Experimente zur elektromagnetischen Induktion I

Transkript

1 Fließt ein elektrischer Strom durch eine Spule, entsteht in der Spule ein Magnetfeld. Der umgekehrte Fall gilt allerdings nicht: Ein Stabmagnet, der sich im Innern einer Spule befindet, verursacht in der Spule (bzw. in dem Stromkreis, in den die Spule geschaltet ist) keinen Strom. Das ändert sich, wenn man den Magnet in der Spule bewegt. Material: Stabmagnet, Elektromagnet, Gleichspannungsquelle (geglättet), Schalter, Spulen mit verschiedenen Windungszahlen, Spannungsmessgerät 1. Führe den oben beschriebenen Versuch durch. Schalte ein empfindliches Spannungsmessgerät in den Stromkreis. Verwende verschiedene Spulen und Stabmagnete und ändere Bewegungsrichtung und -geschwindigkeit des Stabmagneten. Wovon hängen Stärke und Richtung des Ausschlags am Messgerät ab? 2. Lasse den Schaltungsaufbau unverändert und drehe den Stabmagnet vor der Spulenöffnung. Was beobachtest du am Messgerät? 3. Im nächsten Versuch soll der Stabmagnet in Ruhe bleiben, während die Spule bewegt wird. Fasse die Ergebnisse dieser Aufgabe sowie der Aufgabe 1 und 2 zusammen: Wann wird eine Spannung induziert? 4. Benutze an Stelle des Stabmagnets einen Elektromagnet. Erhält man die gleichen Ergebnisse wie mit dem Stabmagnet?

2 5. Ordne die Spule und den Elektromagnet so nebeneinander an, dass ihre Achsen parallel zueinander verlaufen. Schalte den Elektromagnet wiederholt ein und aus. Was zeigt das Messgerät an? 6. Fasse alle Ergebnisse zusammen: a) Wann entsteht eine Induktionsspannung? b) Wie erhält man eine höhere Induktionsspannung? c) Wovon hängt die Richtung des Zeigerausschlags, also die Polung der Induktionsspannung ab?

3 Fließt ein elektrischer Strom durch eine Spule, entsteht in der Spule ein Magnetfeld. Der umgekehrte Fall gilt allerdings nicht: Ein Stabmagnet, der sich im Innern einer Spule befindet, verursacht in der Spule (bzw. in dem Stromkreis, in den die Spule geschaltet ist) keinen Strom. Das ändert sich, wenn man den Magnet in der Spule bewegt. Material: Stabmagnet, Elektromagnet, Gleichspannungsquelle (geglättet), Schalter, Spulen mit verschiedenen Windungszahlen, Spannungsmessgerät 1. Führe den oben beschriebenen Versuch durch. Schalte ein empfindliches Spannungsmessgerät in den Stromkreis. Verwende verschiedene Spulen und Stabmagnete und ändere Bewegungsrichtung und -geschwindigkeit des Stabmagneten. Wovon hängen Stärke und Richtung des Ausschlags am Messgerät ab? Der Zeigerausschlag ist umso größer, je höher die Geschwindigkeit ist, mit der die Spule bewegt wird und je größer die Windungszahl der Spule ist. Die Richtung des Zeigerausschlags wechselt, wenn man die Bewegungsrichtung des Magnets umgekehrt oder wenn man den Stabmagnet umdreht, also die Polanordnung vertauscht. 2. Lasse den Schaltungsaufbau unverändert und drehe den Stabmagnet vor der Spulenöffnung. Was beobachtest du am Messgerät? Der Zeiger pendelt um die Null-Lage. 3. Im nächsten Versuch soll der Stabmagnet in Ruhe bleiben, während die Spule bewegt wird. Fasse die Ergebnisse dieser Aufgabe sowie der Aufgabe 1 und 2 zusammen: Wann wird eine Spannung induziert? Auch jetzt kann man einen Ausschlag am Messgerät beobachten. Eine Induktionsspannung entsteht immer dann, wenn Spule und Stabmagnet relativ zueinander bewegt werden. 4. Benutze an Stelle des Stabmagnets einen Elektromagnet. Erhält man die gleichen Ergebnisse wie mit dem Stabmagnet? Alle Ergebnisse lassen sich bestätigen. Je nach Stärke von Stabmagnet und Elektromagnet ändert sich eventuell die Höhe der Ausschläge am Messgerät.

4 5. Ordne die Spule und den Elektromagnet so nebeneinander an, dass ihre Achsen parallel zueinander verlaufen. Schalte den Elektromagnet wiederholt ein und aus. Was zeigt das Messgerät an? Beim Ein- und Ausschalten wird jeweils kurzzeitig eine Induktionsspannung angezeigt, beim Einschalten mit umgekehrtem Vorzeichen wie beim Ausschalten. Zwischen dem Ein- und Ausschalten wird keine Induktionsspannung angezeigt. 6. Fasse alle Ergebnisse zusammen: a) Wann entsteht eine Induktionsspannung? Eine Induktionsspannung entsteht dann, wenn die Spule von einem sich ändernden Magnetfeld durchsetzt wird. Die Änderung kann sowohl durch Bewegung als auch durch Änderung der Magnetfeldstärke erreicht werden. b) Wie erhält man eine höhere Induktionsspannung? Schnellere Magnetfeldänderung, größere Windungszahl der Spule, stärkerer Magnet c) Wovon hängt die Richtung des Zeigerausschlags, also die Polung der Induktionsspannung ab? Bewegungsrichtung, Richtung des Magnetfelds (Lage der Magnetpole), Änderung des Magnetfelds (Verstärkung oder Abschwächung)

5 1. Vervollständige folgenden Lückentext: Der Fahrraddynamo stellt dar. Zu ihnen zählen auch noch 2. Hier sind die wichtigsten Bauteile eines Dynamos aufgeführt. Übertrage die entsprechenden Nummern in nebenstehende Skizze: 1 Antriebsrad 2 Verbindung der Spule mit dem Gehäuse 3 Achtpoliger Magnet 4 Spule 5 Anschlussklemme Bild 1 3. Vervollständige folgenden Lückentext. Verwende folgende Begriffe: Antriebsrad, heller, induziert, höher, Energieumwandlung, Bewegungsenergie, elektrische Energie, mitdrehender Magnet, größer Im Dynamo findet eine Form der statt, und zwar wird Bewegungs- energie in umgewandelt. Wird das schneller gedreht, erhält der mehr, wobei das Licht wird. Je die Drehgeschwindigkeit, desto die Spannung. 4. Die nebenstehende Abbildung zeigt das Modell einer Fahrradbeleuchtung. Könnte man die Metallschiene zwischen den beiden Stangen auch weglassen (Begründung)? Bild 2

6 Im Gehäuse eines Fahrraddynamos befinden sich ein zylinderförmiger Dauermagnet mit mehreren Nord- und Südpolen und eine feststehende Spule. Der Dauermagnet dreht sich mit dem Antriebsrad. Ein Spulenende ist mit dem Dynamogehäuse, das andere ist mit der Kontaktschraube des Dynamos verbunden. 1. Verbinde ein empfindliches Zeigermessgerät mit der Kontaktschraube und dem Gehäuse eines Fahrraddynamos. Drehe das Antriebsrad langsam mit der Hand und beobachte das Messgerät. Beschreibe deine Beobachtung. 2. Baue die Anordnung im Dynamo als Versuch nach. Lagere einen Dauermagnet drehbar (oder hänge ihn an einem Faden auf) und stelle vor ihm eine Spule auf. Drehe den Magnet so, dass sich Nord- und Südpol abwechselnd an einem Spulenende vorbeibewegen. Verbinde das Messinstrument mit der Spule und beobachte den Zeigerausschlag, während der Magnet sich dreht. Beschreibe deine Beobachtung und versuche, sie zu erklären!

7 3. Zeichne den Verlauf der Spannung am Messgerät während der Drehbewegung in ein Diagramm ein. Trage auf der x-achse die Zeit ab! Trage die Spannungswerte im positiven Bereich der Anzeige oberhalb der Zeitachse ein, die negativen Messwerte unterhalb der Zeitachse. Eine solche Spannung, bei der das Vorzeichen an den Anschlüssen periodisch wechselt, nennt man Wechselspannung. 4. Welche elektrischen Geräte kann man mit Wechselspannung betreiben? Gibt es auch Geräte, die nur mit Gleichspannung funktionieren?

8 1. Vervollständige folgenden Lückentext: Der Fahrraddynamo stellt eine elektrische Energiequelle dar. Zu ihnen zählen auch noch Batterien, Akkumulatoren, Netzgeräte und Solarzellen. 2. Hier sind die wichtigsten Bauteile eines Dynamos aufgeführt. Übertrage die entsprechenden Nummern in nebenstehende Skizze: 1 Antriebsrad 2 Verbindung der Spule mit dem Gehäuse 3 Achtpoliger Magnet 4 Spule 5 Anschlussklemme Bild 1 3. Vervollständige folgenden Lückentext. Verwende folgende Begriffe: Antriebsrad, heller, induziert, höher, Energieumwandlung, Bewegungsenergie, elektrische Energie, mitdrehender Magnet, größer Im Dynamo findet eine Form der Energieumwandlung statt, und zwar wird Bewegungs- energie in elektrische Energie Wird das Antriebsrad umgewandelt. schneller gedreht, erhält der mitdrehende Magnet mehr Bewegungsenergie, wobei das Licht heller wird. Je größer die Drehgeschwindigkeit, desto höher die induzierte Spannung. 4. Die nebenstehende Abbildung zeigt das Modell einer Fahrradbeleuchtung. Könnte man die Metallschiene zwischen den beiden Stangen auch weglassen (Begründung)? Nein, der Stromkreis wird über Spulenanschluss, das Dynamogehäuse und die Stangen geschlossen. Nur der Scheinwerfer leuchtet. Bild 2

9 Im Gehäuse eines Fahrraddynamos befinden sich ein zylinderförmiger Dauermagnet mit mehreren Nord- und Südpolen und eine feststehende Spule. Der Dauermagnet dreht sich mit dem Antriebsrad. Ein Spulenende ist mit dem Dynamogehäuse, das andere ist mit der Kontaktschraube des Dynamos verbunden. 1. Verbinde ein empfindliches Zeigermessgerät mit der Kontaktschraube und dem Gehäuse eines Fahrraddynamos. Drehe das Antriebsrad langsam mit der Hand und beobachte das Messgerät. Beschreibe deine Beobachtung. Das Messgerät schlägt nach beiden Seiten aus der Null-Lage aus. Der Wechsel erfolgt immer dann, wenn ein Widerstandspunkt beim Drehen überwunden wurde. 2. Baue die Anordnung im Dynamo als Versuch nach. Lagere einen Dauermagnet drehbar (oder hänge ihn an einem Faden auf) und stelle vor ihm eine Spule auf. Drehe den Magnet so, dass sich Nord- und Südpol abwechselnd an einem Spulenende vorbeibewegen. Verbinde das Messinstrument mit der Spule und beobachte den Zeigerausschlag, während der Magnet sich dreht. Beschreibe deine Beobachtung und versuche, sie zu erklären! Der Zeiger des Messinstruments bewegt sich wie beim Fahrraddynamo. Nach einer vollen Umdrehung des Stabmagneten hat sich der Zeiger einmal hin und zurück bewegt. Durch die Bewegung des Stabmagnets verändert sich dessen Magnetfeld in der Spule. Es entsteht eine Induktionsspannung. Da sich einmal der Südpol und einmal der Nordpol in gleicher Richtung am Spulenende vorbeibewegt, entsteht eine Spannung mit wechselnder Polung, wobei eine volle Umdrehung des Magnets einer Induktionsspannung mit positivem und negativem Zeigerausschlag entspricht.

10 3. Zeichne den Verlauf der Spannung am Messgerät während der Drehbewegung in ein Diagramm ein. Trage auf der x-achse die Zeit ab! Trage die Spannungswerte im positiven Bereich der Anzeige oberhalb der Zeitachse ein, die negativen Messwerte unterhalb der Zeitachse. Eine solche Spannung, bei der das Vorzeichen an den Anschlüssen periodisch wechselt, nennt man Wechselspannung. 4. Welche elektrischen Geräte kann man mit Wechselspannung betreiben? Gibt es auch Geräte, die nur mit Gleichspannung funktionieren? Mit Wechselspannung: Alle Geräte, bei denen die Polung der Spannung keinen Einfluss hat, z. B. Glühlampen, Heizgeräte, Elektromagnete (Gong, Klingel, Hubmagnet, Elektromotoren ohne Permanentmagnet) Nur mit Gleichstrom: Motoren mit Permanentmagnet, Gerät mit Transistoren wie Radio, CD-Player. Bei Betrieb mit Wechselspannung wird den Geräten ein Gleichrichter vorgeschaltet, der die Wechselspannung in eine Gleichspannung überführt. Auch Ladegeräte für Akkus müssen eine Gleichspannung bereitstellen.