Elektrischer Strom erzeugt ein Magnetfeld. Magnetfeld einer Spule

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1 Elektrischer Strom erzeugt ein Magnetfeld Oersted Ein Kupferdraht wird so eingespannt, dass er in NordSüdRichtung verläuft. Wir schließen den Schalter für kurze Zeit (Kurzschluss!) und beobachten die Magnetnadel (sie muss sich nahe beim Draht befinden). Wir polen um und wiederholen den Versuch. Wie erfolgt jetzt die blenkung? Wir können die blenkung auch mit Hilfe der Magnetfeldsonde rings um den Draht untersuchen. U = 3 V dc W N S O Kupferdraht (18 cm) Erkenntnis: Ein stromdurchflossener Leiter lenkt eine Magnetnadel ab. Die Richtung der blenkung hängt davon ab, in welcher Richtung der Strom fließt und wo sich die Magnetnadel befindet. Stromdurchflossene Leiter sind von einem ringförmigen Magnetfeld umgeben. E 6.1 Magnetfeld einer Spule Der Stromkreis mit der Spule (2x Windungen) wird geschlossen und wir tasten den Raum um die Spule mit der Magnetfeldsonde ab. Spule Die wird mit dem Baustein Klemmbuchse und Klemmhalter so 9 V dc eingespannt, dass ein Ende ca. 1 cm von der Spule entfernt ist. Nach dem Schließen des Schalters beobachten wir, ob die von der Spule angezogen wird. Wir wiederholen den zweiten Versuch nachdem wir den zylindrischen Eisenkern in die Spule gesteckt haben. Die wird nun angezogen (nach dem bschalten löst sie sich nicht, da im Eisenkern ein Restmagnetismus bleibt). Erkenntnis: Elektrischer Strom erzeugt in einer Spule ein Magnetfeld. Es entspricht dem Feld eines Stabmagneten. Die Magnetpole befinden sich an den Enden der Spule. Ein Eisenkern verstärkt das Magnetfeld der Spule. E 6.2 1

2 Magnetschalter Relais In diesem Modellversuch zum Relais bestehen die Schaltkontakte (rbeitskontakt und Ruhekontakt R) aus Krokoklemmen mit Steckerstift. ls Elektromagnet dient die Spule (2x) mit Eisenkern. 1. Relais mit rbeitskontakt: Beim Schließen des Schalters wird die Spule mit Eisenkern zu einem Magneten, der die anzieht und den Stromkreis mit dem Glühlämpchen über den rbeitskontakt schließt. rbeitsstromkreis Steuerstromkreis V ac Lampe Schalter Halterung Spule mit Eisenkern 12 V dc 1 2. Relais mit Ruhekontakt: Beim Schließen des Schalters wird die Spule mit Eisenkern zu einem Magneten, der die vom Ruhekontakt R wegzieht und den Stromkreis mit dem Glühlämpchen unterbricht. rbeitsstromkreis R Steuerstromkreis Er St fu Halterung Spule mit Eisenkern R 12 V dc V ac Lampe Schalter 2 Erkenntnis: Ein Relais ist ein elektromagnetischer Schalter. Beim Schließen des Steuerstromkreises wird der rbeitskontakt geschlossen, und der Ruhekontakt unterbrochen. E 6.3, 6.4

3 SelbstunterbrecherSchalter 4 9 V dc Die Spule (mit Eisenkern), der Kontaktstift, die Stahlblattfeder und der Schalter sind in Reihe geschaltet. Die soll ca. 7 mm vom Eisenkern entfernt sein. Wird der Schalter geschlossen, so wird die vom Eisenkern der Spule angezogen und der Stromkreis wird unterbrochen. Der Eisenkern lässt die wieder los und der Stromkreis schließt sich wieder. Die schwingt hin und her und schließt und öffnet dabei ständig den Stromkreis. Erkenntnis: Eine kann durch geeignete Schaltung einen Stromkreis immer wieder öffnen und schließen. Nach diesem Prinzip funktionieren z.b. elektrische Klingeln. E 6.6 WechselstromSummer Der Wechselstrom Summer benötigt keinen Selbstunterbrecher. Für die Unterbrechung sorgt der Wechselstrom. 12 V ac Nach dem Schließen des Schalters wird die angezogen und sofort wieder losgelassen. Der Vorgang wiederholt sich 100 mal pro Sekunde. Erkenntnis: Die wird in Schwingung versetzt, weil hundert mal in jeder Sekunde die Stromstärke anwächst und wieder auf Null zurück geht (hundert Halbperioden des Wechselstromes). E 6.7 Die soll ca. 810 mm vom Eisenkern entfernt sein.

4 .6.7 Relais mit rbeits und Ruhekontakt Vor dem Schließen des Schalters L1 ist die beim V ac Ruhekontakt R. Die Lampe L1 leuchtet. Nach dem Schließen des Schalters zieht die Spule die weg vom Ruhekontakt hin zum rbeitskontakt, die Lampe L1 verlischt und die Lampe L2 leuchtet auf. 12 V dc Modell einer Magnetsicherung Eine Magnetsicherung soll bei Kurzschluss den Stromkreis schnell unterbrechen. K Messing R Eisen Spule mit Eisenkern Lampe 12 Vdc E 6.5 Die Messing wird durch die Stahl nach oben gegen die Krokoklemme (K) gedrückt. Dadurch wird der Kontakt (Stromkreis) geschlossen. Die Stahl ist ca. 810 mm vom Eisenkern der Spule entfernt. Im Kurzschlussfall wird die Stahl von der Spule mit Eisenkern angezogen und gibt die aus Messing frei. Diese schnellt nach unten und unterbricht den Stromkreis (Die Stahl selbst liegt nicht im Stromkreis) Erkenntnis: Die Magnetsicherung unterbricht einen Stromkreis sofort, wenn die Stromstärke infolge eines Kurzschlusses zur groß wird. E 6.8 L2 Spule mit Eisenkern Schalter Erkenntnis: Durch Verwenden beider Kontakte ( und R) kann ein Relais als Umschalter zwischen zwei Verbrauchern verwendet werden. Kurzschluss

5 Motorische Wirkung des el. Stromes.5 8 Nach dem Schließen des Stromkreises nähern wir dem Metallfaden von oben zuerst den Nordpol, dann den Südpol des Stabmagneten (der Schalter soll nicht unnötig lange geschlossen bleiben!). U = V dc LorentzKraft Kupferdraht (ca. 10 cm) Erkenntnis: Ein stromdurchflossener Leiter (im Versuch der Metallfaden) bewegt sich normal zur Stromrichtung und normal zur Richtung des Magnetfeldes. Es wirkt also eine Kraft auf den stromdurchflossenen Leiter. Die Spule mit Windungen wird mit dem UKern versehen. Der Metallfaden hängt lose zwischen Eisenkern und Spule. Wir schließen zunächst den Schalter im Stromkreis mit dem Elektromagneten. Danach wird der zweite Schalter geschlossen. Sofort bewegt sich der Metallfaden (Schalter rasch wieder öffnen!). Durch Umpolen der Spannung am Metallfaden ändert sich die Bewegungsrichtung. 3 V dc Schalter nur kurz schließen! S Metallfaden Ein Änderung der Magnetfeldrichtung können wir durch Umpolen des Stromkreises durch die Spule erreichen. Erkenntnis: Ein stromduchflossener Leiter wird in einem Magnetfeld N durchhängen lassen E V dc abgelenkt. Die Kraft auf den stromdurchflossenen Leiter ist die Lorentz Kraft. Ihre Richtung ist normal zur Richtung des Stromes und zur Richtung des Magnetfeldes (Merkregel: "DreiFingerRegel") E 7.1.1

6 Spule. E 6.2 Prinzip des Elektromotors Der Elektromotor beruht auf dem Zusammenwirken zweier Magnetfelder, von denen eines (oder beide) durch elektrischen Strom verursacht wird. Die Spule (2x Wdg.) erhält einen Eisenkern. Neben der Schaltung steht der Nadelfuß mit Stecker und Nadel. Die Lagerhülse wird mit zwei zylindrischen Stabmagneten auf die Nadel aufgesetzt. Die usgangsstellung des Stabmagneten ist stets gemäß der Zeichnung einzustellen V dc Minuspol an die Klemmbuchse halten Wir schalten die Gleichspannung ein indem wir den Kontakt bei B schließen. Der Nordpol des Stabmagneten wird vom Eisenkern in der Spule angezogen. Wir unterbrechen den Stromkreis wieder. Wir bringen den Stabmagneten wieder in usgangsstellung und schließen bei B den Stromkreis nur kurzzeitig. Noch bevor der Nordpol des Magneten bei der Spule angelangt ist unterbrechen wir den Stromkreis wieder. Der Magnet dreht sich auf Grund der Trägheit weiter. Wenn der Nordpol wieder in der Nähe der usgangsstellung ist, wird der Kontakt wieder geschlossen. Dadurch lässt sich eine ganze Drehung des Stabmagneten ausführen. Noch besser wäre es, den Stromkreis nicht zu unterbrechen, sondern statt dessen die Polung der angelegten Gleichspannung zu vertauschen. Warum? Erkenntnis: Durch Unterbrechen oder durch Umpolen der angelegten Spannung kann der elektrische Strom eine Drehbewegung bewirken. B N S E 7.2

7 2 E 6.3, Erkenntnis: Modell eines Elektromotors Polblech Beim Gleichstrommotor dreht sich eine Spule in einem konstanten Magnetfeld, weil der Strom durch die Spule und damit das Magnetfeld der Spule nach jeder Halbdrehung umgepolt wird. Die Umpolung erfolgt durch den geteilten Schleifkontakt (Kommutator) Einen Motor mit Permanentmagnet kann man nicht mit Wechselstrom betreiben. Gleichstrommotor Wir tasten vor dem Einschalten mit der Magnetfeldsonde den Raum um den Gleichstrommotor ab. Man erkennt, dass sich im Gehäuse des Motors ein Permanentmagnet befinden muss. Nach dem Schließen des Schalters beobachten wir die Drehrichtung des Motors. Dann öffnen wir den Schalter und und vertauschen die nschlüsse an der Spannungsquelle. Nach dem Einschalten dreht sich der Motor nun in die andere Richtung V dc M E 7.3 Erkenntnis: In einem kleinen Gleichstrommotor wird meist ein Permanentmagnet zur Erzeugung des äußeren Magnetfeldes eingesetzt. Die Drehrichtung des Motors wird durch die Richtung des Gleichstroms bestimmt. E N 6 V dc S Spule () mit Eisenkern (Joch des UKerns) Kommutatorscheibe Bürsten 1. 2.

8 4 geht (hundert Halbperioden des Wechselstromes). E Hauptschlussmotor (HSM) Permanentmagnete werden nur in kleinen Motoren verwendet. Elektromagnete sind für die Felderzeugung vorteilhafter (warum?). Die felderzeugende Spule und die Rotorspule sind beim HSM in Reihe geschaltet. 12 V dc 12 V ac Polblech Bürsten Spule (2x) mit Eisenkern Erkenntnis: Ein Elektromotor mit Elektromagnet kann mit Gleichoder Wechselspannung betrieben werden (Universalmotor). Spule () mit Eisenkern (Joch des UKerns) 1. Nach dem Schließen des Schalters dreht sich die Rotorspule. Durch Umpolen der angelegten Spannung können wir die Drehrichtung nicht ändern, weil sich dadurch die Stromrichtung sowohl im Rotor als auch in der Feldspule ändert. 2. Wir legen nun 12 V Wechselspannung an und erkennen nach dem Schließen des Schalters, dass sich dieses Motormodell auch mit Wechselspannung betreiben lässt. Nebenschlussmotor (NSM) Beim NSM werden felderzeugende Spule und Rotorspule parallel geschaltet. Der Schalter 1 dient zum Schließen des Stromkreises in der Feldspule, mit dem Schalter 2 wird der Stromkreis im Rotor geschlossen. Der Motor läuft. Versuche und Erkenntnis: wie beim HSM 1 2 Polblech Bürsten V dc Kommutatorscheibe Kommutatorscheibe E 7.4 Spule (2x) mit Eisenkern Spule () mit Eisenkern (Joch des UKerns) E 7.5

9 .7 E 6.8 Induktion durch Bewegung 4 In der Schaltung befindet sich keine Spannungsquelle. Wir erzeugen Spannung durch die sog. Induktion. N S 1. Wir bewegen den Stabmagneten gleichmäßig langsam in die Öffnung der Spule (2x) hinein und ziehen in dann nach kurzer Pause wieder heraus. Das V Voltmeter zeigt jeweils eine Spannung unterschiedlicher Polarität an. 2. Wir bewegen den Stabmagneten ruckartig schnell in die Öffnung der Spule (2x) hinein und nach kurzer Pause wieder schnell heraus. Die angezeigte Spannung ist nun größer als im 1. Versuch. 3. Wir bewegen den Stabmagneten ruckartig schnell in die Öffnung der Spule () hinein und nach kurzer Pause wieder schnell heraus. Die angezeigte Spannung ist nun kleiner als im 2. Versuch (ca. halb so groß). Erkenntnis: Durch Relativbewegung zwischen einem Magneten und einer Spule wird in dieser Spannung erzeugt (induziert). Die Größe der Spannung hängt ab von: der Geschwindigkeit der Relativbewegung, der Windungszahl der Spule und der Stärke des Magneten. E 8.1 Generatorprinzip Schaltskizze wie oben, jedoch wird der Stabmagnet drehbar gelagert. Wir versetzen den Stabmagneten in langsame Drehung und beobachten das Voltmeter. Bei nnäherung des Nordpols und des Südpols entstehen Spannungsstöße mit unterschiedlicher Polarität. Ve Erkenntnis: Wenn sich ein Magnet vor einer Induktionsspule dreht, entsteht in der Spule Wechselspannung. Das ist das Grundprinzip des Generators. E 8.2

10 8 E Induktionsspannung durch Feldänderung Die beiden Spulen ( und 2x) werden mit dem geschlossenen Eisenkern (UKern mit Joch und Spannbügel) verbunden. Das mperemeter misst den Strom im Primärstromkreis, das Voltmeter die induzierte Spannung im Sekundärstromkreis. FG 0,1 Hz (0,2 Hz) Wir stellen den Funktionsgenerator (FG) auf "Dreieckspannung" und wählen eine Frequenz von 0,1 Hz. Den Spannungsregler am FG stellen wir so, dass die Stromstärke etwa 0,6 beträgt. m Voltmeter lesen wir die induzierte Spannung ab. Nun erhöhen wir die Frequenz auf 0,2 Hz und stellen fest, dass die Induktionsspannung größer ist. Erkenntnis: Bei der Änderung des Magnetfeldes in einer Spule (durch Stromänderung) wird elektrische Spannung induziert. Wenn sich in der Spule das Magnetfeld rascher ändert, entsteht eine größere Induktionsspannung. Die Induktionsspannung ist proportional zur Änderungsgeschwindigkeit des Magnetfeldes. E Transformator Versuchsaufbau wie Schaltskizze oben, statt des mperemeters im Primärkreis wird jedoch auch ein Voltmeter angeschlossen. ls Primärspannungen verwenden wir 2 V, 4 V und 6 V Wechselspannung. = 4 V = 6 V N 1 :N 2 = 1:2 Erkenntnis: Die Spannungen an der Primärspule und an der Sekundärspule verhalten sich wie die Windungszahlen der Spulen. Primärstromkreis Sekundärstromkreis 1. Wir stellen die Primärspannung auf drei Werte ein und messen die Sekundärspannung. 2. Wir vertauschen beiden Spulen und messen wieder die Sekundärspannungen für 3 Werte. 3. Wir verwenden bei der Sekundärspule den nschluss mit Windungen und messen wieder. 1. = 2 V 2. U 3. 1 = 2 V = 2 V = 4 V = 6 V = 4 V = 6 V N 1 :N 2 = 2:1 N 1 :N 2 = 1:1 V E 8.8, 8.9