Physikalisches Schulversuchspraktikum: Magnetismus
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Physikalisches Schulversuchspraktikum: Magnetismus 7. Klasse 24. und 31. 10. 2002 Gerhild Gabath 9802524 Abgabetermin: 7. 11. 2002 INHALTSVERZEICHNIS 1) Unterrichteter Stoff 2) Vorwissen 3) Lernziele 4) Lerninhalt des Themas 5) Versuche 6) Quellenverzeichnis 2 1) Unterrichteter Stoff Magnetismus kommt gemäß dem Lehrplan in der zweiten und vierten Klasse (sechste bzw. achte Schulstufe) vor und in der Oberstufe wird dieses Thema sowohl im Gymnasium, als auch im Realgymnasium in der siebenten Klasse (elfte Schulstufe) durchgenommen. Als Einstieg in das Kapitel Magnetismus eignet sich ein historischer Abriß über die Herkunft von Magnetit und dessen Verwendungen. Seine Fähigkeit, Eisen anzuziehen, war schon im Altertum bekannt, außerdem wurde er schon früh von chinesischen Seefahrern als Kompaß benutzt. An dieser Stelle ist es passend, den Magnetnadelkompaß zu zeigen. So kann auch das Magnetfeld der Erde thematisiert werden, der Bogen kann weitergespannt werden zur gegenseitigen Abhängigkeit von Elektrizität und Magnetismus. Es werden die Begriffe Magnetfeld, Feldlinie und Flußdichte eingeführt, welche anhand von Eisenfeilspänen in der Umgebung eines Magneten veranschaulicht werden. Weiters wird die Wirkung von Magnetfeldern auf Ströme betrachtet und im Zuge dessen kommt auch die Lorentzkraft und die Dreifingerregel der rechten Hand vor, Strom, Magnetfeld und Kraft stehen normal aufeinander. Die Lorentzkraft ist dabei das Produkt von der Länge des Leiters im Magnetfeld, vom Magnetfeld und von der Stromstärke (F = I.B.l). Zu diesem Unterkapitel gehören, die Leiterschaukel und das Drehspulinstrument. Eventuell kann man darauf verweisen, daß Lautsprecher und Elektromotor auf dem gleichen Prinzip beruhen. Anhand des Versuchs von Oersted wird ersichtlich, daß Ströme Magnetfelder hervorrufen. Die geraden Leiter sind von kreisförmigen Feldlinien umgeben. Aus den vorangegangenen Erfahrungen läßt sich zusammenfassen, daß Ströme Magnetfelder erzeugen und Magnetfelder Kräfte auf Ströme ausüben. Es bleibt noch zu untersuchen, ob nun auch Ströme aufeinander Kräfte ausüben. Besonders gut erkennbar wird dies in dem Versuch mit zwei Leiterschaukeln: bei parallelen Strömen ziehen sich die Leiter an, bei antiparallelen Strömen stoßen sie sich ab. Folglich wird auch die Stärke eines Magnetfeldes eines geraden Leiters berechnet (B = (I0)/(2r) ). Mit dieser Grundlage kann man anschließend die Felder von kreisförmigen Leitern betrachten, was zum Magnetfeld einer Spule führt, welches sich nach folgender Formel betragsweise berechnen läßt: B = 0 I.N/l., wobei N die Anzahl der Windungen ist und l die Länge der Spule. Als Ursache für Permanentmagneten werden sogenannte atomare Kreisströme angeführt, welche natürlich ein Magnetfeld verursachen. Befindet sich ein Eisenkern in einer solchen Spule, so spricht man von einem Elektromagneten. Das Magnetfeld der Spule wird durch den Eisenkern verstärkt, was wiederum durch die atomaren Kreisströme erklärt wird, welche sich durch das Magnetfeld parallel zu demselben ausrichten und somit das vorhandene Feld verstärken. In diesem Zusammenhang muß auch der Begriff Ferromagnetismus erläutert werden. Die atomaren Kreisströme der Eisenatome sind durch Wärmebewegung normalerweise ungeordnet, was ihre Richtung betrifft, daher gibt es kein Magnetfeld. Es gibt allerdings Bereiche (Weiss’sche Bezirke), in denen diese Kreisströme gleich ausgerichtet sind. Legt man dann ein Magnetfeld an, vergrößern sich diese Bereiche, bis eine komplette Magnetisierung erreicht wird. Diese „Änderung der Ausrichtung“ der Weiss’schen Bezirke wird im Barkhausen – Effekt – Versuch „hörbar“ gemacht. Dies geschieht dadurch, daß die durch das Umklappen der Weiss’schen Bezirke verursachten Induktionsströme im Lautsprecher Knacken und Rauschen verursachen. Bei einer Erwärmung ûber eine materialabhängige Temperatur (Curietemperatur) ist diese Ordnung nicht mehr möglich. 3 Curietemperatur für verschiedene Metalle: Eisen Kobalt Nickel 768 ° C 1075 ° C 360 ° C Magnetnadelmodell der Weiss’schen Bezirke: Abbildung 1 Im Zuge dessen kann der Begriff der Induktion eingeführt werden. Spannung wird hervorgerufen (induziert), wenn sich der magnetische Fluß durch eine Leiterschleife ändert, egal ob der Leiter ruht und sich das Magnetfeld bewegt oder ob der Magnet ruht und der Leiter bewegt wird. ( Uind = - d/ dt). Der magnetische Fluß durch eine Fläche A ist das Produkt von der Fläche A, vom Magnetfeld und vom Cosinus des Winkels zwischen A und der Normalen auf die Feldlinien ( = ABcos). Ebenfalls wird die Lenz’sche Regel angeführt, welche besagt, daß der induzierte Strom seiner Ursache entgegenwirkt. Als Versuch zur Induktion kann die Hysteresis gemacht werden, der Begriff magnetischer Fluß ist bekannt, es muß nur die Unterscheidung zwischen magnetischer Feldstärke und magnetischem Fluß erfolgen. Es bleiben noch die Begriffe paramagnetisch und diamagnetisch zu klären. Dazu verwendet man das Modell der atomaren Kreisströme, die in diesem Fall die Elektronen sind. Diamagnetismus kommt vor, wenn sich die Magnetfelder, die von den elementaren Kreisströmen hervorgerufen werden, in den abgeschlossenen Elektronenschalen kompensieren. Wird ein äußeres Magnetfeld eingeschaltet, so induziert das zusätzliche Ströme, die ihrer Ursache entgegenwirken und somit das Feld schwächen. Die Permeabilität von diamagnetischen Stoffen liegt zwischen 0,9998 und 1, sie werden aus dem Magnetfeld gedrängt. Bei Paramagnetismus verhalten sich die Elektronen in den nicht abgeschlossenen Schalen wegen ihres Spins wie Elementarmagnete. Ihre Richtungen sind ungeordnet auf Grund der thermischen Bewegung. Wird nun ein äußeres Magnetfeld angelegt, so erhalten diese Elementarmagnete eine bestimmte Ausrichtung und das Magnetfeld wird verstärkt. Die Permeabilität liegt zwischen 1 und 1,004, sie werden ins Magnetfeld hineingezogen. Als Zusatzinformation kann man Auskunft über diverse Anwendungen geben, so beispielsweise daß die Induktion bei der Datenübertragung eine wesentliche Rolle spielt. Paradebeispiel hierfür sind Schreib – Lese – Köpfe bei Magnetbändern bzw. Magnetplatten. Diese Köpfe bestehen aus ringförmigen Elektromagneten mit einem schmalen Luftspalt, an 4 dem das Magnetband vorbeiläuft. Das Signal wird mit einem Signalwandler (z. B. Mikrophon) in Wechselstrom umgewandelt, der der Spule zugeführt wird. Das dadurch entstehende Magnetfeld magnetisiert die Eisenoxidschicht des Bandes. Bei der Wiedergabe induziert das wechselnde Magnetfeld in der Spule eine Wechselspannung, die verstärkt und dann durch den Lautsprecher wahrgenommen wird. Prinzip der Speicherung von Daten auf Magnetband: Abbildung 2 2. Vorwissen Aus der Mathematik ist kein spezielles Vorwissen nötig, hilfreich ist eventuell eine Wiederholung des Kreuzprodukts und seiner Bedeutung, um der „Dreifinger – Regel“ einen wissenschaftlichen Hintergrund zu geben. Auch die Winkelfunktionen sind bereits seit der sechsten Klasse bekannt und die Differentialrechnung (Induktionsgesetz) sollte soweit bereits bekannt sein. Notwendig ist Wissen ûber elektrische Felder, dies erleichtert das Verständnis von den Begriffen Magnetfeld und Feldlinien. Da in den Schulbûchern das elektrische Feld das vorangehende Kapitel vor dem Magnetismus ist, kann man wohl davon ausgehen, daß die Schûler bereits ausreichende Kenntnis diesbezûglich besitzen. Weiters kann es nûtzlich sein, einige der Versuche aus der Unterstufe zu wiederholen, um die Ergebnisse und Erkenntnisse in Erinnerung zu rufen. Die Begriffe der Pole sind hinreichend bekannt aus der vierten Klasse, auch die Wechselwirkung zwischen Magnetfeldern und Strömen. Das Wissen darûber soll nun vertieft und ergänzt werden, d.h. es erfolgen exaktere Begriffsdefinitionen und es wird eine mathematische Beschreibung gewisser Sachverhalte versucht. 5 3. Lernziele Zuerst soll eine konkretere Vorstellung vom Begriff „Feld“ gewonnen werden, was die Feldlinien ûber Richtung und Stärke eines Feldes aussagen und wie einige gewisse Felder von bestimmten Magneten oder Leitern aussehen. Besonderer Wert ist darauf zu legen, daß der gegenseitige Einfluß von Strom auf Magnetfeld beziehungsweise umgekehrt deutlich wird, da dieser die Grundlage der Induktion und somit auch der Elektrotechnik ist (z. B. Elektromotor). Weiters soll bewußt werden, daß die Erde selbst ein großer Magnet ist und ihr Magnetfeld den Menschen mittels Hilfsgegenständen (Magnetnadel) und auch Tieren (Tauben) zur Orientierung dient. 4. Lerninhalt des Themas Die Schüler sollen lernen, wie ein Magnetfeld aussieht und wie es darstellbar ist und daß Stärke und Richtung dabei durch die Dicke und die Richtung der Feldlinien sichtbar gemacht werden können. Magnetfelder haben eine Wirkung auf Ströme, folglich auch auf stromdurchflossene Leiter, die in einem Magnetfeld die Lorentzkraft erfahren (F = IsB). Weiters werden magnetische Felder von Strömen verursacht, woraus eine Wechselwirkung zwischen Strömen entsteht. Dabei ziehen sich Leiter mit parallelen Strömen an, jene mit antiparallelen Strömen stoßen sich ab. Es sollte auch erlernt werden, wie das Magnetfeld eines langen, geraden Leiters aussieht: Die Richtung der Feldlinien wird durch die Rechts – Schraubenregel bestimmt und der Betrag des Feldes ergibt sich aus der in Kapitel 1 bereits erwähnten Formel. Die Kenntnis ûber Kreisströme ist Grundlage fûr das Verständnis des Prinzips eines Elektromagneten, da das Feld einer Spule ansonsten nur schwer vorstellbar ist. Die Erklärung der elementaren Ursache von Magnetismus ist ein weiterer wichtiger Punkt. Diese erfolgt durch die sogenannten atomaren Kreisströme, deren Umgebung das gleiche Magnetfeld hat wie eine kleine Magnetnadel. Auch der Begriff der Weiss’schen Bezirke gehört zu den Lerninhalten, diese sind Gebiete, in denen die atomaren Kreisströme die gleiche Ausrichtung haben. Sind alle jene Bezirke gleich ausgerichtet – wie im Eisenkern in einer stromdurchflossenen Spule – so wird das Magnetfeld verstärkt. Ist eine gewisse Temperatur (Curietemperatur) ûberschritten worden, so ist diese einheitliche Ausrichtung nicht mehr möglich, es entsteht wieder Unordnung. Ebenso ist die Induktion Teil dieses Kapitels, das Induktionsgesetz und die Lenz’sche Regel sollen verstanden werden, da sie gemeinsam mit dem Elektromagneten die wesentliche Grundlage der gesamten Elektrotechnik bilden. 6 5. Versuche Magnetkompaß: Eine Magnetnadel, deren eine Hälfte weiß und die andere Hälfte blau ist, ist drehbar auf einem Stift gelagert. Das Erdmagnetfeld dient dazu, herauszufinden, welches der beiden Nadelenden der Südpol und welches der Nordpol ist. Es hat sich gezeigt, daß der weiße Teil der Nordpol und der blaue Teil der Südpol ist. Es ist dabei darauf zu achten, daß der geographische Nordpol der magnetische Südpol ist und umgekehrt. Dieser Versuch dauert nur wenige Augenblicke, maximal ein bis zwei Minuten. Feldlinienbilder: Dazu benötigt man Eisenfeilspäne, verschiedene Magneten (in diesem Fall ein Stabmagnet und ein Hufeisenmagnet) und eine Glasplatte. Man legt den Magneten unter die Glasplatte und streut dann möglichst gleichmäßig die Eisenfeilspäne darüber, dabei zeigt sich gleich die Abbildung der Feldlinien. Das Ergebnis wird auf den beiden folgenden Abbildungen sichtbar: Abbildung 3 Abbildung 4 7 Um die Späne gleichmäßig zu verteilen eignet sich ein alter Salzstreuer gut. Es ist darauf zu achten, daß die Magneten und die Späne nicht in direkten Kontakt zueinander kommen, da sich diese nur recht mühsam wieder von den Magneten entfernen lassen. Um den am Tisch verursachten Schmutz wieder loszuwerden, verwendet man am besten einen Magneten, der sich in einem Plastiksäckchen befindet, um die losen Späne wieder zu sammeln. Es ist außerdem empfehlenswert, vorher das Verteilen der Späne auszuprobieren, da es gar nicht so einfach ist, diese gleichmäßig zu verstreuen. Beherrscht man das Verteilen der Späne einigermaßen, so benötigt dieser Versuch keinerlei Vorbereitung, abgesehen vom Herbeiholen der benötigten Gegenstände. Auch die Durchführung erfolgt recht rasch und durch das Platzieren am Overhead – Projektor sind die Ergebnisse umgehend fûr alle beobachtbar. Insgesamt kann man fûr drei bis vier verschiedene Feldlinienbilder mit etwa 5 bis 6 Minuten rechnen, wobei die Beseitigung der Späne nicht in diese Zeit hineinfällt. Oersted – Versuch: An zwei isolierten Haltestangen wird ein Stûck Kupferdraht befestigt, durch den man Gleichstrom mit einer Stärke von 10 Ampere fließen läßt. Unter den stromdurchflossenen Draht wird ein Magnetnadelkompaß auf einem Fuß gestellt. Die Magnetnadel wird durch das Magnetfeld des leitenden Kupferdrahtes aus seiner ursprûnglichen Richtung abgelenkt. Die Richtung der Ablenkung hängt von der Stromrichtung ab und die Stärke der Ablenkung hängt von der Stromstärke ab, d.h. Stromstärke und – richtung beeinflussen das Magnetfeld um den Leiter. Die Ablenkung der Nadel erfolgt nach der Rechte – Hand – Regel. Wichtig ist dabei, den Draht in Nord – Sûd – Richtung zu spannen. Ansonsten kann es passieren, daß Magnetnadel und Draht ohnehin schon normal aufeinander stehen und somit keine Ablenkung der Nadel mehr möglich ist. Dieser Versuch ist schnell aufgebaut, da nicht viele Utensilien benötigt werden und der Kupferdraht schnell gespannt ist, und auch der Versuch selbst nimmt nicht sehr viel Zeit in Anspruch, weshalb die Gesamtzeit bei ca. 6 bis 8 Minuten liegt. Schematischer Aufbau: Abbildung 5 Stromdurchflossener Leiter im Magnetfeld – Leiterschaukel: Es wird ein Hufeisenmagnet benötigt, weiters eine Leiterschaukel, die an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen wird. Die Stromstärke soll bis zu 10 Ampere betragen und veränderbar sein. Der Hufeisenmagnet wird aufgestellt, die Leiterschaukel an einem Stativ befestigt, sodaß ihr Querstûck zwischen Nord – und Sûdpol des Magneten hängt, wenn kein Strom fließt. Im konkreten Fall befand sich der Sûdpol des Hufeisenmagneten oben, der Nordpol unten. Beim Einschalten des Stromes wurde die Leiterschaukel aus dem 8 Hufeisenmagneten hinausgedrückt, umso stärker je größer die Stromstärke ist. Wird der Magnet umgedreht, also Nordpol oben und Südpol unten, so wird der Leiter hineingezogen. Der Versuch zeigt, daß im Magnetfeld eine Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter wirkt und dieser deshalb eine Bewegung ausführt. Abbildung 6 Abbildung 7 Der Versuch ist recht problemlos durchführbar, wenn die Leiterschaukel höhenverstellbar befestigt ist, da es so einfacher ist, sie in der Mitte des Hufeisenmagneten zu platzieren. Es ist empfehlenswert zuvor auszuprobieren, bei welcher Stromrichtung der Leiter in den Magneten hineingezogen beziehungsweise hinausgestoßen wird. Aus eben diesem Grund dauern der Aufbau und die Vorbereitung des Versuch etwa 6 bis 7 Minuten, die Dauer des Versuchs selbst liegt bei ungefähr fünf Minuten, wenn man bei beiden Lagen des Hufeisenmagneten jeweils beide Stromrichtungen betrachtet. 9 Kräfte zwischen stromdurchflossenen Leitern ( 2 Leiterschaukeln): Hier werden zwei Leiterschaukeln benötigt, die an zwei Haltestangen befestigt werden. Die Enden der Leiterschaukeln sollen sich in gleicher Höhe befinden, sind die beiden nicht gleich lang, so muß die längere der beiden eben weiter oben befestigt werden als die andere. Die beiden Leiterschaukeln werden auf einen ungefähren Abstand von 1 cm angenähert. (Stromquelle wie beim vorigen Versuch). Einmal beobachtet man die Reaktion der Leiterschaukeln, wenn sie von parallel fließenden Strömen durchflossen werden, das andere Mal, wenn die Ströme antiparallel gerichtet sind. Es zeigt sich, daß sich die Leiterstücke gegenseitig anziehen, wenn die Ströme parallel sind und daß sie sich abstoßen, wenn die Ströme in die entgegengesetzte Richtung fließen. Abbildung 8 Anstatt der beiden Leiterschaukeln könnte man auch zwei leitende Drähte nebeneinander befestigen, die wiederum einmal von parallelen und einmal von antiparallelen Strömen durchflossen werden (siehe Abbildung). Bei diesem Versuch ist es wichtig, daß die beiden stromdurchflossenen Leiter nicht zu weit voneinander entfernt sind, da sonst die magnetische Anziehung beziehungsweise Abstoßung zu gering ist und kein Effekt beobachtbar ist. Aus demselben Grund ist eine entsprechende Stromstärke ( ungefähr 10 Ampere) notwendig, da die Stärke des Magnetfeldes ja der Stromstärke proportional ist. Die Dauer des Versuchs beträgt schätzungsweise drei Minuten, der Aufbau ist etwas heikel, da die oben erwähnten Details beachtet werden müssen, und braucht unter Umständen bis zu 10 Minuten, da die Befestigung der Leiterschaukeln und deren Verkabelung etwas aufwendiger ist. 10 Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule: Abbildung 9 Um das Magnetfeld einer Spule nachzuweisen und zu veranschaulichen, kann man eine auf einem durchsichtigen Kunststoffuntergrund befestigte Spule verwenden, da diese sehr gut für die Darstellung via Overhead – Projektor geeignet ist. Fließt nun Strom durch die Spule, so zeigt das Auftragen von Eisenfeilspänen, daß ein Magnetfeld vorhanden ist und wie dieses verteilt ist. Es ist erkennbar, daß die Feldlinien innerhalb der Spule parallel verlaufen und relativ dicht sind, während sie außerhalb der Spule schwächer sind und daß das gesamte Feldlinien sehr gut mit dem eines Stabmagneten vergleichbar ist. Hier ist es unproblematisch, wenn die Späne in direkten Kontakt mit der Spule kommen, da diese ihre magnetische Wirkung verliert, sobald kein Strom mehr fließt und sich die Späne dann leicht wieder entfernen lassen. Die Dauer des Versuchs liegt bei ca. einer Minute. Drehspulinstrument: Man verwendet ein Modell – Instrument, das auf einen Overhead – Projektor gelegt werden kann. Die Gleichspannung beträgt 10 Volt, ein verstellbarer Widerstand von maximal 110 Ohm wird in Serie geschaltet und die Stromstärke darf den Wert von 0,3 Ampere nicht ûberschreiten, da das Modellinstrument sonst Schaden nehmen kann. Die Stromquelle wird eingeschaltet und die Stromstärke mittels des verstellbaren Widerstandes langsam erhöht, bis das Modellinstrument seinen maximalen Ausschlag erreicht (ohne dabei die 0,3 A zu ûberschreiten). Danach wird die Stromstärke wieder vermindert. Im Anschluß daran wird der Versuch auf die gleiche Weise wiederholt, allerdings wird die Stromrichtung verändert. In dem Modellinstrument befindet sich eine drehbar gelagerte Spule. Wird diese von Gleichstrom durchflossen, so dreht sie sich. Die Achse der Spule liegt parallel zu den Feldlinien eines Permanentmagneten. Das Drehspulinstrument nutzt das magnetische Feld einer stromdurchflossenen Spule zur Messung der Stromstärke. Es wird beim Versuch beobachtet, daß der Auslenkwinkel mit wachsender Stromstärke größer wird und die Richtung der Drehung von der Stromrichtung abhängt. Grund fûr diese Drehung ist die Wechselwirkung zwischen den Polen des Permanentmagneten und denen der stromdurchflossenen Spule. 11 Schematischer Versuchsaufbau: Abbildung 10 Bevor man das Modellinstrument in den Stromkreis hängt, ist es ratsam die maximale Stromstärke mit einem Amperemeter zu messen, um einer eventuellen Überlastung vorzubeugen. Da man das Modellinstrument auf den Overhead – Projektor legen kann, ist der Versuch fûr die ganze Klasse gut sichtbar, egal wie groß die Klasse ist. Der Versuch selbst dauert insgesamt (d.h. mit beiden Stromrichtungen) in etwa 1 – 2 Minuten, Aufbau und Vorbereitung (Messen der Stromstärke) sind nicht aufwendig und benötigen in etwa 5 oder 6 Minuten. Abbildung 11 12 Abbildung 12 Barkhauseneffekt: Man benötigt eine Spule mit 10 000 Windungen, einen ca. 50 cm langen Weicheisendraht, einen Verstärker, einen Lautsprecher, einen Empfindlichkeitsregler und einen Stabmagneten. Später wird auch eine Stromquelle benötigt, an die der Draht angeschlossen wird. Der Weicheisendraht wird durch den Innenraum der Spule gespannt, an seinen beiden Enden ist er an isolierten Haltestangen befestigt. Die Enden der Spule sind mit dem Verstärker verbunden, am niederohmigen Ausgang des Verstärkers (4 Ohm) wird der Lautsprecher angeschlossen. Man nimmt den Stabmagneten und hält abwechselnd den Nordpol und den Südpol zum Weicheisendraht, ohne diesen zu berühren. Man wiederholt das Ganze danach, wenn der Draht an die Stromquelle angeschlossen ist und somit erhitzt wird. Man sollte ein Knacken oder Rauschen im Lautsprecher hören, da die Annäherung des Stabmagneten ein Umklappen der Weiss’schen Bezirke im Draht bewirkt und dieses wiederum Induktionsströme verursacht, welche durch den Verstärker verstärkt werden und dann im Lautsprecher jenes Knacken verursachen. Wird der Weicheisendraht nun aber erwärmt, so ist nichts mehr zu hören, sobald die Curietemperatur ûberschritten worden ist. Die von der thermischen Bewegung verursachte Unordnung der atomaren Kreisströme läßt sich durch das Magnetfeld des Stabmagneten nun nicht mehr beeinflussen. 13 Schematischer Versuchsaufbau: Abbildung 13 Leider gelang es uns nicht, diese Ergebnisse selbst zu betrachten, da die Drähte, die wir verwendet haben nicht stark genug magnetisierbar waren. Am besten geeignet ist hierfür eine Klaviersaite, bei anderen Materialien ist der Versuch eher riskant, da es durchaus wahrscheinlich ist, daß dann nichts hörbar wird. Folglich ist es nötig, diesen Versuch auf jeden Fall im Vorhinein auszuprobieren, um zu überprüfen, ob der gewählte Draht auch wirklich geeignet ist. Dadurch beträgt die Vorbereitungszeit in etwa genau so lange wie die Versuchszeit selbst, welche ungefähr bei insgesamt zehn Minuten liegt. Zum Aufbau benötigt man ca. 5 bis 6 Minuten. Es ist auch darauf zu achten, daß die Verstärkung groß genug ist, da es ansonsten schwierig werden kann, daß alle Schüler in einer großen Klasse das Geräusch wirklich hören. 14 Hysteresis: Benötigt werden zwei verstellbare Widerstände (320 Ohm und 4200 Ohm), eine Spule mit 250 Windungen, eine Spule mit 500 Windungen, die beide auf einen Eisenkern gesteckt werden, eine Spannungsquelle, ein Kondensator von 10 F und ein Oszillograph. Der Aufbau erfolgt gemäß dem angeführten Schaltbild. Abbildung 14 In horizontaler Richtung wird der Elektronenstrahl des Oszillographen proportional zur magnetischen Feldstärke H der Spule mit 250 Windungen abgelenkt, in vertikaler Richtung proportional zur magnetischen Kraftflußdichte B des Eisenkerns. Der Spannungsabfall am kleineren Widerstand, der vom Spulenstrom durchflossen wird, ist proportional zu H. Der verstellbare Widerstand wird mit dem X – Eingang des Oszilloskops verbunden und es wird eine gûnstige Ablenkspannung durch Verändern des Widerstandes ermittelt. Eine zur Kraftflußdichte B oder zum Kraftfluß proportionale Ablenkspannung erhält man, indem man auf den Eisenkern die zweite Spule mit 500 Windungen steckt. Dort entsteht eine Induktionsspannung, die zur zeitlichen Ableitung von proportional ist und die in einer Reihenschaltung aus Widerstand und Kondensator integriert wird. Der Spannungsabfall am Kondensator wird mit dem Y – Eingang des Oszilloskops verbunden. Als Ergebnis des Versuchs erhält man am Bildschirm des Oszilloskops ein Bild, das der folgenden Abbildung ähnlich ist. Aus Zeitmangel war es leider nicht mehr möglich, das Schirmbild des Oszilloskops zu fotografieren. Der Aufbau des Versuchs ist ziemlich kompliziert und sollte auf jeden Fall einmal kontrolliert werden, da es leicht möglich ist, sich bei der Umsetzung des Schaltplans zu irren. Folglich ist der Aufbau auch relativ zeitaufwendig und beläuft sich inklusive Kontrolle und eventueller Korrekturen auf etwa 10 bis 15 Minuten, da auch sehr viele Utensilien benötigt werden. Auf den Versuch selbst entfallen ungefähr 5 Minuten. Ein kleines Problem stellt in großen Klassen die Sichtbarkeit des Schirmbildes dar, da der Bildschirm des Oszilloskops ziemlich klein ist. 15 Erzeugung von Wachsbildern: Im Rahmen der Wiederholung der Feldlinienbilder diverser Permanentmagneten und stromdurchflossener Leiter bietet sich bei genügend zu Verfügung stehender Unterrichtszeit die Möglichkeit, Wachsbilder von Feldlinien anzufertigen. Zwar eignet sich dieses Projekt sehr gut für die Unterstufe, allerdings kann es – sofern eben genug Zeit vorhanden ist – auch in der siebten Klasse den gewöhnlichen Unterricht auflockern. Man benötigt dazu fûr jeden Schûler ein etwa postkartengroßes Kärtchen aus Bristol – Karton, einige Ring – und Stabmagneten, Eisenfeilspäne, Bunsenbrenner zum Erhitzen des Wachses, Pinsel und flûssiges Wachs (erhitzte Kerzenreste). Die Kärtchen werden Vollständig mit Wachs bestrichen und anschließend auf einen Magneten gelegt. Dann werden die Eisenfeilspäne darauf gestreut und das Wachs mit der Flamme des Bunsenbrenners zum Schmelzen gebracht, wodurch die Späne am Kärtchen haften bleiben. 16 6. Quellenverzeichnis M. Bernhard: Experimente zur Schulphysik, Teilgebiet 8 Sexl, Kühnelt, Pflug, Stadler: Physik 3 Jaros, Nussbaumer, Nussbaumer, Kunze: Basiswissen – Physik – compact 3 Abbildungen: - Abbildung 1: Sexl, Kûhnelt, Pflug, Stadler: Physik 3, S 62 Abbildung 2: Sexl, Kûhnelt, Pflug, Stadler: Physik 3, S 70 Abbildung 3 und 4: Schulversuchspraktikum Abbildung 5: Jaros, Nussbaumer, Nussbaumer, Kunze: Basiswissen – Physik – compact 3, S 45 Abbildung 6 und 7: Schulversuchspraktikum Abbildung 8: M. Bernhard: Experimente zur Schulphysik, Teilgebiet 8 Abbildung 9: Sexl, Kûhnelt, Pflug, Stadler: Physik 3, S 61 Abbildung 10: M. Bernhard: Experimente zur Schulphysik, Teilgebiet 8 Abbildung 11 und 12: Schulversuchspraktikum Abbildung 13 und 14: M. Bernhard: Experimente zur Schulphysik, Teilgebiet 8 17
