Schulversuchspraktikum WS2000/2001 Redl Günther Elektromagnet. 7.Klasse

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1 Schulversuchspraktikum WS2000/2001 Redl Günther Elektromagnet 7.Klasse Inhaltsverzeichnis: 1) Lernziele 2) Verwendete Quellen 3) Versuch nach Oersted 4) Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiter 5) Stromdurchflossener Leiter im Magnetfeld 6) Kräfte zwischen zwei stromdurchflossenen Leitern 7) Feldlinien einer stromdurchflossenen Spule 8) Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule 1

2 1) Lernziele - Wie sieht das Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters aus? - Wovon hängt die Magnetkraft eines stromdurchflossenen Leiters ab? - Wie verhält sich ein stromdurchflossener Leiter im Magnetfeld? - Warum üben zwei stromdurchflossene Leiter eine Kraft aufeinander aus? - Wie sieht das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule aus? - Wovon hängt die Magnetkraft einer Spule ab? Alle Versuche werden in obiger Reihenfolge ausgeführt, wobei diese als Vorbereitung zur magnetischen Induktion notwendig sind. Mit dem Versuch zur Leiterschaukel im Magnetfeld kann auch eine guter Übergang hergestellt werden, wobei dieser dann als Letztes durchgeführt wird. Ich habe die Reihenfolge so gewählt, da der Versuch zur Kraftwirkung zweier stromdurchflossener Leiter sehr schön mit der Lorentzkraft erklärt werden kann. 2) Verwendete Quellen - Basiswissen 3 - Sexl ) Versuch nach Oersted 2

3 Aufbau und Durchführung: Experimente zur Schulphysik, 8.1, M. Bernhard, S Jezik Anstelle der Kupferlitze ein normales langes Experimentierkabel verwenden! Der Versuch soll so aufgestellt werden, dass die Kompassnadel parallel zum Draht ausgerichtet ist. Ist die Kompassnadel senkrecht zum Draht ausgerichtet, bewegt sich die Nadel beim Ein- und Ausschalten des Netzgerätes nicht! Das Netzgerät sollte nur kurz eingeschaltet sein, da der Draht sehr schnell heiß wird und zu Rauchen beginnt! Außerdem muß darauf geachtet werden, dass sich der Draht verformt und dadurch möglicherweise den Kompass berühren kann. Ergebnis: Fließt kein Strom durch den Draht, so ist die Kompassnadel in Richtung Norden (parallel zum Leiter) gerichtet. Wird das Netzgerät eingeschaltet, so fließt Strom durch den Leiter. Dadurch entsteht ein Magnetfeld und die Kompassnadel richtet sich im Magnetfeld des Leiters (also im rechten Winkel zum Leiter ) aus. Erklärung: Oersted stellte 1820 fest, dass der elektrische Strom eine Magnetnadel ablenkt. Die Art der Ablenkung kann durch die "Rechte-Hand-Regel" bestimmt werden. Der elektrische Strom eines Leiters erzeugt ein magnetisches Kraftfeld, dessen kreisförmige Kraftlinien in der Richtung des Stroms gesehen, den Leiter in der Richtung der Uhrzeigerdrehung umlaufen. Die Feldlinien kann man sich wie konzentrische Kreise um den Leiter vorstellen. RECHTE-HAND-REGEL: Zeigt der Daumen der rechten Hand in die technische Stromrichtung (+ nach -), so geben die Finger die Richtung der magnetischen Feldlinien an: 4) Magnetfeld eines Stromdurchflossenen Leiters Aufbau und Durchführung: 3

4 Experimente zur Schulphysik, 8.2, M. Bernhard, S Jezik Ergebnis: Ein von Gleichstrom durchflossener gerader Leiter ist von einem Magnetfeld umgeben, das senkrecht zum Leiter verläuft. Die magnetischen Feldlinien bilden Kreise, die konzentrisch um den Leiter als Mittelpunkt angeordnet sind und auf den Leiter senkrecht stehen. Die Stärke des Magnetfeldes wird auch als magnetische Induktion B bezeichnet, wobei die Richtung der magnetischen Induktion der Richtung der magnetischen Feldlinien entspricht und diese per Definition von Nord nach Süd weisen. Die Stärke des magnetischen Feldes eines stromdurchflossenen Leiters wächst mit der Stromstärke I und sinkt mit der Entfernung r vom Leiter: µ 0 I B =. 2. π r 5) Stromdurchflossener Leiter im Magnetfeld Aufbau und Durchführung: 4

5 - Stativmaterial - Kleinspannungstrafo - Experimentierkabel - Hufeisenmagnet - Leiterschaukel Der Aufbau erfolgt wie in obiger Abbildung. Die Leiterschleife hängt frei zwischen den Polen des Hufeisenmagneten. Dann stellt man eine hohe Spannung ein (20 V) unten schließt den Stromkreis. Dann ändert man die Stromrichtung und dreht auch noch den Magneten um. Ergebnis: Nach Schließen des Stromkreises wird die Leiterschaukel in den Magneten gezogen (siehe Bild). Auf den Magneten wirkt anscheinend eine Kraft. Bei Umpolung des Stromes wurde die Leiterschaukel nach aussen abgelenkt und nach Umdrehen des Magneten, d.h. bei Umdrehen des Nord und Südpols änderte sich auch wieder die Richtung der Kraft nach innen. 5

6 Erklärung: Bewegt sich ein geladenes Teilchen der Ladung Q mit der Geschwindigkeit v durch ein Magnetfeld der Stärke B, so wirkt auf das Teilchen eine Kraft F F = Q. v. B F wird auch Lorentzkraft genannt, wobei F normal auf v und normal auf B steht. Die Richtung der Ablenkung, d.h die Orientierung von F ergibt sich aus der Dreifinger Regel. Zeigefinger...Stromrichtung Mittelfinger...Richtung des Magnetfelds Daumen...Richtung der Kraft 6

7 6) Kräfte zwischen stromdurchflossenen Leiter Aufbau: - 1 Netzgerät - 2 Stativstangen mit Löchern für Kabelstecker - Stativfuss mit Stange - 2 Kupferlitzen oder Kabel - Experimentierkabel Die Kabel werden wie im Bild rechts angeschlossen. Die beiden Leiter dürfen nicht zu stark gespannt werden, sonst sieht man keine Wirkung. Ströme fließen parallel Ströme fließen antiparallel Durchführung: Das Netzgerät wird mit den schon vorher eingestellten Werten kurz ein- und wieder ausgeschaltet, zuerst bei parallel fließenden Strömen, dann bei antiparallelen Strömen. Wichtig: Es sollte nur kurz eingeschaltet werden, da der Draht recht schnell heiß wird und zu Rauchen beginnt! Sieht man die Wirkung (zumindest bei parallelen Ströme) nicht sofort und deutlich, einfach die Spannung vor Einschalten des Netzgerätes erhöhen und erneut einschalten. Eventuell auch den Abstand der Drähte verringern. Ergebnis: Die magnetischen Kraftfelder benachbarter stromdurchflossener Leiter bewirken eine magnetische Anziehung, wenn die elektrischen Ströme in den Leitern gleichgerichtet, und eine magnetsiche Abstoßung, wenn die elektrischen Ströme in den Leitern entgegengesetzt sind. 7

8 Erklärung: Der Grund für die Abstossung bzw. Anziehung der beiden Leiter liegt in wie schon im Versuch mit der Leiterschaukel gesehen darin, daß bewegte Elektronen (ein Strom) im Magnetfeld eine Kraft erfahren, womit sie in eine Richtung abgelenkt werden. Fließt durch die beiden Leiter Strom, so entsteht ein Magnetfeld um diese beiden Leiter. Die Elektronen des einen Leiters erfahren eine Kraft im Magnerfeld des anderen Leiters und umgekehrt. Die Richtung der Ablenkung der Elektronen im Leiter hängt von der Richtung der Geschwindigkeit der Elektronen, also von der Stromrichtung und von der Richtung des Magnetfeldes, also von der Richtung des Stroms des anderen Leiters ab. Sind die elektrischen Ströme gleichgerichtet, kommt es zu einer Anziehung der Drähte. Die Stärke der Anziehungs- und Abstoßungskräfte hängt von der Entfernung und Länge der Leiter, wie auch von der Stromstärke der fließenden Ströme ab. 7)Feldlinien einer stromdurchflossenen Spule 8

9 Aufbau und Durchführung: - Kleinspannungsstelltrafo - 2 Experimentierkabel - 1 Spule, die in eine Kunststoffplatte eingebaut ist - Eisenfeilspähne Die Eisenfeilspähne werden gleichmäßig um die Spule gestreut. Die Spannungsquelle wird dann kurzfristig mit einem hohen Strom eingeschaltet. Durch leichtes Klopfen gegen die Kunststoffplatte richten sich die Eisenfeilspähne zu einem charakteristischen Bild aus. Ergebnis: Erklärung: Das Magnetfeld einer Spule ist dem eines Stabmagneten ähnlich. Die Feldlinien sind in sich geschlossen und verlaufen außerhalb der Spule vom Nord- zum Südpol, innerhalb der Spule nahezu parallel vom Süd- zum Nordpol. Vergleicht man die Feldlinien mit denen eines stromdurchflossenen Leiters, so sieht man, daß das Magnetfeld einer Spule nur die Überlagerung des Magnetfeldes jeder einzelner Leiterschleife ist, wobei das Feld im Inneren der Spule homogen ist. 9

10 Die Richtung der Feldlinien bzw. an welchem Ende der Spule der Nordpol liegt, läßt sich mit der Rechte Hand Regel bestimmen. Man umfasst die Spule mit der rechten Hand so, daß die Finger in die technische Stromrichtung zeigen, dann zeigt der Daumen die Lage des Nordpols. Umfasst man die Spule so, daß der Daumen in die technische Stromrichtung zeigt, so weisen die Fingerspitzen in die Richtung der magnetischen Feldlinien (Bild unten). 10

11 8)Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule Aufbau und Durchführung: Experimente zur Schulphysik, 8.6, M. Bernhard, S Jezik Wir führten die Versuche mit Spulen der Windungszahlen 300, 600 und 1200 durch. Desto stärker sich die Magnetnadel ausrichtet, umso stärker ist auch die Feldstärke der Spule. Ergebnis: - Die magnetische Feldstärke B in der Umgebung einer stromdurchflossenen Spule nimmt mit steigendender Stromstärke zu. - Die Feldstärke steigt auch mit höherer Windungszahl. - Mit dem Eisenkern in der Spule steigt auch die Feldstärke. Erklärung: 11

12 Das Magnetfeld aus den einzelnen Windungen überlagert sich und ist damit bei höherer Windungszahl pro Länge der Spule stärker. Bei steigendem Strom, wissen wir schon vom stromdurchflossenen Leiter, wird auch das Magnetfeld stärker. Die magnetische Induktion B im Inneren einer stromdurchflossenend Spule ergibt sich dann durch: N. I B = µ 0. l l...spulenlänge I...Stromstärke N...Windungszahl der Spule µ 0...magnetische Feldkonstante und mit Eisenkern wird das Magnetfeld um den Faktor Permeabilität stärker: µ r, der sogenannten relativen B = µ r. µ. 0 N. I l Die Verstärkung des Magnetfelds einer Spule mit Eisenkern hat folgende Gründe. Jedes Elektron weist ein kleines Magnetfeld auf. In Eisen ist es aufgrund des Aufbaus der Elektronenhülle der Atome und ihres mittleren Abstandes energetisch besonders günstig, wenn sich die Magnetfelder der Elektronen benachbarter Atome parallel ausrichten. Aufgrund Störungen durch Erschütterungen, Verformungen und der thermischen Bewegung sind die Bereiche, in denen sich die Elementarmagnete jeweils parallel ausgerichtet haben, in unmagnetisiertem Eisen relativ gering. Solche Bereiche werden Weißsche Bezirke genannt. Die Weißschen Bezirke können jedoch durch äußere Magnetfelder verändert werden. Fließt Strom durch die Spule, so wachsen die Bereiche, deren atomare Magnetfelder zum Magnetfeld der Spule möglichst parallel liegen. Alle anderen Bereiche werden kleiner und verschwinden schließlich ganz. Zuletzt drehen sich die atomaren Magnete genau in Richtung des Magnetfelds der Spule. Die Überlagerung des Magnetfelds der Spule mit den ausgerichteten atomaren Magnetfeldern ergibt verstärktes Magnetfeld. 12

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