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Schulversuchspraktikum

2. Protokoll

Induktion(Oberstufe)

Dana Eva Ernst 9955579

Linz, am 3.11.2002

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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

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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

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II. Grundlagen2.1. Das Induktionsgesetz

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 lässt sich folgender

Zusammenhang herleiten:

Das Induktionsgesetz:

tNU ind

Abb. 1

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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.

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.

Abb. 2

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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:

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

Abb. 3

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Versuchsaufbau:

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:

BvQF

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.

Abb. 4

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Versuchsaufbau:

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:

Hinweis: Am Amperemeter wird ein Messbereich von 0,001 A eingestellt.

Abb. 5

Abb. 6

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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:

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.

Abb. 7

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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:

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.

Abb. 8

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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:

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

Abb. 9bAbb. 9a

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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:

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!!!

Abb. 10

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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:

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. 11

Abb. 12

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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:

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.

Abb. 13

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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:

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

Abb. 14

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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:

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).

Abb. 15

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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. 16bAbb. 16a

Abb. 17bAbb. 17a

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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 FI-

Schutzschalter 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

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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.

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

Abb. 18b: Geht jedoch auf Grund einer Fehler-

quelle ein Teil des durch den Außenleiter zuge-

führten Stroms nicht durch den Nulleiter, sondern

durch den Schutzleiter (oder irgendwie anders)

zurück, so überwiegt der Außenleiterstrom im

Elektromagnet und er zieht das am Kippschalter

verfestigt Eisenstück an und unterbricht dadurch den

Stromkreis.

Abb. 18a: Sowohl der Außenleiter (rot) als auch

der Nullleiter (blau) sind mit gleicher Wicklungs-

zahl über eine als Elektromagnet wirkende Spule

gewickelt. Im Normalbetrieb verläuft der Strom

im Außenleiter und im Nulleiter gegenläufig mit

gleicher Stromstärke, so dass sich die magneti-

schen Wirkungen beider Wicklungen genau

aufheben.

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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 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.

Abb. 19

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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:

Hinweis: Alle weiteren Ausführungen zu diesem Thema sind zu kompliziert und speziell, dass

darauf nicht weiter eingegangen wird.

Abb. 20

-22-

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:

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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.

Abb. 21

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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)

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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/fi-

schalter.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

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Folien

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