Das Demonstrationsexperiment - Ubungen im Vortragen

Kraft auf stromdurchflossene Leiterim Magnetfeld / Lorentzkraft

Martin Lobenhofer

10.12.2008

Inhaltsverzeichnis

1 Versuchsbeschreibung 31.1 benotigtes Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2 Versuchsaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.3 Versuchsdurchfuhrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.4 mogliche Aufbau- und Bedienfehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2 Lernvoraussetzungen der Schuler/-innen 5

3 Lernziele dieses Versuchs 53.1 Grobziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.2 Feinziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

4 Ubergeordnetes Unterrichtsthema bzw. ubergeordnete Unterrichtseinheit 6

5 Experimentelle Alternative 6

6 Schulerversuch 6

7 Unterrichtsmethoden 77.1 Unterrichtsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77.2 Sozialform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77.3 Lehr- bzw. Lernform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77.4 Motivations- bzw Einstiegssituation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

8 Sicherung der Lernziele 7

9 Lernzielkontrollen 12

10 Pra- und Misskonzepte 12

1 Versuchsbeschreibung

1.1 benotigtes Material

• 1 Stelltrafo PHYWE regelbar

• 1 H-Fuß

• 2 Stativstangen (1 x 75cm und 1 x 20cm )

• 2 Isolierstutzen (evtl. 1 Verteilerstutze)

• 3 Muffen (1 Doppelmuffe und 2 Kreuzmuffen)

• 1 Leiterschaukel (gerader Leiter, frei schwingend oder Experimentierkabel)

• 3 Experimentierkabel

• 1 Hufeisenmagnet

• 1 Amperemeter (Bereich: 0 bis +10A)

1.2 Versuchsaufbau

Man befestigt die lange Stativstange im H-Fuß. An dieser Stativstange bringt man mittelseiner Doppelmuffe senkrecht zu dieser die kurze Stativstange an. Auf beiden Halften derkurzen Stativstange befestigt man mit Hilfe zweier Kreuzmuffen die beiden Isolierstutzensenkrecht zu dieser Stativstange und parallel zur Unterflache. An den Isolierstutzen wirdnun die Leiterschaukel angebracht, welche sich selbst im inneren Magnetfeld des auf demTisch stehenden Hufeisenmagneten befindet. Anschließend verbindet man die Isolierstutzenmit Hilfe der Experimentierkabel mit dem Gleichstrom-Ausgang der Spannungsquelle, wo-bei ein Amperemeter in Reihe geschaltet wird, um den Schulern wahrend des Versuchs zuverdeutlichen, dass ein Strom fließt.

Abbildung 1: Versuchsaufbau

1.3 Versuchsdurchfuhrung

Bei einem Stromfluss durch die Leiterschaukel, welche an sich nicht ferromagnetisch ist, zeigtdiese im Magnetfeld eine Auslenkung. Zunachst will man dieses Phanomen in Abhangigkeitvon der Stromstarke untersuchen. So wird bei konstantem Magnetfeld mit zunehmenderStromstarke diese Auslenkung großer.Andert man dagegen die Stromrichtung, findet die Auslenkung der Leiterschaukel in entge-gengesetzer Richtung statt.Des Weiteren muss man noch die Abhangigkeit dieses Effektes von der Richtung und derStarke des Magnetfeldes in dem sich die Leiterschaukel befindet beobachten.Eine Moglichkeit ware, bei konstantem Strom, den Hufeisenmagnet der Leiterschaukel an-zunahern (Zwar hat man außerhalb des Hufeisenmagneten kein homogenes Magnetfeld -siehe folgende Abbildung - aber man erreicht durch schrittweises Heranfuhren der Leiter-schaukel Richtung Inneres des Hufeisenmagneten den gleichen Effekt wie bei einer Erhohungder Magnetfeldstarke).

Abbildung 2: Feldlinienverlauf eines Hufeisenmagneten von http://www.sz-waller-ring.de/wring/physik/Magnetfelder/starkerHufeisenmagnet.jpg

Je weiter man die Leiterschaukel in Richtung des Inneren des Hufeisenmagneten bringt, de-sto großer wird die Auslenkung.Da dieses Verfahren fur die meisten Schuler sehr schwer verstandlich ist, kann man stattdes-sen auch Eisenjoche an die Polschuhe des Hufeisenmagneten anbringen, um eine Erhohungder Magnetfeldstarke und somit eine großere Auslenkung der Leiterschaukel zu erreichen.Dreht man nun den Hufeisenmagneten und somit die Richtung des Magnetfeldes um, sobewegt sich die Leiterschaukel in die entgegengesetzte Richtung.Aus den Kombinationen von technischer Stromrichtung und Magnetfeldrichtung und dendabei erfolgten Bewegungsrichtungen der Leiterschaukel lasst sich die UVW-Regel herleiten.Zum Schluss zeigt man noch, dass mit zunehmender Lange des sich im Magnetfeld befind-lichen Leiterstucks (durch

”Schlaufenbildung“ des Experimentierkabels bzw. durch Neben-

einanderstellen zweier Hufeisenmagnete, damit sich ein großerer Teil der Leiterschaukel imhomogenen Magnetfeld befindet) die Auslenkung zunimmt.

1.4 mogliche Aufbau- und Bedienfehler

• Genaue Justierung der Leiterschaukel parallel zur Tischflache, damit Strom-, Magnetfeld-und Kraftrichtung aufeinander senkrecht stehen

• Der Stromfluss sollte nicht zu lange und zu groß sein, da sonst die Moglichkeit einesVersengens der Leiterschaukel besteht.

2 Lernvoraussetzungen der Schuler/-innen

1. Die Schuler sollen wissen, was man unter dem Begriff der”Technischen Stromrichtung“

versteht

2. Die Schuler sollen wissen, dass von einem stromdurchflossener Leiter ein Magnetfelderzeugt, dessen Feldlinien konzentrische Kreise in Ebenen senkrecht zum Leiter sind

3. Die Schuler sollen den Feldlinienverlauf des Magnetfeldes eines Hufeisenmagneten ken-nen

4. Die Schuler sollen Feldrichtungen beschreiben und symbolisch darstellen konnen

5. Die Schuler sollen Kraftpfeile addieren konnen

3 Lernziele dieses Versuchs

3.1 Grobziele

Die Schuler sollen das Experiment”Leiterschaukel“ kennen und wissen, dass auf einen strom-

durchflossenen Leiter im Magnetfeld eine Kraft - die Lorentzkraft - wirkt, deren Richtungsich nach der UVW-Regel bestimmen lasst.

3.2 Feinziele

1. Die Schuler sollen erkennen, dass auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeldeine Kraft wirkt.

2. Die Schuler sollen wissen, dass das durch den Stromfluss gebildete Magnetfeld desLeiterstuckes durch Uberlagerung mit dem Magnetfeld des Hufeisenmagneten eine An-ziehung bzw. eine Abstoßung vom Hufeisenmagneten bewirkt.

3. Die Schuler sollen wissen, dass sich die Richtung der Auslenkung und somit der Kraftumkehrt, wenn die Stromrichtung geandert wird.

4. Die Schuler sollen wissen, dass sich die Große der Auslenkung andert, wenn die Stromstarkeverandert wird.

5. Die Schuler sollen wissen, dass sich die Richtung der Auslenkung und somit der Kraftumkehrt, wenn die Magnefeldrichtung umgekehrt wird.

6. Die Schuler sollen wissen, dass sich die Große der Auslenkung andert, wenn die Ma-gnetfeldstarke verandert wird.

7. Die Schuler sollen wissen, dass sich die Große der Auslenkung andert, wenn die Langedes Leiterstucks, die sich im Magnetfeld befindet, verandert wird.

8. Die Schuler sollen wissen, dass die auslenkende Kraft”Lorentzkraft“ genannt wird.

9. Die Schuler sollen erkennen, dass technische Stromrichtung, Magnetfeldrichtung undKraftrichtung aufeinander senkrecht stehen und ein Rechtssystem bilden.

10. Die Schuler sollen die UVW-Regel kennen.

11. Die Schuler sollen die UVW-Regel anwenden konnen, um Aussagen uber die Bewe-gungsrichtung von stromdurchflossenen Leitern im Magnetfeld treffen zu konnen.

4 Ubergeordnetes Unterrichtsthema bzw. ubergeordnete

Unterrichtseinheit

Das Thema”Kraft auf stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld/ Lorenzkraft“ ist im G8 in

der 9. Klasse im Fach Physik in den Themenschwerpunkt”Elektrische Maschinen“ einzuord-

nen. Das Verstandnis der Lorentzkraft ist Grundlage fur das Verstandnis der Funktionsweisevon verschiedenen Geraten im Alltag, wie z.B. Dynamo, Elektromotor.

5 Experimentelle Alternative

Senkrecht auf zwei stromdurchflossenen parallelen Schienen liegt ein Kupfer bzw. Alurohr.Zwischen den Schienen befinden sich die Schenkel eines Hufeisenmagneten um ein homogenesMagnetfeld zu erzeugen (bzw. Scheibenmagnete um ein annahernd homogenes Magnetfeldzu erzeugen). Mittels eines zwischengeschalteten Schalters, kann man den Stromkreis offnenbzw. schließen. Bei geschlossenem Stromkreis beginnt der Stab auf den stromdurchflossenenSchienen zu rollen. Auch in diesem Experiment kann man wieder die Strom- bzw. Magnet-feldrichtung und somit die Kraftrichtung andern und damit die UVW-Regel herleiten.

Abbildung 3: Alternativversuch von http://www.schule-bw.de/unterricht/faecher/physik/online material/e lehre 1/induktion/rollstab.htm

6 Schulerversuch

Falls genugend Bausatze vorhanden sind, kann man den in der experimentellen Alternativegenannten Versuch auch als Schulerversuch durchfuhren, da trotz des hohen Stromflussesdurch die Leiterschaukel (aufgrund des niedrigen Widerstandes der Leiterschaukel) der Ver-such fur die Schuler aufgrund der niedrigen, angelegten Spannung (mit 4,5 V oder 9 Vmoglich) ungefahrlich ist.Alternativ konnen auch Schuler nach vorne geholt werden, um den Versuch vorzufuhren unddie Ergebnisse an der Tafel festzuhalten.

7 Unterrichtsmethoden

7.1 Unterrichtsverfahren

• Normalverfahren

7.2 Sozialform

• Unterrichtsgesprach bei Demonstrationsexperiment

• Frontalunterricht

• evtl. Schulerdemo

• evtl. Gruppenunterricht bei Schulerversuch

7.3 Lehr- bzw. Lernform

• darbietend

• fragend/erarbeitend

• aufnehmend/nachvollziehend

7.4 Motivations- bzw Einstiegssituation

Zur Motivation wird der obige aufgebaute Versuch”Leiterschaukel“ verwendet. Durch Ein-

schalten des Stromes wird die Leiterschaukel ausgelenkt und damit soll das Interesse derSchuler geweckt werden, diesem Phanomen auf den Grund zu gehen.(Denkbar ware auch eine Motivation uber das Prinzip

”Bewegung aus elektrischem Strom“

mittels el. Eisenbahn, Bohrmaschine etc., allerdings hatte man hier die Schwierigkeit desUbergangs vom Motivationsbeispiel zum Leiterschaukel-Experiment.)

8 Sicherung der Lernziele

Die Sicherung der Lernziele folgt anhand des folgenden Arbeitsblattes (Anstatt dieses Luckentextesware auch denkbar, dass das nachfolgende Arbeitsblatt ohne Luckentext sondern nur mit lee-ren Zeilen ausgeteilt und durch Diktieren ausgefullt wird oder als Hefteintrag aufgeschriebenwird, wobei die Versuchsskizzen als Ausdrucke ausgeteilt werden):

Musterlosung

Kraft auf stromdurchflossene Leiter imMagnetfeld

Auf einen geraden, stromdurchflossenen Leiter wirkt im homogenen Magnetfeld eine Kraft,die senkrecht zum Leiter und senkrecht zum Magnetfeld gerichtet ist. Diese Kraft wirdLorentzkraft genannt. Die Richtung dieser Kraft hangt von der technischen Stromrich-tung und von der Richtung der Magnetfeldlinien ab.

Abbildung 4: Versuchsskizze von http://homepage.mac.com/mwey/sekunda.html

Abbildung 5: Auswertung der Versuchsanordnung

Die Auslenkung kann verandert werden, indem man ...

• die Stromstarke oder

• das Magnetfeld oder

• die Lange des Leiterstucks im Magnetfeld variiert.

Die Richtung der Lorentzkraft lasst sich mit Hilfe der UVW-Regel (oder Drei-Finger-Regel)der rechten Hand bestimmen:

• Ursache fur die Kraftwirkung ist der Strom: Der Daumen zeigt in die technischeStromrichtung (+ nach -)

• Vermittlung ist das Magnetfeld: Der Zeigefinger der rechten Hand zeigt in Magnet-feldrichtung (N nach S).

• Wirkung ist die Kraft auf den stromdurchflossenen Leiter. Der Mittelfinger derrechten Hand gibt die Kraftrichtung an.

Abbildung 6: UVW-Regel von http://leifi.physik.uni-muenchen.de/web ph09 g8/simulationen/02elektromotor/elektromotor l.htm

Schulerversion

Kraft auf stromdurchflossene Leiter imMagnetfeld

Auf einen geraden, stromdurchflossenen Leiter wirkt im homogenen Magnetfeld ....................,die senkrecht zum ..................... und senkrecht zum ............................... gerichtet ist. DieseKraft wird .......................... genannt. Die Richtung dieser Kraft hangt von der ........................................................ und von der Richtung der ........................................................... ab.

Die Auslenkung kann verandert werden, indem man ...

• ................................................................. oder

• ................................................................. oder

• ...........................................................................im Magnetfeld variiert.

Die Richtung der Lorentzkraft lasst sich mit Hilfe der .................................. (oder Drei-Finger-Regel) der rechten Hand bestimmen:

• ..................... fur die Kraftwirkung ist der Strom: Der ..................... zeigt in die tech-nische Stromrichtung (+ nach -)

• ..................... ist das Magnetfeld: Der ..................... der rechten Hand zeigt in Magnet-feldrichtung (N nach S).

• ..................... ist die Kraft auf den stromdurchflossenen Leiter. Der ..................... derrechten Hand gibt die Kraftrichtung an.

9 Lernzielkontrollen

Nach der Durchnahme der Feinziele konnte u.a. mittels folgender Fragen kontrolliert werden,ob die Schuler die einzelnen Feinziele verstanden haben (Auch in der Abfrage sollten dieseFragen enthalten sein):

• Schuler den Aufbau zum Leiterschleifenversuch beschreiben lassen und fragen was pas-siert, wenn der Stromkreis geschlossen wird(FZ 1)

• Warum wird der Metallstab angezogen bzw. abgestoßen? (FZ 2)

• Wie kann man die Starke des Ausschlags verandern? (FZ 3 bis FZ 7)

• Wie nennt man die wirkende Kraft? (FZ 8)

• Wie hangen die vorhandenen Großen miteinander zusammen? (FZ 9)

• Durch welche Regel wird dieser Zusammenhang beschrieben? (FZ 10)

Mogliche Transferaufgabe:

• Anwendung der UVW-Regel auf das Beispiel Gleichstrom-Elektromotor. (FZ 11)

Abbildung 7: http://www.walter-fendt.de/ph11d/elektromotor.htm

10 Pra- und Misskonzepte

• Zwischen Ladungstransport und Magnetfeldern gibt es keine Wechselwirkung

• Strom stoßt Magnetfeld ab

• Missverstandnis der Schuler beim Elektronenmodell bzgl. Strom und Spannung