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1 Protokoll Magnetismus Michael Aichinger Für die 4.Klasse Teilgebiet: Elektromagnetismus Inhaltsverzeichnis: 1 Einleitung S.2 2 Lernziele S.2 3 Versuche S Versuch nach Oersted S Magnetfeld stromdurchflossener Leiter S Stromdurchflossener Leiter im Magnetfeld S Kräfte zwischen stromdurchflossenen Leitern S Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule S Magnetfeldlinien einer stromdurchflossenen Spule S.14 1

2 1. Einleitung Der Versuch wurde am Mittwoch den durchgeführt. Alle Versuche sind dem Teilgebiet der Experimente mit Elektromagneten entnommen. Die Aufbereitung erfolgt in der Form von 2 Protokollen, wobei sich das vorliegende Protokoll mit Elektromagneten in der 4. Klasse Unterstufe beschäftigt. Voraussetzung für die Erarbeitung der folgenden Versuche sind Kenntnisse über den Magnetismus aus der 2. Klasse Unterstufe und folgende Gebiete aus der 4.Klasse: Magnetfelder und Magnetfeldlinien Magnetfeld der Erde (Kompassversuche) 2. Lernziele Der Schüler soll - 1. angeben können, was der Physiker Oersted entdeckt hat (Magnetfeld um einen stromdurchflossenen Leiter rechte Hand Regel) - 2. beschreiben können wie die Feldlinien um einen stromdurchflossenen Leiter 3. verlaufen (in konzentrischen Kreisen) - 3.erkennen, dass auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld eine Kraft wirkt - 4. erkennen, dass zwischen 2 stromdurchflossenen Leitern eine Kraft wirkt - 5. das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule beschreiben können - 6. angeben können wovon die magnetische Kraft eines Elektromagneten abhängig ist (Eisenkern, Stromstärke, Anzahl der Windungen) Problemlösung und Durchführung: Ad 1: Versuch nach Oersted (siehe 3.1) Ad 2: Erinnerung an das Magnetfeld eines Stabmagneten. Wie könnte das Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters aussehen? (siehe 3.2) Ad3: Aus der Versuchsdurchführung von 3.3 klar ersichtlich Ad4: Aus der Versuchsdurchführung von 3.4 klar ersichtlich Ad 5: In einer Spule liegen stromdurchflossene Drahtwindungen nebeneinander. Welche Form des Magnetfeldes einer Spule kann vermutet werden? (siehe Versuch 3.5;3.6) Erarbeitung einer Merkregel (rechte Hand Regel) für die Bestimmung der magnetischen Pole einer Spule. Ad 6: Elektromagneten können verschieden stark sein. Welche Ursachen kann das haben? (siehe Versuch 3.5) 2

3 3.1 Versuch nach Oersted Man beobachtet das Verhalten einer Magnetnadel, die sich in der Nähe eines in Nord- Südrichtung ausgespannten, von Gleichstrom durchflossenen Drahtes befindet. Geräte: 2 Haltespangen mit Isolierbuchsen 1 beweglicher biegsamer Leiter (Kabel) 1 Magnetnadel auf Fuß 2 Sockel 1 Kleinspannungsstelltrafo 1 Demonstrations-Drehspulinstrument Kabel Aufbau: Hinweis zum Aufbau: Draht in Nord-Süd-Richtung ausspannen. Spannung: 2 V-, Während des Versuchs bis 6 V erhöhen. Messbereich: 10 A-, 3

4 Versuchsdurchführung: Stromkreis zunächst bei einer Spannung von 2 V und dann bei höheren Spannungen (maximal 6 V) schließen und die Magnetnadel beobachten: Zur Ermittlung des Zusammenhangs zwischen Stromrichtung und Ablenkung der Magnetnadel aus der Nord-Süd Richtung die rechte Hand so über das Kabel halten, dass die Fingerspitzen in (technische) Stromrichtung weisen; Stellung des gespreizten Daumens mit der Richtung vergleichen, in die der Nordpol der Magnetnadel abgelenkt wird; Stromrichtung umkehren (Steckerstifte an der Spannungsquelle und am Messinstrument vertauschen) und Versuch in gleicher Weise wiederholen. Versuchsergebnisse und didaktische Aufbereitung: Eine Magnetnadel, die sich in der Nähe eines von Gleichstrom durchflossenen Drahtes befindet, wird aus der Nord-Süd-Richtung abgelenkt. Die Richtung, in der die Magnetnadel abgelenkt wird, ändert sich mit der Stromrichtung. Die Ablenkung nimmt mit der Stromstärke zu. Ein von Gleichstrom durchflossener Draht ist von einem Magnetfeld umgeben, dessen Stärke von der Stromstärke und dessen Richtung von der Stromrichtung bestimmt wird. Die Ablenkung der Magnetnadel erfolgt nach der sogenannten "Ampereschen-Rechte Hand- Regel"; Legt man die rechte Hand so über einen stromdurchflossenen Draht, dass die Fingerspitzen in die technische Stromrichtung zeigen und die innere Handfläche der unter dem Draht liegenden Magnetnadel zugewandt ist, so wird der Nordpol der Magnetnadel in Richtung des gespreizten Daumens abgelenkt. Merksatz 1: Ein stromdurchflossener Leiter ist von einem Magnetfeld umgeben. Dieses ist umso stärker, je größer die Stromstärke ist. Merksatz 2: Rechte Hand Regel für einen geradlinigen Leiter Denkt man sich den Leiter so mit der rechten Hand umfasst, dass der Daumen in Richtung technische Stromrichtung weist, dann zeigen die Finger in Feldrichtung. 4

5 3.2 Magnetfeld stromdurchflossener Leiter Das Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters in einer zu diesem senkrechten Ebene wird mit Hilfe von Eisenpulver veranschaulicht. Geräte: 1 beweglicher Leiter Stativmaterial Eisenpulver + Streuer 1 Kleinspannungsstufentrafo Karton 1 Schere Kabel Aufbau: Hinweis zum Aufbau: Nach dem Ausspannen des Drahtes und nach der Befestigung der Kunststoffplatte Papier einschneiden und entsprechend der Abbildung auf die Platte legen. Papier in der Umgebung des Drahtes gleichmäßig mit Eisenpulver bestreuen. Spannung: 4 V- (Stromversorgungsgerät erst während des Versuchs kurzzeitig einschalten). 5

6 Versuchsdurchführung: Stromversorgungsgerät kurzzeitig einschalten, sodass ein starker Strom fließt; leicht gegen die Kunststoffplatte klopfen, bis sich das Eisenpulver zu einem Feldlinienbild geordnet hat. Bitte beachten: Versuch nach maximal 1 Minute abbrechen! (Erwärmung der Leiter durch den hohen Strom; Überlastung des Stromversorgungsgerätes). Versuchsergebnisse und didaktische Aufbereitung: 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 die in einer zum Leiter senkrechten Ebene verlaufen. Merksatz 1: Die magnetischen Feldlinien sind bei geraden Leitern konzentrische Kreise. Sie liegen in Ebenen senkrecht zum Leiter. Merksatz 2: Mit zunehmender Entfernung vom Leiter nimmt die Stärke des magnetischen Feldes ab. 6

7 3.3 Stromdurchflossener Leiter im Magnetfeld Man untersucht die Kraft, die auf einen im Magnetfeld eines Permanentmagneten aufgehängten stromdurchflossenen Leiter wirkt, in Abhängigkeit von der Stromstärke. Bei unserer Versuchsdurchführung verzichteten wir auf den Einsatz einer Federwaage, da dem Schüler gezeigt werden soll, dass eine Kraft auf den Leiter wirkt, der Betrag dieser Kraft ist jedoch für den Schüler unerheblich. Geräte: 1 Leiterschaukel Stativmaterial 1 Großer Hufeisenmagnet 1 Kleinspannungsstelltrafo 1 Demonstrationsdrehspulmessinstrument Kabel Aufbau: 7

8 Hinweis zum Aufbau: Kraftmesser wie in der Abbildung am Steg (a) befestigen. Höhe des Laborboys und Lage des Magneten so wählen, dass sich Steg (a) entsprechend Abbildung zwischen den Magnetpolen befindet. Stromrichtung und Magnetfeldrichtung so wählen, dass die Leiterschaukel bei eingeschaltetem Strom in den Magneten hineingezogen wird. Messbereich: 10 A-. Versuchsdurchführung: Stromversorgungsgerät einschalten und Spannung so wählen, dass ein Strom l von 2 A fließt - Leiterschaukel beobachten - Versuch in gleicher Weise mit Strömen von 4 A, 6 A, 8 A und 10A durchführen.. Magnet umdrehen oder Polung des Stroms umdrehen. Versuchsergebnisse und didaktische Aufbereitung: Auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld wirkt eine Kraft, die eine Bewegung des Leiters verursacht. Die Kraft nimmt mit der Stromstärke zu. Polt man den Strom um oder dreht den Magneten um, so ändert sich auch die Richtung des Ausschlags. Merksatz: Auf einen stromdurchflossenen Leiter wirkt im Magnetfeld eine Kraft. Diese Kraft ist proportional zur Stromstärke. Die Richtung in die die Kraft wirkt ist von der Polung des Stroms und von den Polen des Magneten abhängig. 8

9 3.4 Kräfte zwischen stromdurchflossenen Leitern: Man untersucht die Kraft, die zwei stromdurchflossene Leiter aufeinander ausüben. Geräte: 2 Leiterlitzen Stativmaterial 1 Kleinspannungsstelltrafo Kabel Aufbau: Trafo Litzenbänder Verkabelung um Strom in die gleiche Richtung zu leiten Hinweis zum Aufbau: Spannen sie die Litzenbänder nicht, sonst ist der Effekt der Anziehung nicht zu sehen. 9

10 Versuchsdurchführung: Legen sie an die Litzenbänder eine Spannung an (Achtung Kurzschluss). Drehen sie am Trafo den Spannungsbereich auf Anschlag und schalten sie ihn erst dann ein. Auf diese Art und weise ist der Effekt der Anziehung besonders stark zu beobachten. Die Abstoßung ist mit dieser Versuchsanordnung nicht so gut zu zeigen (Leiterschaukeln verwenden) Versuchsergebnis: Da die beiden Litzen von Strömen gleicher Richtung durchflossen werden zeihen sie einander an. Besonders wichtig ist bei diesem Versuch den Schülern die Richtung des Stromflusse genau zu zeigen, da sonst Verständnisprobleme auftreten Merksatz: Leiter, in denen Ströme gleicher Richtung fließen ziehen einander an! 10

11 3.5 Magnetfeld stromdurchflossener Spule Eine Magnetnadel wird im Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule, deren Achse in West-Ost Richtung verläuft, aus der Nord-Süd Richtung abgelenkt. Die Größe der Ablenkung ist ein Maß für die magnetische Feldstärke. Man untersucht qualitativ den Einfluss der Stromstärke, der Windungszahl und der Eisenfüllung der Spule auf die Feldstärke. Geräte: 1 Spule 250 Windungen 1 Spule 500 Windungen 1 Spule 1000 Windungen 1 Joch 1 Magnetnadel 1 Fuß zur Magnetnadel 1 Demonstrationsdrehspulmessinstrument 1 Kleinspannungsstelltrafo Kabel Aufbau: 11

12

13 Merksatz 2: Eine Spule mit Weicheisenkern besitzt ein viel stärkeres Magnetfeld als eine Spule ohne Weicheisenkern. Erklärung: Befindet sich in einer stromdurchflossenen Spule ein Eisenkern, so werden seine Elementarmagneten ausgerichtet. Dadurch wird das Magnetfeld der Spule verstärkt. 13

14 3.6 Das Magnetfeld der Spule Wir zeigen in diesem Versuch den Verlauf der Feldlinien einer stromdurchflossenen Spule. Geräte: 1 Netzgerät 1 Demonstrationsspule Eisenspäne + Streuer Aufbau: Die Demonstrationsspule wird in Serie geschaltet an das Netzgerät angeschlossen. Hinweis: Nicht zu viele Eisenspäne verwenden. Netzgerät Hinweis: Schlagen sie leicht gegen die Demonstrationsspule, da sich dann die Eisenspäne leichter ausrichten. Versuchsdurchführung: Zwischen und um die Windungen der Spule werden Eisenfeilspäne gestreut. Netzgerät einschalten > die Eisenspäne richten sich nach den Feldlinien aus. Versuchsergebnis und didaktische Aufbereitung: Eine stromdurchflossene Spule besitzt ein Magnetfeld mit einem Nord- und Südpol wie ein Stabmagnet. Das Magnetfeld einer Spule ist allerdings wesentlich stärker als das Magnetfeld eines geraden Leiterstücks oder einer Leiterschleife, da sich die Felder der einzelnen Windungen gegenseitig verstärken. 14

15 Foto des Feldlinienverlaufs einer stromdurchflossenen Spule: 15

16 Literaturverzeichnis: Tiplers Physik Physik 4 + Lehrerhandbuch Grundstock des Wissens Zusatzinformation: Die Klingel: Die Klingel ist eine klassische Anwendung einer Spule mit Eisenkern. In der folgenden Abbildung ist das Funktionsprinzip in einem Schema vereinfacht dargestellt. Die Klingel besteht aus einer Spule mit Eisenkern, einem Anker (Eisenstück), befestigt an einem beweglichen Metallstreifen, und einer Metallspitze Wenn der Stromkreis geschlossen ist, dann fließt der Strom über die Metallspitze zum Metallstreifen zur Spule. Die stromdurchflossene Spule erzeugt ein Magnetfeld und zieht den Anker mit dem Metallstreifen an. Damit ist aber der Kontakt zwischen Metallspitze und Metallstreifen unterbrochen, so dass kein Strom durch die Spule fließt und der Anker von der Spule losgelassen wird. Der Metallstreifen richtet sich auf, und so besteht erneuter Kontakt mit der Metallspitze. Es fließt wieder Strom, und der Anker wird erneut angezogen. Der Kontakt zur Metallspitze wird deshalb erneut unterbrochen und somit auch der Stromkreis. Der Anker mit dem Metallstreifen schwingt durch das abwechselnde Schließen und Unterbrechen des Stromkreises hin und her. Die Klingel läutet, wenn der Metallstreifen (Klöppel) gegen eine Glocke schlägt. 16

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