LKPh 12.2 _ ZIRKELPRAKTIKUM INDUKTION: WIRBELSTRÖME__
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ZIRKELPRAKTIKUM zum Thema: INDUKTION / WIRBELSTRÖME Arbeitszeit: 90 min Arbeitsform: 2er- oder 3er-Teams STATION 1: Wirbelströme 1. Grundlagen/Fragen zum Stoff Arbeiten Sie gemeinsam in Ihrem Lehrbuch das Kapitel „Wirbelströme in Metallen“ (Seite 64) durch. Sie finden hierzu natürlich auch im Internet vielfältige Webseiten. Klären Sie miteinander: a) Wie kommt es zu den Wirbelströmen ? - In welchen Stoffen treten sie auf ? - Wie fließen sie ? b) Wirbelströme werden technisch für Abbremsvorgänge und zum Kochen genutzt, dies sollen sie im folgenden auch experimentell untersuchen. Arbeiten Sie die entsprechenden Kapitel durch ! c) Wo sind Wirbelströme erwünscht, wo stören sie, wo kann ihr Einfluss gefährlich sein ? Dokumentieren Sie Ihre Recherchen auf geeignete Weise (Skizzen, Texte, ...) in Ihrem Heft. 2. Durchführung der Experimente a) Benutzen Sie gemäß Abb.1 einen U-Kern mit zwei Spulen (600 Windungen). Legen Sie diese über einen Tippschalter an die Stromquelle, beachten Sie die gleichsinnige Polung der beiden Spulen. Regeln Sie den Erregerstrom auf volle zulässige Stärke ein. (Vorsicht: prüfen Sie, ob die Spulen nicht zu warm werden !). Nehmen sie die im Vordergrund abgebildete Aluminiumplatte und schieben sie diese im Spalt zwischen den Eisenjochen hin und her. Schließen Sie dabei immer wieder für einige Zeit den Tippschalter. Abb.1 • Welche Wirkung verspüren Sie ? b) Fügen Sie das Modell einer Wirbelstrombremsanlage für Eisenbahnräder zusammen. Benutzen Sie hierzu die im Hintergrund abgebildete schwarze Aluminiumscheibe. Achten Sie darauf, dass die Radscheibe sich ganz innerhalb des Spaltes frei drehen kann. Die Scheibe ist kugelgelagert und lässt sich leicht und schnell „anwerfen“. Abhängig von der Stärke des Erregerstroms muss die Bremsung der Radscheibe schwächer oder stärker erfolgen. Untersuchen Sie dieses Phänomen ausgiebig. c) Das obige Bremsprinzip nutzen Straßenbahnen in „linearer“ Ausführung (Abb.2): ein Elektromagnet befindet sich zwischen den Achsen des Drehgestells knapp über der Schiene. Wird der Erregerstrom eingeschaltet, entstehen Wirbelströme in der Schiene, die zu einer Bremsung des bewegten Magneten und damit der Straßenbahn führen. Abb.2: Straßenbahnschienenbremse -2- Sie können dies simulieren, indem Sie die Fallbewegung eines starken ringförmigen Permanentmagneten über verschiedenen Metallstäben beobachten (Abb.3). • Erklären Sie das unterschiedliche Bremsverhalten bei den verschiedenen Stabmaterialien ! c) Legen Sie Wechselspannung (2,5 A, 50 Hz) an eine Spule (500 Windungen). Stecken Sie den Temperaturmessfühler eines Digitalthermometers in die Bohrung eines massiven Eisenkerns. Notieren Sie die Anfangstemperatur des Eisenkerns. Lassen Sie den Erregerstrom mindestens 5 min lang fließen und notieren Sie dann die angezeigte Endtemperatur. Abb.3 Temperaturfühler 25°C 3. Ausblick und Diskussion Arbeiten Sie gemeinsam den Zeitungsartikel „Von der Feuerstelle zum modernen Kochherd“ (im Anhang) durch. (Sie werden sicher auch im Internet Inhalte zum Thema „Kochen mittels Induktion“ finden.) Klären Sie gemeinsam: Spule a) Welche Felder sind notwendig, um eine ausreichend starke Erwärmung fürs Kochen zu erzielen ? b) Wie sind Kochplatte und Topf aufgebaut ? c) Welche Richtung haben die Feldlinien sowie die Wirbelströme ? d) Worin bestehen die Vor- bzw. Nachteile des Induktionskochens ? © Armin Stuirbrink, Horb ZIPRA1.DOC ZIRKELPRAKTIKUM zum Thema: INDUKTION / WIRBELSTRÖME Arbeitszeit: 90 min Arbeitsform: 2er- oder 3er-Teams STATION 2: Bändchenmikrofon 1. Grundlagen/Fragen zum Stoff Arbeiten Sie im Lehrbuch das Funktionsprinzip eines „Bändchenmikrofons“ gemeinsam durch (Seite 59). Sie finden auch im Internet nach Eingabe des o.g. Suchbegriffs vielfältige Materialien hierzu. Klären Sie: a) Welche Aufgabe hat das „Bändchen“ ? b) Nach welchem Prinzip werden Schallschwingungen zu elektrischen Schwingungen umgeformt ? c) Wie kommt es zur „Richtcharakteristik“ des Mikrofons ? 2. Aufbau der Anordnung Bauen Sie das Modell eines Bändchenmikrofons zusammen: Sie benötigen einen Hufeisenmagneten mit zwei zusätzlichen Eisenjochen, welche den Feld-bereich etwas verbreitern. Weiterhin brauchen Sie ein Aluminiumband sowie ein Anzeigeinstrument für den mV-Bereich. Halten Sie sich möglichst genau an die Aufbauskizze des Lehrbuches oder an Abb.1. Das Bändchen muss gut gespannt sein und guten Kontakt (!) zu den Anschlusskabeln haben. Es darf die Magnetschenkel nicht berühren ! Ziel dieses Versuchsteils ist es, ein deutliches Spannungssignal am Anzeigeinstrument zu beobachten, wenn Sie gegen das Bändchen blasen oder es leicht berühren. Optimieren Sie hierzu die Justierung aller Bauteile. Abb.1 3. Übertragung von Signalen a) Schließen Sie anstatt des Anzeigeinstruments nun einen Niederfrequenzverstärker (Lehrer!) am Ausgang des Instrumentverstärkers an. Stellen Sie einen kleinen Lautsprecher vor das Bändchen und geben Sie mit dem Frequenzgenerator einen Ton mit etwa 100 Hz darauf. Nach Einschalten des Niederfrequenzverstärkers sollten Sie den Ton in dessen Lautsprecher hören. Testen Sie den Empfang auch durch Blasen gegen das Bändchen. b) Prüfen Sie die Richtcharakteristik: gibt man den Ton mehr von der Seite her auf das Bändchen, müsste der Ton im großen Lautsprecher deutlich schwächer zu hören sein. c) Untersuchen Sie, ob Sie mit Ihrem Mikrofonmodell auch Sprachschwingungen übertragen können. Ziel ist es, nach Abschluss Ihrer Arbeiten dem Lehrer ein funktionsfähiges Modell der Mikrofonübertragung vorzuführen ! Erstellen Sie eine geeignete Dokumentation Ihrer Arbeit in Ihrem Heft oder Ordner einschließlich notwendiger Skizzen oder Bilder. (Im Internet finden Sie interessante bebilderte Seiten zur Geschichte dieses Mikrofontyps !). © Armin Stuirbrink, Horb ZIPRA2.DOC ZIRKELPRAKTIKUM zum Thema: INDUKTION / WIRBELSTRÖME Arbeitszeit: 90 min Arbeitsform: 2er- oder 3er-Teams STATION 3: Frequenzsiebkette 1. Grundlagen/Fragen zum Stoff Ûges Bekanntlich eilt an einer idealen Spule (R = 0 Ω) die Spannung (Ursache) der Stromstärke (Wirkung) um 90° voraus. Dies beschreibt man durch rotierende Zeiger. An einem Kondensator ist dies gerade umgekehrt: hier hinkt die Spannung (Wirkung) der Aufladestromstärke (Ursache) um 90° hinterher, Ursache und Wirkung sind bei diesem Bauteil vertauscht. Weil am Ohmschen Widerstand Strom und Spannung phasengleich sind, ergibt sich bei Hintereinanderschaltung aller drei Bauteile also das in Abb.1 dargestellte Zeigerbild. ÛL ÛR Û C Die Zusammenhänge lassen sich leicht vektoriell addieren: Abb.1 Û2ges 2 ÛR (ÛL ÛC ) 2 Ersetzt man alle Spannungen durch Û R Î bzw. Û X Î , erhält man daraus nach Division durch Î 2 eine Beziehung für den Gesamtwiderstand der Schaltung: R 2ges R 2 ( XL X C ) 2 bzw. R ges R 2 ( XL X C ) 2 (*) 2. Aufbau der Anordnung Sie benötigen eine Spule mit 800 Wdg. und Eisenkern, einen Kondensator mit C = 10 μF und einen Ohmschen Messwiderstand von R = 12 Ω. • Bauen Sie damit die rechts abgebildete Schaltung (Abb.2) zusammen. Zeigen Sie sie dem Lehrer. • Zeichnen Sie ein sauberes Schaltbild für diese Anordnung ins Heft. • Schalten Sie die Geräte ein und wählen Sie eine Wechselspannung von 40 Hz und Û = 10 V. • Stellen Sie die Sinuslinien von Spannung und Stromstärke am Oszilloskop geeignet ein. Abb.2 3. Messungen a) Beginnen Sie bei f = 40 Hz und erhöhen Sie dann die Frequenz der Wechselspannung in geeigneten Schritten bis etwa 400 Hz. Benutzen Sie eine Messtabelle, in der Sie (wie in der Schule gezeigt) f, U, I und Rges = U/I eintragen. -2- -2b) Geben Sie die Messpaare f – Rges in Ihren GTR ein und zeichnen Sie ein Diagramm. Übertragen Sie das Diagramm auch ins Heft. c) Erklären Sie das Kurvenextremum mithilfe der Beziehung (*) aus Kapitel 1. Bestimmen Sie aus dem Diagramm die Frequenz f0 , bei der dieses Extremum liegt. Berechnen Sie mithilfe von (*) und dieser Frequenz f0 den unbekannten Wert für die Eigeninduktivität L der verwendeten Spule. d) Die gezeigte Anordnung kann man auch dazu verwenden, um eine ganz bestimmte Frequenz f0 besonders gut auszusieben. Verändern Sie den Kondensatorwert (z.B. auf 100 μF) und versuchen Sie, mithilfe des Oszilloskops die neue Siebfrequenz f0* zu finden ! © Armin Stuirbrink, Horb ZIPRA3.DOC
