LABOR BUCHª. DESY-Schülerlabor physik.begreifen. Name: Deutsches Elektronen-Synchrotron Ein Forschungszentrum der Helmholtz-Gemeinschaft

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1 LABOR BUCHª DESY-Schülerlabor physik.begreifen Name: Deutsches Elektronen-Synchrotron Ein Forschungszentrum der Helmholtz-Gemeinschaft

2 Weitere Informationen auf unseren Internet-Seiten 2 physik.begreifen 06/2018

3 Sicherheitshinweise zu den Experimenten mit Magneten und Strom Es gibt Magnete mit einer sehr hohen Anziehungskraft. Eine falsche Handhabung könnte zu Verletzungen, wie z.b. Quetschungen an den Händen, führen. Magnetische Speichermedien, wie Geldkarte und Speicherchips, sollten nicht von Magneten berührt oder in ihre Nähe gebracht werden, da dadurch die gespeicherten Daten gelöscht werden können. Die Verkabelung bitte nur bei ausgeschaltetem Netzteil durchführen. Die Schaltung muss vor Beginn des Experimentes von einem Betreuer abgenommen werden! physik.begreifen 06/2018 3

4 Experimentteil 1 EIGENSCHAFTEN VON MAGNETEN: Jeder Magnet besitzt zwei Stellen größter Anziehung, die Pole genannt werden. Welche Farbe kann dem Nordpol und welche dem Südpol auf dem Stabmagneten zugeordnet werden? Was passiert, wenn man Magnete mit gleicher bzw. mit unterschiedlicher Polung gegeneinander hält? Was passiert, wenn ein Magnet geteilt wird??? 4 physik.begreifen 06/2018

5 Jeder Magnet übt auf seine Umgebung eine magnetische Wirkung aus. Die Richtung dieser Wirkung kann mit Hilfe von Feldlinien angezeigt werden. Wie verlaufen diese Feldlinien? Untersucht den Stabmagneten und den Hufeisenmagneten zum Einen mit dem Magnetfeldanzeiger und zum Anderen mit dem Magnetnadelmodell. Zeichnet die Feldlinien unten ein. Wie kann man eine Büroklammer magnetisieren und entmagnetisieren? physik.begreifen 06/2018 5

6 HÄNGENDE BÜROKLAMMER: Magnetische Materialien können das Magnetfeld beeinflussen und es abschwächen. Welche Materialien sind magnetisch? Benötigt wird: - Stativ / Stange / Muffe - Büroklammer an Faden - Stabmagnet - Verschiedene Materialien Testet mit verschiedenen Materialien, wann die Büroklammer nicht mehr vom Magneten angezogen wird und runter fällt. Haltet am besten den Magneten in einer Hand oder befestigt ihn mit einer Muffe und lasst etwas Platz zwischen Magnet und Büroklammer. Achtet zusätzlich darauf, dass die Materialien den Magneten nicht berühren. Wie könnte man sie noch zum Fallen bringen? 6 physik.begreifen 06/2018

7 LEITERSCHAUKEL: Experimentteil 2: Elektromagnetismus Benötigt wird: - Stativ / Stange / Muffe - Netzgerät - Kabel - Multimeter - Draht - Schalter - Krokodilklemmen - (Hufeisenmagnet) - Kompass Was passiert mit einem sehr nah unter dem Draht platzierten Kompass, wenn Strom durch den Draht fließt, und warum? Was ist bei einer Änderung der Stromrichtung (Umpolung) zu beobachten? physik.begreifen 06/2018 7

8 Nun kommt ein Hufeisenmagnet hinzu. Wie verlaufen die Feldlinien bei einem Hufeisenmagnet? Zeichnet sie unten ein. Was könnt ihr beobachten, wenn der Draht zwischen die Pole eines Hufeisenmagneten gehalten wird? Hängt der Effekt von der Stromrichtung und/oder der Richtung der Magnetpolung ab? Auf Ladungen, die sich in einem Magnetfeld bewegen, wirkt die Lorentzkraft. Sie wirkt senkrecht zur Richtung der Magnetfeldlinien sowie zur ursprünglichen Bewegungsrichtung der Ladung. Für negativ geladene Teilchen (wie Elektronen) gilt die Linke-Hand-Regel. 8 physik.begreifen 06/2018

9 STROMKREIS: Benötigt wird: - Netzgerät - Kabel - Lampe - Schalter - Multimeter - Verschiedene Materialien Welches Material leitet den Strom? Gibt es Materialien, die magnetisch sind und den Strom leiten, welche, die nur magnetisch sind, und welche, die nur den Strom leiten? physik.begreifen 06/2018 9

10 Baut nun eine Spule (klein) in den Stromkreislauf ein. Untersucht die Spule mit einem Magnetfeldanzeiger, wenn der Schalter nicht betätigt wird und wenn der Schalter gedrückt wird. Was ist zu beobachten und warum? Wie verlaufen die Feldlinien um eine stromdurchflossene Spule? 10 physik.begreifen 06/2018

11 STÄRKE DES MAGNETFELDES EINER SPULE: Benötigt wird: - Stativ / Stange / Muffe - Netzgerät - Kabel - Multimeter - Schalter - Kraftmesser - Spule - Kleiner Eisenkern - Büroklammer Platziert die Büroklammer direkt über der Spulenöffnung. Was passiert mit der Büroklammer, wenn der Schalter betätigt wird, und warum? Wie verändert sich die Stärke des Spulenmagnetfeldes, wenn die Spannung erhöht wird? Tipp: Ihr könnt die Stromstärke am Multimeter ablesen (I in Ampere). Beachtet außerdem dabei die Auslenkung des Kraftmessers (Kraft F in Newton). Nehmt dazu eine Messreihe auf (Tabelle ist auf der nächsten Seite). physik.begreifen 06/

12 I [A] 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 F [N] Stellt eine Stromstärke aus der Mitte eurer Messreihe ein. Platziert einen Eisenkern in die Spule. Wie verändert sich die Kraft bzw. die Stärke des Magnetfeldes der Spule? Welche Möglichkeit gibt es noch, um die Stärke des Magnetfeldes zu beeinflussen? 12 physik.begreifen 06/2018

13 BAU EINER KLINGEL: Benötigt wird: - Stativ / Stange / Muffen - Netzgerät - Kabel - Multimeter - Schalter - Spule - Großer Eisenkern - Blech an Krokodilklemme Was passiert mit dem Blech, wenn der Schalter betätigt wird? Baut nun einen Unterbrecher ein: Was hat sich verändert und warum? physik.begreifen 06/

14 Beschreibt die Funktionsweise einer Klingel: 14 physik.begreifen 06/2018

15 Experimentteil 3 Erdmagnetfeld Was ist das Erdmagnetfeld? Wie sieht der Verlauf der Feldlinien aus? Wie funktioniert ein Kompass? Geht dazu mit dem Magnetfeldanzeiger zum Modell der Erde BESTIMMUNG DER HORIZONTALKOMPONENTE: Das Erdmagnetfeld ist dreidimensional und ist somit in verschiedene Richtungen verschieden stark. Für die Ausrichtung des Kompasses ist die Horizontalkomponente (parallel zur Erdoberfläche) verantwortlich. Die Stärke dieser Komponente ist vom Ort auf der Erde abhängig. Bestimmt mithilfe des folgenden Aufbaus die Horizontalkomponente in Hamburg. physik.begreifen 06/

16 Benötigt wird: - Netzgerät - Kabel - Multimeter - Widerstand - Große Spule - Kompass - Winkel/Gradnetz (in Mappe, zum Herausnehmen) Richtet den Kompass entlang der Nord-Süd-Richtung des Erdmagnetfeldes aus und platziert ihn innerhalb der großen Spule (Spule so drehen, dass die Windungen parallel zur Kompassnadel zeigen). Legt das Winkelnetz unter die Spule und richtet es entlang des Kompasses aus. Was passiert mit dem Kompass, wenn Strom durch die Spule fließt? Stellt die Stromstärke so ein, dass die Kompassnadel um 45 ausgelenkt wird, und notiert die Stromstärke. Bei diesem Winkel überlagern sich das Erdmagnetfeld und das Spulenmagnetfeld so, dass beide gleich stark sind. Mithilfe der Formel für die Stärke eines Spulenmagnetfeldes lässt sich nun die Horizontalkomponente des Erdmagnetfeldes bestimmen. 16 physik.begreifen 06/2018

17 Magnetfeld einer Spule: = wobei, - B Magnetfeldstärke in Tesla (T) - N Windungszahl der Spule - I Stromstärke in Ampere (A) - L Länge der Spule in Meter (m) - magnetische Feldkonstante mit =1,25 =1,25 10 Berechnet B für die abgelesene Stromstärke: physik.begreifen 06/

18 DAS SMARTPHONE ALS SENSOR: Überprüfung der Horizontalkomponente mit euren Smartphones! Das Smartphone mithilfe einer Kompass-App in Nord-Süd- Richtung ausrichten (auf den Tisch legen). Dann zur Magnetometer-App wechseln (zeigt das Erdmagnetfeld in alle drei Dimensionen an). Das Smartphone entlang einer Achse kippen bis die x oder y-komponente Null ist (variiert zwischen den Smartphones). Die jeweils andere Komponente zeigt die Horizontalkomponente. Wodurch könnten Abweichungen zur Messung mit der Spule zustande kommen? Wie schwankt das Magnetfeld innerhalb des Raumes? Hat das Magnetfeld bei euch zu Hause eine andere Stärke? Schwankt das Magnetfeld über Stunden/Tage/Wochen/Monate? Testet es aus! Macht eure eigenen Experimente! 18 physik.begreifen 06/2018

19 WISSENSCHAFT FÜR ZU HAUSE Experimente zum selberbauen BAU EINES KOMPASSES: Benötigt wird: - (halbe) Büroklammer oder Nadel - ein Korken (flach) - Magnet - Schüssel mit Wasser (evtl. etwas Spülmittel) So wird s gemacht: Die Büroklammer wird magnetisiert (man streicht mit einem Pol des Magneten mehrmals in eine Richtung über die Büroklammer). Danach wird die Büroklammer auf den Korken geklebt. Jetzt den Korken zusammen mit der Büroklammer in eine Schüssel mit Wasser setzen. Der Korken beginnt sich zu drehen und kommt in Nord-Süd-Richtung zum Stillstand. physik.begreifen 06/

20 BAU DES EINFACHSTEN MOTORS DER WELT: Benötigt wird: - Einwickelpapier (mit Aluminium) oder Kabel - Neodym-Scheiben-Magnet (rund, Durchmesser 1 cm) - Batterie (1,5 V, AA) - spitze Schraube (Kopfdurchmesser ca. 1 cm) So wird s gemacht: Der Kopf der Schraube wird auf den Magneten gesetzt. ACHTUNG! Nicht die Finger klemmen! Nun wird die Spitze der Schraube von unten an den Pluspol der Batterie gehängt. Danach verbindet man den Minuspol der Batterie und die Seite des Magneten mit leitendem Material (vielleicht nutzt ihr dazu einfach das Einwickelpapier einer gewissen langen Praline). VORSICHT, bei zu langer Benutzung könnte es heiß werden! 20 physik.begreifen 06/2018

21 Wie funktioniert s? Durch den Magneten fließt ein relativ großer Strom von mehr als einem Ampere. Er verläuft im Magneten zum großen Teil senkrecht zu den magnetischen Feldlinien. Dadurch entsteht die sogenannte Lorentzkraft. Diese wirkt senkrecht sowohl zum Strom als auch zu den Magnetfeldlinien, d. h. tangential zum Magneten und setzt diesen dann in Bewegung. physik.begreifen 06/

22 BAU DES EINFACHSTEN ROBOTERS DER WELT: Benötigt wird: - Zahnbürstenkopf - Vibrationsmotor - Batterie (3 V, flach) - etwas Klebeband (doppelseitig) So wird s gemacht: Der Selbstbau des Roboters beginnt mit dem Befestigen vom Klebeband auf der Bürstenkopfoberseite. Als nächstes wird der Motor auf der Klebefläche fixiert. Eines der beiden Kabel wird danach leicht nach unten gebogen, sodass er ebenfalls auf dem Klebeband befestigt ist. Anschließend wird die Batterie so auf die Klebefläche montiert, dass sie auf dem nach unten gebogenen Kabel aufliegt. Zum Schluss muss nur noch das andere Kabel des Motors mit der Oberseite der Batterie verbunden und mit etwas Klebeband befestigt werden. 22 physik.begreifen 06/2018

23 Wie funktioniert s: Der Vibrationsmotor, oder kurz Vibramotor, nutzt das technische Prinzip der Unwucht. Diese entsteht, wenn die Drehachse eines rotierenden Körpers nicht durch dessen Schwerpunkt verläuft. Dadurch entstehen mechanische Schwingungen, die sich auf den Gegenstand übertragen. Diese Unwucht ist über eine Achse an einem Elektromotor angebracht. physik.begreifen 06/

24 Deutsches Elektronen-Synchrotron Ein Forschungszentrum der Helmholtz-Gemeinschaft Die Helmholtz-Gemeinschaft hat die Aufgabe, langfristige Forschungsziele des Staates und der Gesellschaft zu verfolgen, einschließlich Grundlagenforschung, in wissenschaftlicher Autonomie. Dazu identifiziert und bearbeitet sie große und drängende Fragen von Gesell schaft, Wissenschaft und Wirtschaft durch strategischprogrammatisch ausgerichtete Spitzenforschung. Mit mehr als Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern und einem Jahresbudget von 4,5 Milliarden Euro ist die Helmholtz-Gemeinschaft die größte Wissenschaftsorganisation Deutschlands.