Die magnetische Wirkung eines stromdurchflossenen Leiters (Artikelnr.: P )

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1 Lehrer-/Dozentenblatt Die magnetische Wirkung eines stromdurchflossenen Leiters (Artikelnr.: P ) Curriculare Themenzuordnung Fachgebiet: Physik Bildungsstufe: Klasse 7-10 Lehrplanthema: Elektrizitätslehre Unterthema: Elektromagnetismus Experiment: Die magnetische Wirkung eines stromdurchflossenen Leiters Schwierigkeitsgrad Vorbereitungszeit Durchführungszeit empfohlene Gruppengröße Mittel 10 Minuten 10 Minuten 2 Schüler/Studenten Zusätzlich wird benötigt: Versuchsvarianten: Weißes Papier (DIN A4) Lineal (ca. 30 cm) Schlagwörter: Aufgabe und Material Lehrerinformationen Zusatzinformationen Während die Wärme- und Lichtwirkung des elektrischen Stroms den menschlichen Sinnen unmittelbar zugänglich sind, trifft das auf die chemische und magnetische Wirkung nicht zu. Mit diesem Versuch sollen die Schüler erkennen, dass ein stromdurchflossener Leiter von einem Magnetfeld umgeben ist. Somit werden sie in die Lage versetzt, elektrische Einrichtungen und Geräte zu durchschauen, die ihnen aus der Praxis bekannt sind, z.b. die elektrische Klingel und der Elektromotor. Für die Erklärung der Erscheinungen, die während des Versuchs auftreten, ist es hilfreich, wenn vorher das den Schülern bekannte Wissen über den Permanentmagnetismus reaktiviert worden ist (Kräfte zwischen Magneten; Magnetpole; Magnetfeld). Hinweise zum Aufbau und zur Durchführung Bei diesem Versuch liegt de facto ein Kurzschluss vor. Er wird dadurch zulässig, dass das Netzgerät mit elektronischer Strombegrenzung ausgerüstet ist. Darauf sollten die Schüler aufmerksam gemacht werden, weil sie anderenfalls die mit Kurzschlüssen verbundenen Gefahren unterschätzen könnten. Anmerkungen Da die Verbindungsleitungen aus Kupfer bestehen, können sie mit den magnetischen Wirkungen nicht in Zusammenhang gebracht werden. Die Tatsache, dass es sich hier um Feldlinien handelt, die nicht in Richtung von einem Pol zum anderen verlaufen und auch nicht in einen Körper hinein oder aus ihm heraus verlaufen, ist für Schüler überraschend und oft schwer verständlich. Durch die einleitenden Versuchsschritte im 2. Versuch mit dem Stabmagneten sollen die Kenntnisse der Schüler über den Permanentmagneten reaktiviert werden und dadurch die Erkenntnis wesentlicher Analogien zum Elektromagneten erleichtert werden.

2 Die mageetische Wirkueg eiees stromdurchflosseeee Leiters (Artikeler.: P ) Aufgabe ued Material Aufgabe Hat der elektrische Strom auch eiee mageetische Wirkueg? 1. Untersuche mit Hife einer Magnetnadel, ob ein gerader -eiter, der vom elektrischen Strom durchflossen wird, mangnetische Wirkung zeigt. 2. Weise nach, dass eine stromdurchflossene Spule wie ein Stabmagnet wirkt und untersuche, wovon die Stärke ihres Magnetfeldes abhängig ist.

3 Material Positioe Material Besteller. Meege 1 -eitungs-baustein, gerade, SB eitungs-baustein, winklig, SB eitungs-baustein, unterbrochen, SB eitungs-baustein, Anschlussbaustein, SB Ausschalter, SB Spule, 400 Windungen Spule, 1600 Windungen Joch Zeichenkompasse, 2 Stück Verbindungsleitung, 32 A, 250 mm, rot Verbindungsleitung, 32 A, 250 mm, blau Verbindungsleitung, 32 A, 500 mm, rot Verbindungsleitung, 32 A, 500 mm, blau Vielfachmessinstrument, analog PHYWE Netzgerät DC: V, 2 A / AC: 6 V, 12 V, 5 A Magnet, stabförmig, l = 72 mm Zusätzliches Material Aufbau ued Durchführueg Aufbau 1. Versuch Weißes Papier (DIN A 4) 1 -ineal (ca. 30 cm) 1 Baue den Stromkreis wie in Abb. 1 und 2 auf. Stecke eine kurze Verbindungsleitung in die Anschlussbausteine und richte sie so aus, dass die -eitung in Nord-Süd-Richtung verläuft. Stelle am Netzgerät die Strombegrenzung auf 2 A.

4 Abb. 1 Abb Versuch Zeichne auf dem Blatt Papier zwei zueinander senkrecht verlaufende Strecken und lege den Kompass so darauf, dass der Drehpunkt der Magnetnadel über dem Schnittpunkt der Strecken liegt. Drehe das Blatt bis die Magnetnadel in Richtung der kürzeren Strecke verläuft und markiere die Enden dieser Strecken mit N und S (Abb. 3). -ege den Stabmagnet in etwa 10 cm Entfernung von der Magnetnadel auf das Blatt und markiere zwei Feldlinien auf dem Blatt (Abb. 3 und 4). Abb. 3 Abb Versuch Baue den Versuch wie in Abb. 5 und 6 zunächst mit geöffnetem Schalter auf. Schließe eine Spule mit 1600 Windungen an die beiden langen Verbindungsleitungen an und wähle den Messbereich 300 ma. Entferne den Stabmagnet und setze die Spule an seiner Stelle auf das Blatt. Platziere den Kompass wieder in Ausgangsstellung (über dem Schnittpunkt der Strecken) und ordne ihn ggf. neu ein.

5 Abb. 5 Abb. 6 Durchführueg 1. Versuch Stelle das Netzgerät auf 0 V und schalte es ein Schließe den Schalter und erhöhe die Spannung so weit, bis die Kontrollleuchte am Netzgerät aufleuchtet. Öffne den Schalter und halte den Kompass unmittelbar unter das in Nord-Süd-Richtung verlaufende -eiterstück. Schließe den Schalter und beobachte dabei die Magnetnadel. Öffne und schließe den Schalter nochmal. Beobachte die Magnetnadel und notiere Deine Beobachtungen unter Beobachtungen 1 im Protokoll. Fertige dazu eine -ageskizze mit dem -eiter (+ ) und der Magnetnadel an. Halte den Kompass bei geschlossenem Schalter unmittelbar über das -eiterstück (Abb. 7). Beobachte die Magnetnadel und notiere Deine Beobachtugen unter Beobachtungen 2. Skizziere die jetzige gegenseitige -age von -eiter und Magnetnadel. Hebe den Kompass über den -eiter immer höher und beobachte die Ablenkung der Magnetnadel. Halte den Kompass unmittelbar unter den -eiter. Senke ihn immer weiter ab und beobachte die Ablenkung der Magnetnadel. Notiere Deine Beobachtungen unter Beobachtungen 3. Halte den Kompass unmittelbar neben das -eiterstück und entferne ihn langsam horizontal vom -eiter. Beobachte die Magnetnadel und notiere Deine Beobachtungen unter Beobachtungen 4. Halte zuletzt den Kompass noch einmal unter das -eiterstück. Öffne den Schalter und pole die Anschlüsse am Netzgerät und am Messgerät um. Schließe den Schalter. Beobachte die Magnetnadel und notiere Deine Beobachtungen unter Beobachtungen 5. Stelle das Netzgerät auf 0 V und schalte es aus. Abb Versuch Bewege den Kompass längs der Feldlinien langsam einmal um den Stabmagneten herum. Beobachte dabei die Magnetnadel und notiere Deine Beobachtungen unter Beobachtungen 6.

6 3. Versuch Stelle das Netzgerät auf 0 V und schalte es ein. Schließe den Schalter. Erhöhe die Spannung bis der Strommesser 250 ma anzeigt. Nähere den Kompass langsam der Spule und beobachte dabei die Magnetnadel. Notiere Deine Beobachtungen unter Beobachtungen 7 im Protokoll. Bewege den Kompass längs der gezeichneten Feldlinien um die Spule herum. Beobachte dabei die Magnetnadel und vergleiche ihre Bewegung mit der unter Beobachtungen 6 gemachten. Notiere Deine Beobachtungen unter Beobachtungen 8. Platziere den Kompass wieder in Ausgangsstellung und beobachte die Ablenkung der Magnetnadel, wenn nacheinander die Stromstärken 250 ma, 150 ma und 50 ma betragen. Markiere die jeweilige -age der Magnetnadelspitze auf dem Blatt z.b. mit Punkten. Notiere Deine Beobachtungen unter Beobachtungen 9. Öffne den Schalter. Stelle das Netzgerät auf 0 V und tausche die Spule mit 1600 Windungen gegen eine Spule mit 400 Windungen aus. Schließe den Schalter. Beobachte die Ablenkung der Magnetnadel bei 50 ma, 150 ma und 250 ma. Markiere die jeweilige -age der Magnetnadelspitze auf dem Blatt z.b. mit Strichen. Vergleiche die Ablenkungen mit denen, die die jeweiligen Stromstärken bei Verwendung der Spule mit 1600 Windungen bewirkt hatten. Notiere Deine Beobachtungen unter beobachtungen 10. Schiebe den Eisenkern (das Joch) in die Spule. Vergleiche die Ablenkung der Magnetnadel vor und nach dem Einsetzen des Eisenkerns. Notiere Deine Beobachtungen unter Beobachtungen 11. -ege Nägel oder Büroklammern auf das Blatt und bringe die Spule mit dem Kern in die Nähe der Teile. Notiere Deine Beobachtungen unter Beobachtungen 12. Stelle das Netzgerät auf 0 V und schalte es aus.

7 Protokoll: Die mageetische Wirkueg eiees stromdurchflosseeee Leiters Ergebeis - Beobachtuegee 1 (10 Puekte) Ergebeis - Skizze 1 (10 Puekte) Skizziere die Magnetnadel analog zu deinen Beobachtungen die du unter "Ergebnis - Beobachtungen 1" notiert hast.

8 Ergebeis - Beobachtuegee 2 (10 Puekte) Ergebeis - Skizze 2 (10 Puekte) Skizziere die Magnetnadel analog zu deinen Beobachtungen die du unter "Ergebnis - Beobachtungen 2" notiert hast.

9 Ergebeis - Beobachtuegee 3 (10 Puekte) Ergebeis - Beobachtuegee 4 (10 Puekte)

10 Ergebeis - Beobachtuegee 5 (10 Puekte) Ergebeis - Beobachtuegee 6 (10 Puekte)

11 Ergebeis - Beobachtuegee 7 (10 Puekte) Ergebeis - Beobachtuegee 8 (10 Puekte)

12 Ergebeis - Beobachtuegee 9 (10 Puekte) Ergebeis - Beobachtuegee 10 (10 Puekte)

13 Ergebeis - Beobachtuegee 11 (10 Puekte) Ergebeis - Beobachtuegee 12 (10 Puekte)

14 Auswertueg - Frage 1 (10 Puekte) Welche Schlussfolgerung muss aus den Beobachtungen gezogen werden, die Du unter Beobachtungen 1, 2, 3 und 5 notiert hast? Auswertueg - Frage 2 (10 Puekte) Aus den unter Beobachtungen 1, 2 und 4 notierten Beobachtungen sowie den beiden Skizzen kann man auf die Form des Magnetfeldes schließen, das den Leiter offenbar umgibt, wenn dieser vom Strom durchflossen wird. Versuche, dieses Magnetfeld (den Verlauf der Feldlinien) zu beschreiben.

15 Auswertueg - Frage 3 (10 Puekte) Unten wird dargestellt wie man mit der "Rechte-Hand-Regel" den Verlauf der Feldlinien um einen stromdurchflossenen Leiter bestimmen kann. Versuche diese Regel zu formulieren.

16 Auswertueg - Frage 4 (10 Puekte) Was folgt aus den Beobachtungen 7 und 8 bezüglich der Wirkung einer stromdurchflossenen Spule? Auswertueg - Frage 5 (10 Puekte) Wovon ist die Stärke des Magnetfelds einer stromdurchflossenen Spule abhängig? Drücke diese Abhängigkeit so weit wie möglich mit "Je... desto..." aus.

17 Auswertueg - Frage 6 (10 Puekte) Eine stromdurchflossene Spule wird als Elektromagnet bezeichnet. Stelle die Vorteile und evtl. Nachteile zusammen, die ein Elektromagnet gegenüber einem Dauermagneten hat. Auswertueg - Frage 7 (10 Puekte) Nenne Beispiele für Anwendungen von Elektromagneten.

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