Elektromagnetismus Neues Skript

KRG NW, Physik Klasse 10, Elektrostatik, Fachlehrer Stahl
Seite 1
Experiment: Der Ørsted-Versuch (1)
Versuchsziel:
Der Zusammenhang zwischen Elektrizität und Magnetismus wird
deutlich.
Versuchsaufbau/zubehör:
Versuchsdurchführung:
Versuchserklärung:
Fließt ein Strom durch den Leiter, stellt sich die Kompassnadel senkrecht
zum Leiter ein.
Der von Strom durchflossene elektrische Leiter ist von einem Magnetfeld
umgeben, an dem sich die Kompassnadel orientiert.
Welche Form hat das
Magnetfeld?
Versuchsergebnis:
Anmerkung:
Ein stromdurchflossener Leiter ist von kreisförmigen geschlossenen
magnetischen Feldlinien umgeben.
Anders als beim Permanentmagneten beginnen diese Feldlinien nicht
(vereinbarungsgemäß) beim Nordpol eines Magneten und sie enden nicht
an dessen Südpol, sondern sie haben weder Anfang noch Ende.
Strom fließt
Strom fließt
aus der Zeichenebene heraus
in die Zeichenebene hinein
(Pfeilspitze von vorne gesehen) (Pfeilspitze von hinten gesehen)
Es genügen maximal 10 V Gleichspannung, doch fließt ein großer
Kurzschlussstrom, so dass rasch die Sicherung der elektrischen Quelle
anspricht!
Der Leiter sollte in O-W-Richtung, keinesfalls in N-S-Richtung aufgebaut
werden!
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Seite 2
Das Magnetfeld
agnetfeld gerader stromdurchflossener Leiter:
Rechte-Hand-Regel
Umfasst man
den geraden, stromdurchflossenen Leiter so mit der
rechten Hand,
dass der abgespreizte Daumen
in die technische Stromrichtung
von + nach - weist,
so zeigen die gekrümmten Finger
die Richtung der magnetischen Feldlinien
an.
Das Magnetfeld paralleler Leiter
Versuchsziel:
Die Wirkung zweier paralleler gerader stromdurchflossener Leiter
aufeinander wird untersucht.
Versuchsaufbau:
Versuchsdurchführung:
Versuchserklärung:
Versuchsergebnis:
Erklärung zu 1.
Fließt der Strom durch beide Leiter in gleicher Richtung (Abb.
links), ziehen sich die Leiter an.
Fließt der Strom durch beide Leiter in entgegengesetzter Richtung
(Abb. rechts), stoßen sich die Leiter ab.
Die Magnetfelder der beiden Leiter überlagern einander und
verstärken bzw. schwächen sich insbesondere im Bereich zwischen
den Leitern.
1. Sind zwei Leiter in gleicher Richtung von Strom durchflossen, so
schwächen sich die Magnetfelder zwischen ihnen gegenseitig ab;
die Leiter ziehen also einander an.
2. Sind zwei Leiter in entgegengesetzter Richtung von Strom
durchflossen, so verstärken sich die Magnetfelder zwischen ihnen;
die Leiter stoßen also einander ab.
Zunächst seien die Felder der beiden Leiter unabhängig voneinander
betrachtet. Man erkennt, dass die Feldlinien zwischen den Leitern in
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entgegengesetzter Richtung verlaufen, wenn diese in gleicher Richtung
stromdurchflossen sind
.
Zwischen den Leitern kommt es daher zu einer Schwächung bzw. gar
Aufhebung dieser Feldlinien, die sich nicht überschneiden dürfen.
In Folge dieser veränderten Form der Feldlinien kommt es zu einer
anziehenden Kraft zwischen den Leitern.
Anmerkung:
Erklärung zu 2.
Die Feldlinien kann man sich wie Gummibänder vorstellen, die sich
zusammen ziehen.
Außerdem hilft die Vorstellung, dass Feldlinien eine gleichmäßige
Verteilung (Dichte) anstreben. Da sie wegen der gegenläufigen Richtung
zwischen den Leitern ‚ausgedünnt’ wurden, wird durch
Zusammenziehen der Leiter in diesem Bereich wieder eine
‚Verdichtung’ erreicht.
Wieder betrachten wir die Felder der beiden Leiter unabhängig
voneinander.
Man erkennt, dass die Feldlinien zwischen den Leitern in gleicher
Richtung verlaufen, wenn diese in entgegengesetzter Richtung
stromdurchflossen sind.
Zwischen den Leitern kommt es daher zu einer Verstärkung bzw.
Verdichtung dieser Feldlinien, die sich nicht überschneiden dürfen.
In Folge dieser veränderten Form der Feldlinien kommt es zu einer
abstoßenden Kraft zwischen den Leitern.
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Definition der Stromstärke
Zur Information
Seite 4
Aktuelle Definition im Gesetz über Einheiten im
Messwesen:
Üben zwei parallele, im Abstand von 1 m aufgehängte,
gerade Leiter unendlicher Länge mit vernachlässigbar
kleinem kreisförmigen Querschnitt im Vakuum
aufeinander eine Kraft von 2·10-7 N je Meter
Info:aus,
Die Realisierung
der Ampere-Definition
Definition
Leiterlänge
so fließt in ihnen
der Strom
1 A.
Eine praktische Umsetzung der Formulierung der Definition
ist selbstverständlich nicht direkt möglich.
Formelmäßig ergibt sich::
F
l
=
µ0 I1 I2
2π d
Darin ist l die Länge der Leiter, µ0 die magnetische
Feldkonstante, I1 und I2 die Stromstärke im jeweiligen Leiter
und d der Abstand der beiden Leiter.
An Stelle der unendlich langen Leiter benutzt man zwei koaxiale Kreisringe, so dass
das Verhältnis des Produktes der Stromstärken I1 · I2 zur Kraft F aus den
geometrischen Abmessungen
Abmessun
und µ0 herleitbar bleibt.
Mit der abgebildeten Stromwaage von Driscoll und Cutkosky wird über das
magnetische Moment ein Massenvergleich hergestellt.
Bei dieser Versuchsanordnung liegt die Messunsicherheit bei etwa 6 · 10-6 A. Diese
wird im wesentlichen
wesentlichen durch die Wägung und die geometrische Vermessung der
Spulen verursacht.
Eine sehr genaue Beschreibung findet sich in dem Buch von Detlef Kamke und Klaus
Krämer: Physikalische Grundlagen der Maßeinheiten, Stuttgart (Teubner) 1977, S.95
ff., dem auch die nebenstehende,
nebenstehende, leicht vereinfachte Abbildung entnommen ist.
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Das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule (1)
(1) Eine Spule besteht aus mehreren Leitern nebeneinander, deren jeweiligen Felder
zunächst unabhängig voneinander betrachtet werden.
(2) Die Überlagerung der einzelnen Felder führt zu dem folgenden Feldlinienbild:
Das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule (2)
(3)
An die Spulenenden gebrachte Kompassnadeln stellen sich wie folgt ein:
(4) Die Spule wirkt also so, als ob sich an ihren Enden Magnetpole befänden, und zwar
auf der einen Seite ein Südpol und auf der anderen Seite ein Nordpol.
S
N
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Seite 6
Experiment:
Das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule
Versuchsziel:
Das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule wird experimentell
bestätigt.
Versuchsaufbau:
Versuchsdurchführung:
Man legt einen Stabmagneten auf einen Wagen, den man in die Nähe einer
Spule bringt.
Fließt Strom durch die Spule, wird der Wagen je nach Stromrichtung auf
die Spule zu- oder von dieser wegfahren.
Versuchserklärung: Die Spule ist bei Stromfluss von einem Magnetfeld umgeben.
Dabei baut sie an ihren Enden – in Abhängigkeit von der Stromrichtung –
jeweils einen Nordpol und einen Südpol auf.
Liegt dem Wagen – wie oben abgebildet – ein Nordpol der Spule
gegenüber, wird der Wagen sich von der Spule entfernen.
Liegt dem Wagen aber in der obigen Situation ein Südpol der Spule
gegenüber, wird er sich der Spul annähern.
Versuchsergebnis:
Eine stromdurchflossene Spule verhält sich mit ihren Ende wie die Pole
eines Magneten.
Anmerkung:
Der Weicheisenkern ist eingeschoben, um das Magnetfeld der Spule
hinreichend stark zu machen.
Umfasst man die Windungen einer
stromdurchflossenen Spule so mit der
rechten Hand, dass die gekrümmten Finger
in die technische Stromrichtung zeigen (von
+ nach -), so zeigt der abgespreizte Daumen
zum Nordpol der Spule
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Seite 7
Experiment: Leiterschaukelversuch
Versuchsziel:
Durch den Leiterschaukelversuch wird die Lorentzkraft eingeführt.
Versuch:
+
Versuchsdurchführung:
Eine Leiterschaukel wird zwischen die Schenkel eines
Hufeisenmagneten gebracht.
Bei Stromfluss wird sie in Abhängigkeit von der Stromrichtung in
den Hufeisenmagneten hinein- oder aber aus diesem heraus bewegt.
Versuchserklärung:
Um den stromdurchflossenen Leiter baut sich ein kreisförmiges
Magnetfeld auf.
Dieses wird überlagert vom Magnetfeld des Hufeisenmagneten.
Während sich auf der einen Seite der Leiterschaukel die Felder
gegenseitig schwächen, verstärken sich die Felder auf der anderen
Seite der Leiterschaukel.
Die Leiterschaukel wird daher zu der Seite hin bewegt, auf der sich
die Felder schwächen.
Dieser Vorgang wird als Kraft auf die Elektronen in der
Leiterschaukel beschrieben und nach ihrem Entdecker Lorentzkraft
genannt.
Versuchsergebnis:
Auf Ladungen, die in einem Magnetfeld bewegt werden, wirkt eine
Kraft, die sowohl senkrecht zur Richtung des Magnetfeldes als auch
senkrecht zur Richtung des Stroms orientiert ist (Lorentzkraft).
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Seite 8
Die UVW- Regel
Was geschah im Jahr…
1675
Nach einem Blitzeinschlag kehrt ein Schiff, das von England nach
Südamerika unterwegs ist, plötzlich um.
Die Ursache ist bald gefunden: Durch den Blitz waren alle
Schiffskompasse umgekehrt worden: die Kompassnadeln haben ihre
Magnetpole vertauscht
Etwa zur gleichen Zeit gibt es einen Bericht, „dass ein Blitz, welcher
in die Werkstatt eines Schuhmachers in Schwaben einschlug, dort alle
Werkzeuge so stark magnetisierte, das der arme Handwerker sie nicht
mehr gebrauchen konnte. Er hatte fortwährend damit zu schaffen,
seinen Hammer seine Zange, sein Messer von Nägeln, Nadeln und
Pfriemen zu befreien, welche sich auf dem Werktisch daran hingen.“
(Quelle unbekannt)
1820
Ørsted entdeckt während einer Vorlesung zufällig den Zusammenhang
zwischen Elektrizität und Magnetismus, den Elektromagnetismus.
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Wie funktioniert eine Automatik-Sicherung?
An Stelle der früher
üblichen Schmelzsicherungen
verwendet man AutomatikSicherungen. Diese haben den
Vorteil, immer wieder
verwendet werden zu können,
auch wenn sie angesprochen
haben.
Abb. aus:
Impulse, Physik 1, 1993, S.73
handelsübliche
20 A - Einbausicherung
Prinzipieller Aufbau einer AutomatikSicherung
Ausschaltknopf
Einschaltknopf
Halterung
Eisenplättchen
Elektromagnet
Kontaktstelle
Bimetallstreifen
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Seite 10
Der Strom fließt in einer Automatik-Sicherung durch eine Spule, die als Elektromagnet wirkt.
Wird die zulässige Stromstärke überschritten, wird das Eisenplättchen gegen die
Rückstellkraft der Feder zur Spule hingezogen.
Die Halterung wird dadurch so bewegt, dass der Bimetallstreifen zur Seite bewegt wird.
Der Bügel unter dem Einschaltknopf wird durch die Feder nach oben gezogen. Der
Einschaltknopf springt heraus, und an der Kontaktstelle wird der Stromfluss unterbrochen.
Neben dieser elektromagnetischen Sicherung gibt es eine thermische Sicherung in Form des
Bimetallstreifens.
Diese ist wichtig, weil bei einer geringfügigen, aber dauerhaften Überschreitung der
zulässigen Stromstärke der Elektromagnet möglicherweise nicht anspricht, durch die
Erwärmung aber der Bimetallstreifen an der Kontaktstelle den Stromfluss unterbricht.
Hat die Sicherung einmal angesprochen, versetzt man sie wieder in ihren Funktionszustand,
indem man den Einschaltknopf eindrückt.
Gegebenenfalls muss man ein wenig warten, bis der Bimetallstreifen wieder abgekühlt ist.
Durch Drücken des Ausschaltknopfes kann der Stromfluss zu jedem beliebigen Zeitpunkt
unterbrochen
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Seite 11
Wie funktioniert ein Relais?
Universal-Relais
von Fleischmann
Der Sinn eines Relais besteht in der Regel darin, einen – beispielsweise mit großen Stromstärken
verbundenen – Stromkreis mit ‚wenig Aufwand’, d.h. durch einen anderen, weitaus geringer
dimensionierten Stromkreis zu schalten.
Bei den Relais sind drei Typen zu unterscheiden:
Ausschaltrelais
Beim Ausschaltrelais
wird ein geschlossener
Stromkreis geöffnet,
indem beim Betätigen
des Schalters im RelaisSchaltkreis der Anker
einer Spule magnetisch
wird. Der Kontaktbügel
im zu schaltenden
Stromkreis wird
angezogen und der
Stromfluss so
unterbrochen.
Einschaltrelais
Beim Einschaltrelais
wird auf entsprechende
Weise dadurch, dass der
Kontaktbügel angezogen
wird, ein Stromkreis
geschlossen.
Umschaltrelais
Beim Umschaltrelais
wird durch die
Veränderung des
Kontaktbügels jeweils
ein Stromkreis geöffnet,
während ein anderer
geschlossen wird.
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Experiment: Grundversuch zur Induktion
Versuchsziel:
Die Umkehrung des Leiterschaukelversuchs zum Grundversuch zur
Induktion ist durchzuführen.
Versuchsaufbau/zubehör:
Versuchsdurchführung:
In Umkehrung des Leiterschaukelversuchs wird diese nicht von
Strom durchflossen und dann im Magnetfeld ausgelenkt, sondern in
ihr wird nach Auslenkung im Magnetfeld eine Spannung induziert.
Versuchserklärung:
Die Elektronen in der Leiterschaukel erfahren eine Lorentzkraft.
Denn diese wirkt bei einer Relativbewegung von Ladung und
Magnetfeld zueinander, unabhängig davon, welches von beiden
bewegt wird.
Wird eine Leiterschaukel im Magnetfeld bewegt, so wird in ihr eine
Spannung induziert.
Versuchsergebnis:
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Induktionsgesetz
Materialien:
1 Universalmessgerät
4 Kabel
1 Stabmagnet
3 Spulen (400, 800, 1600 Windungen)
Versuchsaufbau und -durchführung:
durchführung:
1.
Problem: Muss der Magnet oder die Spule bewegt werden?
Bewege mit jeweils gleicher Geschwindigkeit
1.1 den Magneten in die Spule hinein,
1.2 die Spule über den Magneten!
2.
Problem: Ist die Richtung, in der der Stabmagnet
Stabmagn
bewegt wird, von Bedeutung?
Bewege mit jeweils gleicher Geschwindigkeit
2.1
2.2
2.3
2.4
den N-Pol
Pol des Stabmagneten in die Spule hinein,
den N-Pol
Pol des Stabmagneten aus der Spule heraus,
den S-Pol
Pol des Stabmagneten in die Spule hinein,
den S-Pol des Stabmagneten
magneten aus der Spule heraus!
3.
Problem: Kommt es auf die Geschwindigkeit der Relativbewegung an?
3.1 Bewege den Stabmagneten schnell in die Spule hinein!
3.2 Bewege den Stabmagneten langsam in die Spule hinein!
4.
Problem: Ist die Windungszahl der Spule von Bedeutung?
Bewege den Stabmagneten mit jeweils gleicher
Geschwindigkeit und dem gleichen Pol (z.B. NN
Pol)
4.1
4.2
4.3
4.4
in die Spule mit 400 Windungen hinein,
in die Spule mit 800 Windungen hinein,
in die Spule mit 1600 Windungen hinein!
Weshalb sind
nd die drei Spulen bei diesem
Versuch in Reihe geschaltet und nicht
einzeln angeschlossen?
Ergebnis:
Bewegen sich ein Leiter und ein Magnetfeld relativ, aber nicht parallel
paral zueinander,
dann wird im Leiter eine Spannung induziert.
indu
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Ursache der Induktionsspannung
Induktionsspannung sind Lorentzkräfte, die an den mit dem Leiter
relativ zum Magnetfeld
bewegten Ladungen angreifen.
Die Induktionsspannung in einer Spule
ist der Windungszahl
Win
proportional.
Sie ist ferner um so größer,
je schneller die Änderung der Gesamtzahl
Ge
der durch die Spule hindurchtretenden
hin
magnetischen Feldlinien ist.
Experiment: Thomsonscher Ringversuch mit Stabmagnet
Versuchsziel:
Die Lenzsche Regel soll aus dem Experiment ermittelt werden.
Versuchsaufbau/zubehör:
Versuchsdurchführung: Der Stabmagnet wird mit der Hand kräftig in den bifilar
aufgehängten Ring gestoßen. Dieser zieht sich daraufhin zurück.
Zieht man die Hand mit dem in den Ring gehaltenen
Stabmagneten rasch aus diesem heraus, folgt der Ring.
Versuchserklärung:
Mit dem
Stabmagneten
nähert man dem
Ring ein sich
änderndes
Magnetfeld.
Dieser versucht
dessen Aufbau zu verhindern, indem er seinerseits ein
entgegengesetzt gerichtetes Feld aufbaut. So kommt es zur
Abstoßung, da sich gleiche Pole gegenüberliegen.
gegenüberliegen.
Im Ring wird dazu eine Spannung induziert, die wegen des
Kurzschlusses einen Strom in der oben dargestellten Richtung
fließen lässt. Auf diesen lässt sich zur Ermittlung der Richtung des
so erzeugten Manetfeldes die bekannte Regel für eine
stromdurchflossene Spule anwenden.
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Zieht man den Stabmagneten aus dem Ring, kehren sich die oben
beschriebenen Verhältnisse um. Der Ring baut – mittels
Induktionsspannung und daraus resultierendem Strom – ein
Magnetfeld auf, das dem entfernten gleichgerichtet ist: er versucht,
dessen Verschwinden – gemäß der Lenzschen Regel – durch
Erzeugen eines gleichgerichteten Feldes zu verhindern.
Versuchsergebnis:
Der Ring versucht, die Änderung des durch den Stabmagneten
erzeugten, sich bei Bewegung aber ändernden Magnetfeldes zu
verhindern.
Zusammenfassung Thomsonscher Ringversuch
Bewegt man den Stabmagneten in den Ring hinein, wird in diesem ein Strom
induziert.
Dieser ist so gerichtet, dass er ein Magnetfeld aufbaut, das dem sich
nähernden Magnetfeld des Stabmagneten entgegen wirkt, dessen Aufbau also
zu verhindern sucht.
Bewegt man den Stabmagneten aus dem Ring heraus, wird in diesem ein
Strom induziert.
Dieser ist so gerichtet, dass er ein Magnetfeld aufbaut, das dem sich
entfernenden Magnetfeld des Stabmagneten gleich gerichtet ist, dessen Abbau
also zu verhindern sucht.