirkung)
T
H
C
Magnetismus: Kompass, magnetisches Spielzeug, magnetischer Schraubendreher
Elektromagnetische Wirkung: Türklingel, Transformator, Lautsprecher
I
S
N
M2
Beispiele aus deinem Alltag
Verwenden Sie die Farbfolie zur Kontrolle der Lösungen von Material M 1. Das Relais,
der PC-Monitor und die Stromzange fehlen auf Material M 1. Diese Geräte ordnen die
schnellen Schüler einer Kategorie zu (Relais, PC-Monitor, Stromzange → elektromagnetische Wirkung).
V
A
R
O
M3
Bewegte Ladungen werden durch ein Magnetfeld abgelenkt
Hier geht es um den Zusammenhang zwischen Elektrizität und Magnetismus. Mit
einem einfachen Versuch verdeutlichen Sie den Schülern den Einfluss eines Magneten
auf bewegte Ladungsträger. Die Schüler müssen dazu allerdings wissen, dass bei einem
Röhrenmonitor das Monitorbild durch bewegte Ladung (Elektronen, die auf einer Leuchtschicht auftreffen) erzeugt wird. Erklären Sie dies gegebenenfalls.
Ergänzend führen Sie den Versuch von Oersted (1777–1851) durch, der zeigt, dass ein
stromdurchflossener Draht eine Magnetnadel ablenkt.
Lösung
1. Versuchsbeobachtung:
Dort, wo der Magnet sehr nahe am Testbild ist, verändert sich die Farbe deutlich.
2. Versuchsergebnis:
Bewegte Ladung wird in der Umgebung eines Magneten abgelenkt. Deshalb treffen die
Ladungsträger (Elektronen) nicht mehr an der vorgesehenen Stelle, dem sogenannten
Bildpunkt, auf die Leuchtschicht auf. Das Bild bzw. die Farbe wird gestört.
3. Eine stromdurchflossene Leitung ist von einem Magnetfeld umgeben. Dieses physikalische Phänomen macht man sich bei der Stromzange zunutze. In den Backen befinden
sich Spulen bzw. Sensoren, die die Messung des Magnetfeldes ermöglichen.
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