Experiment: Der Ørsted-Versuch (1)

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1 KRG NW, Physik Klasse 10, Elektrostatik, Fachlehrer Stahl Seite 1 Experiment: Der Ørsted-Versuch (1) Versuchsziel: Versuchsaufbau/- zubehör: Der Zusammenhang zwischen Elektrizität und Magnetismus wird deutlich. Versuchsdurchführung: Versuchserklärung: Fließt ein Strom durch den Leiter, stellt sich die Kompassnadel senkrecht zum Leiter ein. Der von Strom durchflossene elektrische Leiter ist von einem Magnetfeld umgeben, an dem sich die Kompassnadel orientiert. Welche Form hat das Magnetfeld? Versuchsergebnis: Ein stromdurchflossener Leiter ist von kreisförmigen geschlossenen magnetischen Feldlinien umgeben. Anders als beim Permanentmagneten beginnen diese Feldlinien nicht (vereinbarungsgemäß) beim Nordpol eines Magneten und sie enden nicht an dessen Südpol, sondern sie haben weder Anfang noch Ende. Anmerkung: Strom fließt Strom fließt aus der Zeichenebene heraus in die Zeichenebene hinein (Pfeilspitze von vorne gesehen) (Pfeilspitze von hinten gesehen) Es genügen maximal 10 V Gleichspannung, doch fließt ein großer Kurzschlussstrom, so dass rasch die Sicherung der elektrischen Quelle anspricht! Der Leiter sollte in O-W-Richtung, keinesfalls in N-S-Richtung aufgebaut werden!

2 KRG NW, Physik Klasse 10, Elektrostatik, Fachlehrer Stahl Seite 2 Das Magnetfeld gerader stromdurchflossener Leiter: Rechte-Hand-Regel Umfasst man den geraden, stromdurchflossenen Leiter so mit der rechten Hand, dass der abgespreizte Daumen in die technische Stromrichtung von + nach - weist, so zeigen die gekrümmten Finger die Richtung der magnetischen Feldlinien an. Das Magnetfeld paralleler Leiter Versuchsziel: Versuchsaufbau: Die Wirkung zweier paralleler gerader stromdurchflossener Leiter aufeinander wird untersucht. Versuchsdurchführung: Versuchserklärung: Versuchsergebnis: Erklärung zu 1. Fließt der Strom durch beide Leiter in gleicher Richtung (Abb. links), ziehen sich die Leiter an. Fließt der Strom durch beide Leiter in entgegengesetzter Richtung (Abb. rechts), stoßen sich die Leiter ab. Die Magnetfelder der beiden Leiter überlagern einander und verstärken bzw. schwächen sich insbesondere im Bereich zwischen den Leitern. 1. Sind zwei Leiter in gleicher Richtung von Strom durchflossen, so schwächen sich die Magnetfelder zwischen ihnenn gegenseitig ab; die Leiter ziehen also einander an. 2. Sind zwei Leiter in entgegengesetzter Richtung von Strom durchflossen, so verstärken sich die Magnetfelder zwischen ihnen; die Leiter stoßen also einander ab. Zunächst seien die Felder der beiden Leiter unabhängig voneinander betrachtet. Man erkennt, dass die Feldlinien zwischen den Leitern in

3 KRG NW, Physik Klasse 10, Elektrostatik, Fachlehrer Stahl Seite 3 entgegengesetzter Richtung verlaufen, wenn diese in gleicher Richtung stromdurchflossen sind. Zwischen den Leitern kommt es daher zu einer Schwächung bzw. gar Aufhebung dieser Feldlinien, die sich nicht überschneiden dürfen. In Folge dieser veränderten Form der Feldlinien kommt es zu einer anziehenden Kraft zwischen den Leitern. Anmerkung: Die Feldlinien kann man sich wie Gummibänder vorstellen, die sich zusammen ziehen. Außerdem hilft die Vorstellung, dass Feldlinien eine gleichmäßige Verteilung (Dichte) anstreben. Da sie wegen der gegenläufigen Richtung zwischen den Leitern ausgedünnt wurden, wird durch Zusammenziehen der Leiter in diesem Bereich wieder eine Verdichtung erreicht. Erklärung zu 2. Wieder betrachten wir die Felder der beiden Leiter unabhängig voneinander. Man erkennt, dass die Feldlinien zwischen den Leitern in gleicher Richtung verlaufen, wenn diese in entgegengesetzter Richtung stromdurchflossen sind. Zwischen den Leitern kommt es daher zu einer Verstärkung bzw. Verdichtung dieser Feldlinien, die sich nicht überschneiden dürfen. In Folge dieser veränderten Form der Feldlinien kommt es zu einer abstoßenden Kraft zwischen den Leitern.

4 KRG NW, Physik Klasse 10, Elektrostatik, Fachlehrer Stahl Seite 4 Definition der Stromstärke Aktuelle Definition im Gesetz über Einheiten im Messwesen: Üben zwei parallele, im Abstand von 1 m aufgehängte, gerade Leiter unendlicher Länge mit vernachlässigbar kleinem kreisförmigen Querschnitt im Vakuum aufeinander eine Kraft von N je Meter Leiterlänge Info: aus, Die Realisierung so fließt in ihnen der Ampere-D der Strom Definition 1 A. Zur Information Eine praktische Umsetzung der Formulierung der Definition ist selbstverständlich nicht direkt möglich. Formelmäßig ergibt sich:: F l = µ 0 2 π I 1 I 2 d Darin ist l die Länge der Leiter, µ 0 die magnetische Feldkonstante, I 1 und I 2 die Stromstärke im jeweiligen Leiter und d der Abstand der beiden Leiter. An Stelle der unendlich langen Leiter benutzt man zwei koaxiale Kreisringe, so dass das Verhältnis des Produktes der Stromstärken I 1 I 2 zur Kraft F aus den geometrischen Abmessungen und µ 0 herleitbar bleibt. Mit der abgebildeten Stromwaage von Driscoll und Cutkosky wird über das magnetische Moment ein Massenvergleich hergestellt. Bei dieser Versuchsanordnung liegt die Messunsicherheit bei etwa A. Diese wird im wesentlichen durch die Wägung und die geometrische Vermessung der Spulen verursacht. Eine sehr genaue Beschreibung findet sich in dem Buch von Detlef Kamke und Klaus Krämer: Physikalische Grundlagen der Maßeinheiten, Stuttgart (Teubner) 1977, S.95 ff., dem auch die nebenstehende, leicht vereinfachte Abbildung entnommen ist.

5 KRG NW, Physik Klasse 10, Elektrostatik, Fachlehrer Stahl Seite 5 Das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule (1) (1) Eine Spule besteht aus mehreren Leitern nebeneinander, deren jeweiligen Felder zunächst unabhängig voneinander betrachtet werden. (2) Die Überlagerung der einzelnen Felder führt zu dem folgenden Feldlinienbild: Das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule (2) (3) An die Spulenenden gebrachte Kompassnadeln stellen sich wie folgt ein: (4) Die Spule wirkt also so, als ob sich an ihren Enden Magnetpole befänden, und zwar auf der einen Seite ein Südpol und auf der anderen Seite ein Nordpol. S

6 KRG NW, Physik Klasse 10, Elektrostatik, Fachlehrer Stahl Seite 6 Experiment: Das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule Versuchsziel: Versuchsaufbau: Das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule wird experimentell bestätigt. Versuchsdurchführung: Man legt einen Stabmagneten auf einen Wagen, den man in die Nähe einer Spule bringt. Fließt Strom durch die Spule, wird der Wagen je nach Stromrichtung auf die Spule zu- oder von dieser wegfahren. Versuchserklärung: Die Spule ist bei Stromfluss von einem Magnetfeld umgeben. Dabei baut sie an ihren Enden in Abhängigkeit von der Stromrichtung jeweils einen Nordpol und einen Südpol auf. Liegt dem Wagen wie oben abgebildet ein Nordpol der Spule gegenüber, wird der Wagen sich von der Spule entfernen. Liegt dem Wagen aber in der obigen Situation ein Südpol der Spule gegenüber, wird er sich der Spul annähern. Versuchsergebnis: Anmerkung: Eine stromdurchflossene Spule verhält sich mit ihren Ende wie die Pole eines Magneten. Der Weicheisenkern ist eingeschoben, um das Magnetfeld der Spule hinreichend stark zu machen. Umfasst man die Windungen einer stromdurchflossenen Spule so mit der rechten Hand, dass die gekrümmten Finger in die technische Stromrichtung zeigen (von + nach -), so zeigt der abgespreizte Daumen zum Nordpol der Spule

7 KRG NW, Physik Klasse 10, Elektrostatik, Fachlehrer Stahl Seite 7 Experiment: Leiterschaukelversuch Versuchsziel: Versuch: Durch den Leiterschaukelversuch wird die Lorentzkraft eingeführt. - + Versuchsdurchführung: Versuchserklärung: Versuchsergebnis: Eine Leiterschaukel wird zwischen die Schenkel eines Hufeisenmagneten gebracht. Bei Stromfluss wird sie in Abhängigkeit von der Stromrichtung in den Hufeisenmagneten hinein- oder aber aus diesem heraus bewegt. Um den stromdurchflossenen Leiter baut sich ein kreisförmiges Magnetfeld auf. Dieses wird überlagert vom Magnetfeld des Hufeisenmagneten. Während sich auf der einen Seite der Leiterschaukel die Felder gegenseitig schwächen, verstärken sich die Felder auf der anderen Seite der Leiterschaukel. Die Leiterschaukel wird daher zu der Seite hin bewegt, auf der sich die Felder schwächen. Dieser Vorgang wird als Kraft auf die Elektronen in der Leiterschaukel beschrieben und nach ihrem Entdecker Lorentzkraft genannt. Auf Ladungen, die in einem Magnetfeld bewegt werden, wirkt eine Kraft, die sowohl senkrecht zur Richtung des Magnetfeldes als auch senkrecht zur Richtung des Stroms orientiert ist (Lorentzkraft).

8 KRG NW, Physik Klasse 10, Elektrostatik, Fachlehrer Stahl Seite 8 Die UVW- Regel Was geschah im Jahr 1675 Nach einem Blitzeinschlag kehrt ein Schiff, das von England nach Südamerika unterwegs ist, plötzlich um. Die Ursache ist bald gefunden: Durch den Blitz waren alle Schiffskompasse umgekehrt worden: die Kompassnadeln haben ihre Magnetpole vertauscht Etwa zur gleichen Zeit gibt es einen Bericht, dass ein Blitz, welcher in die Werkstatt eines Schuhmachers in Schwaben einschlug, dort alle Werkzeuge so stark magnetisierte, das der arme Handwerker sie nicht mehr gebrauchen konnte. Er hatte fortwährend damit zu schaffen, seinen Hammer seine Zange, sein Messer von Nägeln, Nadeln und Pfriemen zu befreien, welche sich auf dem Werktisch daran hingen. (Quelle unbekannt) 1820 Ørsted entdeckt während einer Vorlesung zufällig den Zusammenhang zwischen Elektrizität und Magnetismus, den Elektromagnetismus.

9 KRG NW, Physik Klasse 10, Elektrostatik, Fachlehrer Stahl Seite 9 Wie funktioniert eine Automatik-Sicherung? Abb. aus: Impulse, Physik 1, 1993, S.73 An Stelle der früher üblichen Schmelzsicherungen verwendet man Automatik- Sicherungen. Diese haben den Vorteil, immer wieder verwendet werden zu können, auch wenn sie angesprochen haben. handelsübliche 20 A - Einbausicherung Prinzipieller Aufbau einer Automatik- Sicherung Ausschaltknopf Halterung Einschaltknopf Eisenplättchen Elektromagnet Kontaktstelle Bimetallstreifen

10 KRG NW, Physik Klasse 10, Elektromagnetismus, Fachlehrer Stahl Seite 10 Der Strom fließt in einer Automatik-Sicherung durch eine Spule, die als Elektromagnet wirkt. Wird die zulässige Stromstärke überschritten, wird das Eisenplättchen gegen die Rückstellkraft der Feder zur Spule hingezogen. Die Halterung wird dadurch so bewegt, dass der Bimetallstreifen zur Seite bewegt wird. Der Bügel unter dem Einschaltknopf wird durch die Feder nach oben gezogen. Der Einschaltknopf springt heraus, und an der Kontaktstelle wird der Stromfluss unterbrochen. Neben dieser elektromagnetischen Sicherung gibt es eine thermische Sicherung in Form des Bimetallstreifens. Diese ist wichtig, weil bei einer geringfügigen, aber dauerhaften Überschreitung der zulässigen Stromstärke der Elektromagnet möglicherweise nicht anspricht, durch die Erwärmung aber der Bimetallstreifen an der Kontaktstelle den Stromfluss unterbricht. Hat die Sicherung einmal angesprochen, versetzt man sie wieder in ihren Funktionszustand, indem man den Einschaltknopf eindrückt. Gegebenenfalls muss man ein wenig warten, bis der Bimetallstreifen wieder abgekühlt ist. Durch Drücken des Ausschaltknopfes kann der Stromfluss zu jedem beliebigen Zeitpunkt unterbrochen

11 KRG NW, Physik Klasse 10, Elektromagnetismus, Fachlehrer Stahl Seite 11 Wie funktioniert ein Relais? Universal-Relais von Fleischmann Der Sinn eines Relais besteht in der Regel darin, einen beispielsweise mit großen Stromstärken verbundenen Stromkreis mit wenig Aufwand, d.h. durch einen anderen, weitaus geringer dimensionierten Stromkreis zu schalten. Bei den Relais sind drei Typen zu unterscheiden: Ausschaltrelais Einschaltrelais Umschaltrelais Beim Ausschaltrelais wird ein geschlossener Stromkreis geöffnet, indem beim Betätigen des Schalters im Relais- Schaltkreis der Anker einer Spule magnetisch wird. Der Kontaktbügel im zu schaltenden Stromkreis wird angezogen und der Stromfluss so unterbrochen. Beim Einschaltrelais wird auf entsprechende Weise dadurch, dass der Kontaktbügel angezogen wird, ein Stromkreis geschlossen. Beim Umschaltrelais wird durch die Veränderung des Kontaktbügels jeweils ein Stromkreis geöffnet, während ein anderer geschlossen wird.

12 KRG NW, Physik Klasse 10, Elektromagnetismus, Fachlehrer Stahl Seite 12 Experiment: Grundversuch zur Induktion Versuchsziel: Versuchsaufbau/- zubehör: Die Umkehrung des Leiterschaukelversuchs zum Grundversuch zur Induktion ist durchzuführen. Versuchsdurchführung: Versuchserklärung: Versuchsergebnis: In Umkehrung des Leiterschaukelversuchs wird diese nicht von Strom durchflossen und dann im Magnetfeld ausgelenkt, sondern in ihr wird nach Auslenkung im Magnetfeld eine Spannung induziert. Die Elektronen in der Leiterschaukel erfahren eine Lorentzkraft. Denn diese wirkt bei einer Relativbewegung von Ladung und Magnetfeld zueinander, unabhängig davon, welches von beiden bewegt wird. Wird eine Leiterschaukel im Magnetfeld bewegt, so wird in ihr eine Spannung induziert.

13 KRG NW, Physik Klasse 10, Elektromagnetismus, Fachlehrer Stahl Seite 13 Materialien: Induktionsgesetz 1 Universalmessgerät 4 Kabel 1 Stabmagnet 3 Spulen (400, 800, 1600 Windungen) Versuchsaufbau und -durchführung: 1. Problem: Muss der Magnet oder die Spule bewegt werden? Bewege mit jeweils gleicher Geschwindigkeit 1.1 den Magneten in die Spule hinein, 1.2 die Spule über den Magneten! 2. Problem: Ist die Richtung, in der der Stabmagnet bewegt wird, von Bedeutung? Bewege mit jeweils gleicher Geschwindigkeit 2.1 den N-Pol des Stabmagnetenn in die Spule hinein, 2.2 den N-Pol des Stabmagnetenn aus der Spule heraus, 2.3 den S-Pol des Stabmagnetenn in die Spule hinein, 2.4 den S-Pol des Stabmagnetenn aus der Spule heraus! 3. Problem: Kommt es auf die Geschwindigkeit der Relativbewegung an? 3.1 Bewege den Stabmagneten schnell in die Spule hinein! 3.2 Bewege den Stabmagneten langsam in die Spule hinein! 4. Problem: Ist die Windungszahl der Spule von Bedeutung? Bewege den Stabmagneten mit jeweils gleicher Geschwindigkeit und dem gleichen Pol (z.b. N- Pol) 4.1 in die Spule mit 400 Windungen hinein, 4.2 in die Spule mit 800 Windungen hinein, 4.3 in die Spule mit 1600 Windungen hinein! 4.4 Weshalb sind die drei Spulen bei diesem Versuch in Reihe geschaltett und nicht einzeln angeschlossen? Ergebnis: Bewegen sich ein Leiter und ein Magnetfeld relativ, aber nicht parallel zueinander, dann wird im Leiter eine Spannung induziert.

14 KRG NW, Physik Klasse 10, Elektromagnetismus, Fachlehrer Stahl Seite 14 Ursache der Induktionsspannung sind Lorentzkräfte, die an den mit dem Leiter relativ zum Magnetfeld bewegten Ladungen angreifen. Die Induktionsspannung in einer Spule ist der Windungszahl proportional. Sie ist ferner um so größer, je schneller die Änderung der Gesamtzahl der durch die Spule hindurchtretenden magnetischen Feldlinien ist. Experiment: Thomsonscher Ringversuch mit Stabmagnet Versuchsziel: Die Lenzsche Regel soll aus dem Experiment ermittelt werden. Versuchsaufbau/- zubehör: Versuchsdurchführung: Der Stabmagnet wird mit der Hand kräftig in den bifilar aufgehängten Ring gestoßen. Dieser zieht sich daraufhin zurück. Zieht man die Hand mit dem in den Ring gehaltenen Stabmagneten rasch aus diesem heraus, folgt der Ring. Versuchserklärung: Mit dem Stabmagneten nähert man dem Ring ein sich änderndes Magnetfeld. Dieser versucht dessen Aufbau zu verhindern, indem er seinerseits ein entgegengesetzt gerichtetes Feld aufbaut. So kommt es zur Abstoßung, da sich gleiche Pole gegenüberliegen. Im Ring wird dazu eine Spannung induziert, die wegen des Kurzschlusses einen Strom in der oben dargestellten Richtung fließen lässt. Auf diesen lässt sich zur Ermittlung der Richtung des so erzeugten Manetfeldes die bekannte Regel für eine stromdurchflossene Spule anwenden.

15 KRG NW, Physik Klasse 10, Elektromagnetismus, Fachlehrer Stahl Seite 15 Zieht man den Stabmagneten aus dem Ring, kehren sich die oben beschriebenen Verhältnisse um. Der Ring baut mittels Induktionsspannung und daraus resultierendem Strom ein Magnetfeld auf, das dem entfernten gleichgerichtet ist: er versucht, dessen Verschwinden gemäß der Lenzschen Regel durch Erzeugen eines gleichgerichteten Feldes zu verhindern. Versuchsergebnis: Der Ring versucht, die Änderung des durch den Stabmagneten erzeugten, sich bei Bewegung aber ändernden Magnetfeldes zu verhindern. Zusammenfassung Thomsonscher Ringversuch Bewegt man den Stabmagneten in den Ring hinein, wird in diesem ein Strom induziert. Dieser ist so gerichtet, dass er ein Magnetfeld aufbaut, das dem sich nähernden Magnetfeld des Stabmagneten entgegen wirkt, dessen Aufbau also zu verhindern sucht. Bewegt man den Stabmagneten aus dem Ring heraus, wird in diesem ein Strom induziert. Dieser ist so gerichtet, dass er ein Magnetfeld aufbaut, das dem sich entfernenden Magnetfeld des Stabmagneten gleich gerichtet ist, dessen Abbau also zu verhindern sucht.