PHYSIKALISCHES SCHULVERSUCHSPRAKTIKUM

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1 JOHANNES KEPLER UNIVERSITÄT LINZ Institut für Experimentalphysik Abteilung für Didaktik der Physik PHYSIKALISCHES SCHULVERSUCHSPRAKTIKUM Protokoll: Magnetismus ( 7. Klasse) Name: Oliver Bachleitner Matrikelnummer: Datum: WS 2001/2002 1

2 INHALTSVERZEICHNIS 1. Einleitung 1.1. Relevanz 1.2. Grundlagen Das magnetische Feld Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters Magnetfeld eines Kreisstroms Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule Ströme im Magnetfeld Kraft zwischen stromdurchflossenen Leitern 1.3. Persönliche Lernziele 2. Versuche 2.1. Allgemeines 2.2. Durchgeführte Versuche (inkl. Einsatz im Unterricht) Magnetfeld eines Stabmagneten Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule Versuch nach Oersted Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters Stromdurchflossener Leiter im Magnetfeld Kraft zwischen stromdurchflossenen Leitern 3. Literaturverzeichnis 2

3 1. Einleitung 1.1. Relevanz Der Magnetismus ist in unser aller Leben sicherlich genauso unersetzlich wie die Elektrizität. Oder, da man Magnetismus und Elektrizität als "untrennbare Phänomene" ansehen muss, sollte ich schreiben: "Elektromagnetismus" gestaltet das Leben vieler Menschen mit. Vergleicht man was einem "Durchschnittsbürger" (blödes Wort) jeweils zu den Begriffen "Elektrizität" und "Magnetismus" denn so einfällt, so tippe ich, dass er /sie zum letzteren mehr zu sagen hat. "Zieht Eisen an", "Nordpol / Südpol", "Kompass" und dergleichen verbinden, so hoffe ich, doch die meisten von uns mit dem Wort "Magnet". Ich mutmaße an dieser Stelle mal, das dieses "magnetische Allgemeinwissen" (noch blöderes Wort) bei vielen Artgenossen präsent ist. Das hängt vielleicht damit zusammen, vorausgesetzt ich liege mit meinem Postulat Viele Menschen können mit dem Wort "Magnetismus" etwas anfangen richtig, dass das viele Phänomene, die mit dem Magnetismus zusammenhängen, großes Staunen hervorrufen können. Alleine das Herumspielen mit einem Permanentmagneten kann mitunter faszinierend sein. Ich als zukünftige Lehrperson (blö...) möchte versuchen, den Schülern diese Faszination zu vermitteln Grundlagen Der "Magnetismus" wird in der Schule sowohl in der 2. bzw. 4. Klasse Unterstufe, als auch in der 7.Klasse Oberstufe unterrichtet. In der Unterstufe ist das Ganze natürlich noch sehr qualitativ. Der Stoff der Unterstufe bildet im Grunde die Basis für den Oberstufenstoff. Die physikalischen Grundlagen zu den durchgeführten Versuchen werden sich nur auf die Oberstufe beziehen. Dabei wird auf die "Grundlagen der Grundlagen" (Unterstufenwissen) nicht eingegangen. (Für Interessierte siehe: Protokoll Magnetismus Muhammet Tosun) Das magnetische Feld Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters Jeder stromdurchflossene Leiter erzeugt ein Magnetfeld, dass sich radial um den Leiter ausbreitet und den gesamten Raum erfüllt. Der Betrag dieses Magnetfeldes ergibt sich zu: B = m 0 I / 4p r B...Magnetfeld m 0...magnetische Feldkonstante I...Stromstärke r...normalabstand zum Leiter 3

4 Die Richtung des Magnetfeldes kann entweder durch die "Rechtsschraubenregel" oder die "Rechte Hand Regel" bestimmt werden: Abb.1: Rechtsschraubenregel Hierbei entspricht der Richtungssinn der kreisförmigen Feldlinien dem Drehsinn einer Rechtsschraube, die in Stromrichtung eingeschraubt wird. Abb.2: Rechte Hand Regel Zeigt der Daumen der rechten Hand in Stromrichtung, so geben die gekrümmten Finger die Richtung der konzentrisch um den Leiter verlaufenden Feldlinien an. 4

5 Magnetfeld eines Kreisstroms Unter Kreisstrom versteht man jenen Strom, der durch eine kreisförmige Drahtschleife fließt. Um den Verlauf des entstehenden Magnetfeldes zu erklären, ist es hilfreich, sich die Drahtschleife zusammengesetzt aus geradlinigen Drahtstücken vorzustellen. Im Inneren der Schleife verlaufen die Feldlinien aller Drahtstücke in gleicher Richtung und verstärken einander, außerhalb haben die Feldlinien gegenüberliegender Drahtstücke entgegengesetzte Richtung und schwächen sich gegenseitig. Das entstehende Feldlinienbild entspricht der einer kleinen Magnetnadel. Abb.3: Feldlinienbilder Kreisstrom, Magnetnadel Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule Werden mehrere Stromschleifen aneinandergefügt, so wird das Magnetfeld verstärkt und man erhält eine Spule. So wie das Feld einer einzelnen Stromschleife dem einer Magnetnadel entspricht, entspricht das Feld einer Spule dem eines Stabmagneten. Abb.4: Feldlinienbild Spule 5

6 Abb.5: Feldlinienbild Stabmagnet Empirische Beobachtung zeigt, dass sich eine einfache Feldverteilung ergibt, wenn die Länge der Spule groß gegenüber ihrem Durchmesser ist. Die Feldstärke ist proportional zur "Windungsdichte", d.h. je mehr Windungen bei gleicher Länge, desto größer die Magnetfeldstärke. Im Inneren der Spule ist das Feld nahezu homogen. Es gilt: B = m 0 I N / l N...Windungszahl m 0...magnetische Feldkonstante I...Stromstärke l...spulenlänge 6

7 Ströme im Magnetfeld Jedes Magnetfeld übt auf einen stromdurchflossenen Leiter eine Kraft aus. Dieses Kraft erfolgt durch Überlagerung der magnetischen Felder von Stromträger und Magnet. Abb.6: Magnetfeld Hufeisenmagnet, Leiter Abb.5 zeigt das lineare Feld eines Hufeisenmagneten und das kreisförmige Feld des Stromträgers (Stromrichtung senkrecht zur Papierebene von vorne nach hinten). Links sind die Felder gleichgerichtet, rechts entgegengesetzt. Abb.7: Überlagerung der Magnetfelder Durch Überlagerung der beiden Felder entsteht das resultierende Feld (Abb.6). Auf der linken Seite ist das Feld stärker als auf der rechten Seite. Der Leiter erfährt senkrecht zu den Feldlinien des Hufeisenmagneten und der Stromrichtung eine Kraft nach rechts. 7

8 Abb.8: Ablenkung eines Leiterstücks im Magnetfeld Die Richtung der Ablenkung des Leiterstücks im Magnetfeldes kann durch die UVW Regel der rechten Hand bestimmt werden. Abb.9: UVW Regel Tabelle 1: UVW Regel Ursache Vermittlung Wirkung U V W Daumen Zeigefinger Mittelfinger Stromrichtung Feldrichtung Bewegungsrichtung (Kraft) 8

9 An dieser Stelle noch zwei "Merkkästchen": 9

10 Kraft zwischen stromdurchflossenen Leitern Nach und wissen wir: a) Ströme rufen Magnetfelder hervor b) Magnetfelder üben Kräfte auf Ströme aus Üben Ströme aufeinander Kräfte aus? Überlegungen, welche prinzipiell analog zu verlaufen (UVW Regel), liefern folgendes Ergebnis: Parallele Ströme ziehen einander an, antiparallele stoßen einander ab. Definition des Ampere: Wenn in zwei geradlinigen, parallelen, sehr langen Leitern, die einen Abstand von 1 m voneinander haben, Ströme gleicher Stärke fließen, dann ist der Strom in jedem der beiden Leiter genau 1 Ampere, wenn die Kraft pro Einheitslänge zwischen den Leitern N/m beträgt. Abb.10: Abbildung zur Definition 10

11 1.3.Persönliche Lernziele Nun jene Lernziele, welche ich besonders hoch einschätze: Die Schüler sollen in der Lage sein Feldlinienbilder verschiedener "Magnetarten"(Hufeisenmagnet, Stabmagnet, Spule usw.) qualitativ anzufertigen Das Zustandekommen diverser Feldlinienbilder soll erklärt werden können Magnetfeld: Richtung (diverse Merkregeln), 1/ r Proportionalität Stromdurchflossene Leiter erzeugen immer ein Magnetfeld Lorentz Kraft: Auftreten, Richtung, Wirkung Definition Ampere (qualitativ) Zusammenhang Elektrizität Magnetismus verinnerlichen 2. Versuche 2.1. Allgemeines Die folgenden Versuche wurde größtenteils nach den Versuchsanleitungen aus "Experimente zur Schulphysik" durchgeführt. Die meisten davon sind sowohl für dir Unterstufe als auch für die Oberstufe einsetzbar. Ich bin dieses mal für Oberstufe zuständig, der hochgeschätzte Kollege Muhammet Tosun für die Unterstufe. 11

12 2.2. Durchgeführte Versuche (inkl. Einsatz im Unterricht) Magnetfeld eines Stabmagneten Abb.11: Versuchsaufbau Vorbereitung: Man benötigt nur einen Stabmagneten und Eisenpulver eine passende Unterlage wäre auch nicht schlecht. Versuch: Der Stabmagnet wird auf die Unterlage (z.b. ein Blatt Papier) gelegt und das Eisenpulver mit etwas Gefühl auf und um den Magneten verteilt. Das Ganze ist natürlich auch mit einem Hufeisenmagneten oder einer Magnetnadel durchführbar, ganz nach Geschmack und Absicht. Eine weitere Variation des Versuch ist in Abbildung 11 zu sehen. Dabei werden zwei Stabmagneten verwendet. Zwei Möglichkeiten des Feldlinienbildes sind je nach Anordnung gegeben. 12

13 Erkenntnis: Permanentmagneten erzeugen ein Magnetfeld. Das Feldlinienbild kann leicht mit Eisenpulver sichtbar gemacht werden. Einsatz im Unterricht: Der Versuch wirkt unter Umständen etwas einfach, eher für die Unterstufe geeignet. So ist es aber nicht. Auch Oberstufenschüler werden mitunter fasziniert von dem auftretenden Szenario sein. Ich finde generell Versuche mit Permanentmagneten und Eisenpulver sehr, sehr attraktiv. Der Versuch kann natürlich auch von den Schülern selbst ausgeführt werden, es spricht nichts dagegen. 13

14 Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule 1 Abb.12: Versuchsanordnung Vorbereitung: Die in Abbildung 12 gezeigte "Spulenvorrichtung" wird, steht sie denn zur Verfügung, mit den Kleinspannungsstelltrafo verbunden. Das Eisenpulver sollte in Griffweite parat stehen. Versuch: Noch bevor der Strom in der Spule fließt, sollte man das Eisenpulver relativ gleichmäßig innerhalb und außerhalb der Spule verteilen. Nun lässt man den Strom fließen. Beträchtliche Stromstärken sollten nicht abschrecken, sie werden benötigt. Den starken Strom sollte man jedoch nur relativ kurz so hoch halten. Es kann aus ästhetischen Gründen auch ganz sinnvoll sein, an der Ausrichtung des Eisenpulvers aktiv mitzuwirken, indem man auf die Plastikunterlage klopft oder an dieser vorsichtig rüttelt. Erkenntnis: Stromdurchflossene Spulen erzeugen ein Magnetfeld. Im Inneren der Spule ist dieses nahezu homogen. Der Feldlinienverlauf gleich dem des Stabmagneten. Die Feldstärke ist proportional zur "Windungsdichte", d.h. je mehr Windungen bei gleicher Länge, desto größer die Magnetfeldstärke. Einsatz im Unterricht: Dieser Versuch ist nahezu so unproblematisch wie Versuch , die optische Wirkung ist ähnlich. Allgemein denke ich das die Veranschaulichung diverser Feldlinienbilder sehr nützlich und wirksam ist. Den Schülern wird quasi "bewiesen",dass der Feldlinienverlauf jenem in ihren Schulbüchern entspricht. 14

15 Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule 2 Abb.13: Versuchsanordnung Vorbereitung: Der Versuchsaufbau sollte nach Abbildung 13 erfolgen. Die Spule wird so ausgerichtet, dass ihre Achse in Ost-West-Richtung verläuft. Mit Hilfe einer Magnetnadel kann diese bestimmt werden. Zwischen Magnetnadel und Stromversorgungsgerät sollte ein Mindestabstand von etwa 50 cm gehalten werden. Versuch : a) Mit dem Kleinspannungsstelltrafo die Spannung nach und nach erhöhen und währenddessen die Magnetnadel im Auge behalten. Das Ganze bis zu einem Strom von etwa 6 A fortführen und schließlich die Stromstärke wieder langsam verringern. b) Einen Strom von 1 A einstellen und den Winkel abschätzen, um den die Magnetnadel aus der Nord-Süd-Richtung abgelenkt wird. Die bisher benutzte Spule (250 Wdg.) durch eine mit 500 Windungen ersetzen und die Winkelabschätzung abermals durchführen. Zu guter letzt noch die 1000-Windungs-Spule verwenden. 15

16 Erkenntnis: a) Die magnetische Feldstärke ist proportional zur Stromstärke. b) Die magnetische Feldstärke ist proportional zur Windungszahl. Einsatz im Unterricht: Dieser Versuch hat im Prinzip die selbe Aussagekraft wie Versuch Die Proportionalität der Feldstärke zur Stromstärke und Windungszahl wird hiermit bestätigt. Ich würde Versuch und kombinieren. Zum einen sieht man den Feldlinieverlauf, zum anderen die Abhängigkeit der Feldstärke von Stromstärke und Windungszahl. 16

17 Versuch nach Oersted Abb.14: Versuchsanordnung Vorbereitung: Aufbau laut Abbildung 14. Der Draht sollte in Nord-Süd-Richtung ausgespannt werden. Versuch: Den Stromkreis bei Spannungen von 2 6 V schließen und jedes mal die Magnetnadel beachten. Zur Ermittlung des Zusammenhanges zwischen Stromrichtung und Ablenkung der Magnetnadel die rechte Hand so über den Draht halten, dass die Fingerspitzen in technische Stromrichtung weisen; Stellung des gespreizten Daumens mit der Richtung vergleichen, in die der Nordpol der Magnetnadel abgelenkt wird. Nun wird die Stromrichtung umgekehrt und der Versuch wird wiederholt. 17

18 Erkenntnis: Eine Magnetnadel, die sich in der Nähe eines von Gleichstrom durchflossenen Drahtes befindet, wird aus der Nord-Süd-Richtung abgelenkt. Die Richtung der Ablenkung ändert sich mit der Stromrichtung. Die Ablenkung nimmt außerdem mit der Stromstärke zu. Der stromdurchflossene Draht wird also von einem Magnetfeld umgeben, dessen Feldstärke mit der Stromstärke zunimmt und dessen Richtung von der Stromrichtung bestimmt wird (Rechte-Hand-Regel). Einsatz im Unterricht: Ich denke, dass sich dieser Versuch sehr gut als Einstieg zum Kapitel "Magnetismus" eignet. Bei der Durchführung ist es sicherlich auch von Interesse für Lehrer und Schüler, historische Einblicke (Oersted - "Wie alles begann...") zu vermitteln. Man sollte den Schülern dabei vor Augen führen, welche Konsequenzen dieser Versuch nach sich zog. 18

19 Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters Abb.15: Versuchsaufbau Vorbereitung: Der Aufbau sollte dem in Abbildung 15 gleichen. Unter Umständen kann ein "Schuss" Improvisationsvermögen ganz hilfreich sein. Versuch: Bevor Strom fließt sollte man zuerst auf das Blatt Papier das Eisenpulver gleichmäßig um den Durchstoßpunkt des Drahtes verteilen. Nun wird das Stromversorgungsgerät kurzzeitig eingeschaltet, ein starker Strom sollte dabei fließen. Ein leichtes Klopfen auf das Blatt Papier hilft wiederum beim Anordnen des Eisenpulvers zum Feldlinienbild. Der Versuch sollte nach etwa 1 Minute abbgebrochen werden.(hoher Strom...) 19

20 Erkenntnis: Ein stromdurchflossener Leiter erzeugt ein Magnetfeld, dass kreisförmig um den Leiter verläuft und außerdem senkrecht zum Leiter angeornet ist. Einsatz im Unterricht: Der Versuch ist abermals sehr schön anzusehen. Das Feldlinienbild ist recht deutlich zu sehen. Zusätzlich zur Versucherkenntnis sollte man den Schülern auch mitteilen, dass es sich bei diversen Versuchen zum Magnetismus um Starkstromversuche handelt und sie über damit verbundenen Probleme aufklären.(erwärmung des Leiters, Überlastung des Stromversorgungsgerät usw.) 20

21 Stromdurchflossener Leiter im Magnetfeld Abb.16: Versuchsanordnung Vorbereitung: Abbildung 16 sollte wieder das Vorbild zum tatsächlichen Versuchsaufbau darstellen. Die Stromrichtung und Magnetfeldrichtung sollte so gewählt werden, dass die Leiterschaukel bei fließendem Strom in den Hufeisenmagneten hineingezogen wird.(im Prinzip brauch man sich nur um den Hufeisenmagneten kümmern.) Versuch: Das Stromversorgungsgerät wird eingeschaltet und die Spannung so gewählt, dass ein Strom von 2 A fließt. Leiterschaukel beobachten und am Kraftmesser ziehen, bis sie wieder in ihrer ursprünglichen Lage ist. Den Versuch mit Strömen von 4 A, 6 A, 8 A und 10 A wiederholen. 21

22 Erkenntnis: Auf einen stromdurchflossen Leiter wirkt in einem äußeren Magnetfeld eine Kraft, welche eine Bewegung des Leiters verursacht.(uvw Regel) Einsatz im Unterricht: Wie alle anderen hier aufgeführten Versuch ist auch dieser Versuch gut für den Einsatz im Unterricht geeignet. Die exakte Messung der Kraft könnte unter Umständen problematisch sein, da geeignete Kraftmesser benötigt werden (1/100 N Bereich) Aber auch ohne Einsatz eines Kraftmessers ist Versuch immer noch recht ausschlagkräftig. 22

23 Kraft zwischen stromdurchflossenen Leitern Abb.17: Versuchsanornung Vorbereitung: Und noch einmal: Versuchsaufbau ähnlich Abbildung 17, wobei unter a) antiparallele Ströme und unter b) parallele Ströme erzeugt werden. Versuch: Die Leiter(schaukeln) sollten ungefähr 1 cm voneinander entfernt sein. Erkenntnis: Parallele Ströme ziehen einander an, antiparallele stoßen einander ab. Einsatz im Unterricht: Gut geignet. Man sollte darauf achten, dass die Entfernung der beiden Leiter passt und die Spannung nicht zu groß ist. Die jeweilge "parallele bzw. anitparallele Schaltung" sollte gemeinsam mit den Schülern "zusammengestopselt", dies kann viel zum Verständnis beitragen. 23

24 3. Literaturverzeichnis Folgende Literaturquellen wurden zur inhaltlichen Gestaltung des Protokolls herangezogen: "Physik Grundwissen, Formeln, Gesetze" von Heinz Gascha (Compact Verlag München) "Von der Physik 3" von Stütz Uhlmann (Verlag E.Dorner) "Physik 3" von Sexl, Kühnelt, Pflug und Stadler (Verlag Hölder Pichler Tempinsky) "Physik" von Paul A. Tipler (Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg Berlin Oxford) "Experimente zur Schulphysik" von M. Bernhard, S. Jezik 24