Lernstationen: Elektromagnetismus

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1 Lernstationen: Elektromagnetismus Grundlagen Station 1: Magnetfeld um einen stromdurchflossenen Leiter Station 2: Magnetfeld einer Spule Station 3: Leiterschaukel im Magnetfeld Station 4: Induktion Anwendungen Station 5: Elektromotor Station 6: Generator Station 7: Relais Station 8: Trafo Station 9: Lautsprecher 1

2 Station 1: Magnetfeld um einen stromdurchflossenen Leiter Manche Menschen, die in der Nähe von Hochspannungsmasten leben, klagen unter Beschwerden, deren Ursache sie in diesen Hochspannungsmasten sehen. Es ist oft nicht zu klären, ob die Beschwerden von so einem Hochspannungsmast ausgehen - allerdings lässt sich mit einem einfachen Kompass zeigen, dass ein stromdurchflossener Leiter auf seine Umwelt Wirkungen hat. Um diese Wirkung aufzuspüren, benötigen wir einen Kompass, den wir in die Nähe des stromdurchflossenen Leiters bringen. Je stärker der Strom ist, desto stärker ist die magnetische Wirkung. 1. Lasse durch ein Kabel, dass am Stativ aufgehängt ist einen Strom von maximal 1A bei möglichst geringer Spannung fließen (Strombegrenzer der Stromquelle beachten und einregeln). Versuch mit einem Kompass als Sonde herauszufinden, wie sich ein Magnetfeld um den Leiter ausbildet. Kehre die Stromrichtung um und beobachte die Wirkung auf den Kompass. Lasse den Strom immer nur so lange wie nötig fließen. Erstelle eine Regel, die den Zusammenhang von Stromflussrichtung und Magnetfeld wiedergibt. 2. Versuche das Experiment auch am Computer mit Hilfe dem Java-Applets von Walter Fendt Magnetfeld eines geraden stromdurchflossenen Leiters nachzuvollzihen. Du findest es online unter oder offline auf dem Physikcomputer. 2

3 Station 2: Magnetfeld einer Spule Das Magnetfeld um einen Leiter ist nicht besonders stark. Um ein Magnetfeld zu verstärken, kann man einen Stromkreis so einrichten, dass der Strom immer wieder im gleichen Bereich fließen muss: man wickelt den Leiter auf es entsteht eine Spule. Je mehr Windungen eine Spule hat, desto stärker ist diese Wirkung. Die Magnetfelder der einzelnen Leiterschleifen überlagern sich zu einem gemeinsamen viel stärkeren Magnetfeld. Fügt man noch einen Eisenkern hinzu, wird die Wirkung noch weiter verstärkt. Ein Elektromagnet ist genau so aufgebaut: Um einen Eisenkern wird ein elektrisch leitender Draht gewickelt. Man findet diese Anordnung in allen Geräten wieder, die auf Elektromagnetismus beruhen: elektromagnetische Schalter (Relais), Motoren, Transformatoren und Lautsprechern. 1. Erläutere die Funktionsweise einer Spule. 2. Was passiert mit dem Magnetfeld, wenn die Stromrichtung umgekehrt wird. 3. Schüttele die Spulenmodelle so, dass sich das Eisenpulver fein verteilt. Anschließend lasse kurz einen Strom von 1A bei möglichst geringer Spannung fließen. Beobachte die Veränderungen an dem Eisenpulver. 4. Durch welche drei Faktoren lässt sich die Stärke des Magnetfelds einer Spule beeinflussen? 3

4 Station 3: Leiterschaukel im Magnetfeld Ein stromdurchflossener Leiter baut ein Magnetfeld auf. Ein Magnet zeigt immer Wechselwirkungen mit einem anderen Magneten. So wird auch ein stromdurchflossener Leiter von einem anderen Magnetfeld abgelenkt. 1. Baue eine Leiterschaukel im Einflussbereich eines Hufeisenmagneten auf und lasse bei möglichst geringer Spannung einen Strom von 1A fließen. Beobachte, was mit der Leiterschaukel passiert. Ändere kurz die Stärke des Stromflusses (nicht mehr als 2A) und beobachte die Veränderungen gegenüber 1A. Drehe die Stromrichtung um und beobachte erneut, was mit der Leiterschaukel passiert. Leite aus den Beobachtungen eine Regel ab. 2. Versuche die experimentellen Ergebnisse mit dem Java-Applet Lorentzkraft auf einen stromdurchflossenen Leiter nachzuvollziehen. Du findest es online unter oder offline auf dem Physikcomputer. 4

5 Station 4: Induktion Als Induktion bezeichnet man die Erzeugung eines Stroms mit Hilfe eines Magnetfeldes. Dieses Phänomen ist die Grundlage eines jeden Generators und somit die Grundlage sämtlicher Stromerzeugung in Kraftwerken mit Ausnahme der Photovoltaikanlagen. Ohne Induktion würde kein Transformator funktionieren. Ein gut überschaubares Beispiel für die Induktion ist eine Schüttellampe. Der Strom wird durch Zusammenwirken eines Magneten und einer Spule hergestellt. Zunächst würde man annehmen, der Strom wird dadurch produziert, dass die Spule die Wirkung eines Magnetfeldes spürt. Dazu das Experiment: man positioniert den Magneten in die Spule. Beobachtung: es passiert nichts. Es wäre auch zu einfach: denn wenn jetzt ein Strom fließen würde, hätte man eine Energiequelle, die fortwährend Strom liefert. Allein die Abwesenheit eines Magnetfeldes führt zur gleichen Beobachtung. Was erzeugt also den Strom? Beobachtung: beim Schütteln wird ein Strom erzeugt, der die Lampe schließlich zum Leuchten bringt. Was passiert aber beim Schütteln: die Spule sieht nicht einfach nur ein Magnetfeld, sondern ein sich änderndes Magnetfeld. Das ist es: nur ein sich änderndes Magnetfeld ruft einen Strom in einem Leiter bzw. einer Spule hervor. Egal wie das bewirkt wird: Man kann einen Magneten um einen Leiter bewegen Man kann mit einer Spule ein Magnetfeld erzeugen und in direkter Nachbarschaft eine zweite Spule hinstellen. Beim Aufbau und beim Abbau (bzw. beim Einschalten und Ausschalten des Stroms) erfährt die zweite Spule ein sich änderndes Magnetfeld, wobei in dieser zweiten Spule jeweils ein Strom erzeugt wird. Aufgaben: 1. Versuche die Grundlagen der Induktion mit Hilfe der Schüttellampe nachzuvollziehen und halte Deine Beobachtungen schriftlich fest. 2. Man stellt zwei Spulen nebeneinander. Durch die eine kann man durch einen Schalter einen Strom fließen lassen. Die andere ist mit einem Messgerät verbunden, dass einen Strom anzeigen kann. 5

6 Was kann man beobachten: Beim Einschalten Nach einiger Zeit Beim Ausschalten? 3. Eine Spule ändert ihre magnetischen Eigenschaften, wenn ein magnetisierbares Metall in die Nähe kommt. Man kann damit die Wirkung einer Spule sogar noch verstärken. Überlege eine Möglichkeit, an einer Ampel festzustellen, ob ein Auto vor der Ampel wartet. 4. Ein sich änderndes Magnetfeld erzeugt einen Strom ein Strom wiederum erzeugt ein Magnetfeld (welches dem ursprünglichen Magnetfeld entgegengerichtet ist). Versuche das aus einer Magnetkugel und einem Alurohr bestehende Spielzeug in seiner Funktionsweise zu verstehen. 5. Bei der Schüttellampe kann man auch sehr gut sehen, dass bei der Umwandlung von Bewegungsenergie in elektrische Energie mithilfe der Induktion der Energieerhaltungssatz gilt. Lässt man den Magneten vorsichtig durch die Spule herunterfallen, merkt man, dass er im Bereich der Spule wieder abgebremst wird: Bewegungsenergie wird in elektrische Energie umgewandelt. Versuche es mit der Schüttellampe nachzuvollziehen. 6

7 Station 5: Elektromotor Ein Elektromagnet entwickelt eine anziehende bzw. abstoßende Kraft gegenüber anderen Magneten. Das ist genau das, was sich für den Bau eines Motors nutzen lässt. Hat man einen einfachen Elektromagneten würde dieser allerdings einfach in der stabilsten Lage zu einem anderen Magneten stehenbleiben. Für einen Motor, der kontinuierliche Bewegungen erzeugen soll ist das nicht ideal. Es muss also gelingen die Magnetkräfte ständig umzukehren, so dass immer wieder neue Bewegungen möglich sind. Dies ist in einem Elektromotor realisiert. 1. Schaue dir das Elektromotor-Modell an und versuche herauszufinden, wie es funktioniert. Halte die Erklärung mit Skizzen schriftlich fest. 2. Schließe das Elektromotormodell an 6V Gleichstrom an, beobachte. 3. Versuche die Wirkungsweise eines Elektromotors mit Hilfe des Java-Applets Elektromotor von Walter Fendt unter nachzuvollziehen. Dieses Applet sollte auch auf dem Physik-Computer gespeichert sein. 7

8 Station 6: Generator 1. Betrachte den Film Die dynamo-elektrische Maschine Werner von Siemens und bearbeite folgende Aufträge Beschreibe die historische Entwicklung der Generatoren Beschreibe aus welchen Bauteilen ein Generator zusammengesetzt ist. Erkläre, wie ein Generator funktioniert. Erläutere die Folgen für die Menschen, die die Erfindung der Generatoren bedeutete. Welche industriellen Voraussetzungen bedurfte es, um den Strom nutzbar zu machen. Nenne die wichtigsten Entwicklungen, an den Werner von Siemens beteiligt war. 2. Rufe das Java-Applet von Walter Fendt Generator auf. Du findest es unter generator.htm oder offline auf dem Physik-Computer gespeichert. Probiere die Einstellmöglichkeiten dieses Applets aus und versuche die Arbeitsweise eines Elektromotors nachzuvollziehen. 8

9 Station 7: Relais Elektrisch gesteuerte Schalter sind die wichtigsten Bauteile der Welt. Aus elektrischen Schaltern werden alle elektrischen Schaltungen, Computerprozessoren, Videochips und Speicherbausteine hergestellt. Seit einigen Jahrzehnten kann man solche Schalter aus Transistoren herstellen. Mittlerweile kann man Transistoren so miniaturisieren, das auf eine Fläche von wenigen Quadratmillimetern mehrere Milliarden Transistoren passen. Diese kleinen Transistoren sind nicht nur winzig sondern auch noch extrem schnell: nur so können Computer die heute üblichen Geschwindigkeiten von mehreren Milliarden Rechenoperationen pro Sekunde erreichen. Bevor man solche Wunderwerke bauen konnte, war man auf Röhren und Relais angewiesen. So basierte der allererste Computer auf der Wirkung von Relais. Diese Relais sind eigentlich Schalter, die auf einem Elektromagneten basieren, der den Schalter umlegt. Man kann also mit einem Stromkreis (Steuerkreis) einen zweiten (Arbeitskreis) steuern. Während Röhren sehr selten geworden sind, gibt es die Relais nach wie vor: in einem Auto sind einge Dutzend verbaut. Der Vorteil eines Relais ist, dass man mit einem sehr kleinen Strom für den Elektromagneten einen Schalter steuern kann, der einen sehr hohen Strom durchlässt. So werden Relais oft dazu verwendet um sehr starke Ströme zu schalten. Es gibt zudem kaum eine effektivere Methode zwei Stromkreise ganz voneinander zu trennen. Relais können durchaus mehr schalten, als nur aus und ein. Ein Relais kann aus mehreren, gleichzeitig zu betätigenden Schaltern bestehen, die nicht nur ein- sondern auch umschalten können. 1. Verbinde das Relais mit Hilfe von Krokoschnüren mit einer 6V-Stromquelle. Achte dabei darauf, dass der Strom durch die Spule des Relais fließt. Beschreibe, was zu sehen ist und wie dieses Relais funktioniert 2. Ein besonderes Relais ist eine elektrische Klingel. Bei einer Klingel muss dafür gesorgt sein, dass sie sich selbst immer wieder ausschaltet. Wie muss man eine Klingel konstruieren? 3. Versuche herauszufinden, wie folgende Schaltung funktioniert: 4. Letztlich könnte man auch einen Sicherungsautomaten als Relais auffassen. Erläutere das und stelle die Unterschiede zu einem gewöhnlichem Relais heraus. 9

10 Station 8: Trafo Wenn man große Energiemengen auf elektrischem Weg transportieren möchte, benötigt man entweder sehr dicke Kabel oder man muss die Spannung sehr hoch wählen. Man entscheidet sich für den letzten Fall. Das hat zur Folge, dass man den Strom beim Weg zum Verbraucher wieder herunter transformieren muss. Umgekehrt muss die Spannung herauf transformiert werden, wenn beispielsweise Solarstrom in das öffentliche Stromnetz wieder einspeisen möchte. Zudem muss der Netzstrom von 230V für elektronische Geräte auf wenige Volt transformiert werden. So besitzen fast alle modernen mit Batterien betriebenen Geräte Netzteile mit wenigen Volt, die einen Transformator enthalten. Transformieren lässt sich nur Wechselstrom, d.h. Strom, der ständig seine Polarität wechselt und in seiner Stärke schwankt. Ein Transformator besteht aus zwei Spulen: durch eine der Primärspule wird ein Wechselstrom geschickt, in der zweiten der Sekundärspule wird ein Wechselstrom erzeugt. Dabei passiert folgendes: der wechselnde Strom in der ersten Spule zieht ein wechselndes Magnetfeld nach sich. Dieses wiederum erzeugt in der zweiten Spule eine Spannung bzw. Strom. Zu unterschiedlichen Spannungen kommt es durch unterschiedliche Windungszahlen der Spulen. Je größer die Windungszahl in der Sekundärspule, desto größer ist die Spannung, die in der Sekundärspule induziert wird es gilt n prim /n sek = U prim /U sek bzw. U sek = U prim n sek / n prim Die Transformationsspannung lässt sich also durch das Verhältnis der Windungszahlen bestimmen. 1. Schiebe die zwei Spulen (eine mit n=200, die andere mit n=400, n=800 oder n=1200 [je nach gewähltem Kontakt]) auf den Eisenkern und schließe 6V Wechselstrom an beliebigen Spulen an. Messe jeweils an der anderen Spule die sich ergebende Spannung. 2. Welche Wicklungsverhältnisse benötigen Trafos, die von 110kV auf 230V oder von 230V auf 5V transformieren. 10

11 Station 9: Lautsprecher und Mikrofon Schall geht von schwingenden Körpern wie z.b. einer Gitarrensaite oder unseren Stimmbändern aus. Durch die Schwingung wird die Umgebungsluft mal zusammengedrückt, mal wieder auseinandergezogen. Es entstehen Hoch- und Tiefdruckgebiete, die sich im Raum mit Schallgeschwindigkeit ausbreiten. Je schneller sich Hoch- und Tiefdruckgebiete abwechseln je schneller eine Gitarrensaite schwingt -, desto höher ist der Ton, den wir hören. Je stärker Hochund Tiefdruckgebiete ausgebildet sind, desto lauter wird ein Ton. In der Regel hat man es aber nicht mit so reinen Tönen (Tönen mit einer Frequenz) zu tun: die realen Schallquellen senden in der Regel viele Töne aus, die sich dann überlagern. So klingt der gleiche Ton bei jedem Musikinstrument anders. Ein Lautsprecher besteht aus einer Membran, an die eine Spule befestigt ist. Daneben befindet sich ein Dauermagnet. Wird jetzt ein Strom durch die Spule geleitet, entsteht ein Magnetfeld, das dem Magnetfeld des Dauermagneten gleichgerichtet oder entgegengesetzt. Dadurch wird die Membran zum Magneten bewegt oder vom Magneten abgestoßen. Leitet man einen Wechselstrom durch die Spule, entsteht eine Schwingung und die Membran beginnt Töne auszusenden. Ein Mikrofon ist ganz ähnlich aufgebaut. Hier bewegt der Schall eine besonders leicht aufgebaute Membran und die Spule wird dem Magnetfeld des Dauermagneten angenähert oder entfernt. Dadurch wird in der Spule im Takt der Schallwelle ein sich änderndes Magnetfeld produziert. Dieses führt natürlich zu einer Induktion einer Wechselspannung mit der gleichen Frequenz der Schallquelle. Diese Spannung kann nun verstärkt werden. Das Signal kann direkt wiedergegeben werden (Megaphon) oder aufgezeichnet werden (Kassetenrecorder). 11

12 1.) Welche Unterschiede in der Bauform werden Mikrofon und Lautsprecher haben? 2.) Erkläre die grundsätzlichen Unterschiede zwischen Mikrofon und Lautsprecher. 3.) Zeichne mit dem Programm gram Töne auf und versuche das Muster in Verbindung mit den aufgezeichneten Tönen zu bringen. 12

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