Demonstrationsexperimente WS 2005/06. Wirbelstrombremse (Waltenhofensches Pendel)

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1 Demonstrationsexperimente WS 2005/06 Wirbelstrombremse (Waltenhofensches Pendel) Susanne Hoika 02. Dezember Versuchsbeschreibung 1.1 Materialliste 1 Dreifuss PASS 1 Stativstange 1 T-Muffe 1 Verlängerungsstab 1 Muffe mit Stift 1 Pendelstange Pendelkörper (Blech, Blech mit Schlitzen ( = Kamm), Scheibe, Ring, Ring mit Schlitz ( R 3 ) aus Aluminium z. B.) 1 Eisenkern (U-förmig) 1

2 2 Spulen mit 300 Windungen (je 0,8 Ω, max. 4 A) 1 Paar Polschuhe 3-4 Kabel für die Stromversorgung gibt es 2 Möglichkeiten: 1. 1 Batterie (12 V) und ein Potentiometer (Schiebewiderstand bis 10,5 Ω) 2. 1 DC-Netzteil (Gleichstrom-Netzteil mit folgender Leistung: 30 V, 10 A) 1.2 Versuchsaufbau und Versuchsvorbereitung Auf einem Dreifuß wird eine Stativstange montiert und darauf ein Verlängerungsstab mit einer T-Muffe befestigt. Die Pendelstange und eine Muffe werden mit einem Stift drehbar verbunden. Die Muffe selber wird in den Verlängerungsstab gesteckt und festgedreht. Auf dem U-förmigen Eisenkern werden die 2 Spulen gesetzt und in Reihe geschaltet (Elektromagnet). Auf den Spulen wird jeweils ein Polschuh befestigt. An die Pendelstange wird ein Pendelkörper geklemmt. Das Pendel muss man so einstellen, dass es parallel zum Spalt zwischen den zwei Polschuhen schwingt. Abbildung 1: Versuchsaufbau mit Batterie und Potentiometer Für die Stromversorgung gibt es zwei Möglichkeiten: 1. Das Potentiometer sollte vorsichtshalber auf maximalen Widerstand gestellt werden, bevor etwas angeschlossen wird. Der Pluspol der Batterie wird mit 2

3 dem Potentiometer, der Minuspol mit der einen Spule und das Potentiometer mit der anderen Spule verbunden (Reihenschaltung) (Abb. 1). U Batterie = 12V R Spule1 = R Spule2 = 0, 8Ω Da bei der Reihenschaltung die Stromstärke konstant ist, gilt aufgrund der Spulen: I = 4A Beide Spulen vertragen somit jeweils eine Spannung von: R = U I U Spule1 = U Spule2 = R Spule I = 0, 8Ω 4A = 3, 2V Also muss folgende Spannung am Potentiometer abfallen: U P otentiometer = 12V 2 3, 2V = 5, 6V Das Potentiometer darf keinen kleineren Widerstand haben als: R P otentiometer = U P otentiometer I = 5, 6V 4A = 1, 4Ω 2. Beim DC-Netzteil sollte man vorsichtshalber die Strombegrenzung auf die maximale Stromstärke stellen, die die Spulen noch vertragen (hier: 4 A). Dazu muss man den Plus- und den Minuspol des Ausgangs mit einem Kabel verbinden. Danach kann man den Pluspol mit der einen und den Minuspol mit der anderen Spule verbinden (Abb. 2). Abbildung 2: Versuchsaufbau mit DC-Netzteil 3

4 1.3 Versuchsdurchführung Zuerst wird ein Blech als Pendelkörper verwendet. Dieses schwingt bei abgeschalteten Magnetfeld relativ ungedämpft hin und her. Schaltet man das Magnetfeld ein, so wird es stark gebremst, weil die Leitungselektronen im Pendelkörper durch die Lorentzkraft auf kreisähnliche Bahnen abgelenkt werden und ein Induktionsstrom fließt. Nach der Drei-Finger-Regel wirkt auf das im Feld befindliche Leiterstück eine entgegen der Bewegung des Pendelkörpers gerichtete Kraft, die ihn bremst. Die in zusammenhängenden Metallstücken hervorgerufenen Induktionsströme nennt man Wirbelströme. Zum Vergleich nimmt man das Blech mit Schlitzen. Dieses wird nur schwach gebremst. Das liegt daran, dass sich durch die Schlitze nicht so viele Wirbelströme ausbilden können. Als nächstes vergleicht man eine Scheibe, einen Ring und einen Ring mit Schlitz. Man stellt fest, dass je größer die Fläche des Pendelkörpers ist und je weniger Schlitze bzw. Löcher er hat, desto stärkere Wirbelströme bilden sich aus und desto schneller wird der Pendelkörper gebremst. 2 Lernvoraussetzungen Kenntnis der Drei-Finger-Regel der rechten Hand (UVW-Regel) Kenntnis der Lorentzkraft Wissen, dass ein stromdurchflossener Leiter im Magnetfeld eine Kraft erfährt Wissen, dass durch Bewegung eines Leiters im Magnetfeld an seinen Enden eine Induktionsspannung entsteht Wissen, dass ein Induktionsstrom fließt, falls der Stromkreis außerhalb des Magnetfeldes geschlossen ist. Kenntnis der Regel von Lenz 3 Lernziele dieses Versuches 3.1 Grobziele Vertiefung der Regel von Lenz Wissen, was Wirbelströme sind 4

5 3.2 Feinziele Bewusstsein, dass je größer die Fläche des Pendelkörpers ist und je weniger Schlitze bzw. Löcher er hat, desto schneller wird der Pendelkörper gebremst Wissen, dass die Leitungselektronen des Pendelkörpers beim Hineinschwingen in das Magnetfeld durch die Lorentzkraft auf kreisähnliche Bahnen abgelenkt werden und somit ein Induktionsstrom fließt Wissen, dass in zusammenhängenden Leiterstücken hervorgerufene Induktionsströme Wirbelströme genannt werden. Modellvorstellung von Wirbelströmen Wissen, dass nach der Drei-Finger-Regel auf das im Feld befindliche Leiterstück eine entgegen der Bewegung des Pendelkörpers gerichtete Kraft wirkt, die ihn bremst. Wissen, dass der Induktionsstrom immer so fließt, dass er der Bewegung, durch die er entsteht, entgegenwirkt (Vertiefung der Lenzschen Regel) Kenntnis der Anwendungsgebiete der Wirbelstrombremse 4 Bezug zu einem übergeordneten Unterrichtsthema Induktion in bewegten Leitern, Lenzsche Regel 5

6 5 Experimentelle Alternativen Zur Vertiefung der Lenzschen Regel und Erklärung von Wirbelströmen bietet sich auch ein Wechselstromzähler an. Abbildung 3: Wechselstromzähler aus PHYWE-Katalog 6 Mögliche bzw. notwendige Modifikation des Gruppenexperiments bei Einsatz als Demonstrationsexperiment Da die für diesen Versuch benötigten Geräte zu teuer sind und die Schule nicht genug davon haben, ist ein Gruppenexperimtent nicht möglich. 6

7 7 Unterrichtsverfahren Modifiziertes Normalverfahren 7.1 Sozialformen Unterrichtsgespräch 7.2 Lehrform(en) und Lernformen (= Aktionsformen) Erarbeitende bzw. darbietende Lehrform 7.3 Motivationssituation oder Einstiegssituation Da dieser Versuch ein weiteres Beispiel zur Lenzschen Regel ist, bietet es sich an, den Versuch einfach zu zeigen, ohne zu verraten, wie dieser heißt. Die Schüler sollen versuchen zu beschreiben, was passiert und was es mit dem bisher Gelernten zu tun haben könnte. 7.4 Problemfragen und Hypothesen Wie funktioniert eine Wirbelstrombremse und wo wird sie angewendet? 7

8 8 Sicherung der Lernziele (Arbeitsblatt) Wirbelstrombremse (Waltenhofensches Pendel) Ein massiver Pendelkörper pendelt bei abgeschalteten Magnetfeld zwischen den Polschuhen eines Elektromagneten relativ ungedämpft. Schaltet man das Magnetfeld ein, so ändert sich beim Hineinschwingen des Pendelkörpers in den Elektromagneten das Magnetfeld. Der Pendelkörper wird stark abgebremst, weil die Leitungselektronen in ihm durch die Lorentzkraft auf kreisähnliche Bahnen abgelenkt werden, und eine Spannung in ihm induziert wird, die einen Induktionsstrom verursacht. Nach der Drei-Finger-Regel wirkt auf das im Feld befindliche Leiterstück eine entgegen der Bewegung des Pendelkörpers gerichtete Kraft (Lenzsche Regel), die ihn bremst. Die in zusammenhängenden Metallstücken hervorgerufenen Induktionsströme nennt man Wirbelströme. 8

9 Modellvorstellung der Wirbelströme: Messung der Bremszeit: Pendelkörper massives Blech Blech mit Schlitzen massive Scheibe Ring Ring mit Schlitz Bremszeit in s Man stellt fest, dass je größer die Fläche des Pendelkörpers ist und je weniger Schlitze bzw. Löcher er hat, desto stärkere Wirbelströme bilden sich aus und desto schneller wird der Pendelkörper gebremst. Befindet sich der Ring vollständig im Magnetfeld, so wirkt auf ihn keine Kraft, da sich das Magnetfeld nicht ändert. Beispiele, wo die Wirbelstrombremse eingesetzt wird: ICE, Fahrgeschäfte auf dem Volksfest, Fitnessgeräte 9 Lernzielkontrollen Die Schüler sollen den Lückentext (Lücken kursiv geschrieben) als Hausaufgabe ausfüllen, falls es nicht bereits im Unterricht getan wurde. Zudem sollen sie sich über weitere Beispiele informieren, wo überall Wirbelstrombremsen eingesetzt werden. In der nächsten Stunde sollen sie den Versuch erklären können und am Versuch zeigen, was passiert. 9

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