Erzeugen einer Induktionsspannung mit Dauermagneten (Artikelnr.: P )

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1 Lehrer-/Dozentenblatt Erzeugen einer Induktionsspannung mit Dauermagneten (Artikelnr.: P ) Curriculare Themenzuordnung Fachgebiet: Physik Bildungsstufe: Klasse 7-10 Lehrplanthema: Elektrizitätslehre Unterthema: Elektromotor und Generator Experiment: Erzeugen einer Induktionsspannung mit Dauermagneten Schwierigkeitsgrad Vorbereitungszeit Durchführungszeit empfohlene Gruppengröße Mittel 10 Minuten 10 Minuten 2 Schüler/Studenten Zusätzlich wird benötigt: Versuchsvarianten: Schlagwörter: Aufgabe und Material Lehrerinformationen Zusätzliche Informationen Die Schüler wissen, dass ein stromdurchflossener Leiter von einem Magnetfeld umgegeben ist. Sie wissen auch, dass dieses Magnetfeld in Wechselwirkung mit einem anderen Magnetfeld mechanische Bewegung hervorrufen kann. Sie sollen die Umkehrung dieser Erscheinung nachweisen. Sie sollen also untersuchen, ob man durch menchanische Bewegung elektrische Energie erzeugen kann. Sie sollen dabei erkennen, dass nur dann eine Spannung induziert wird, wenn sich das von einer Spule (bzw. Leiterschleife) umfasste Magnetfeld ändert. Hinweise zum Aufbau und zur Durchführung Das Galvanometer hat gegenüber dem Vielfachmessinstrumenten den Vorteil, dass es nach beiden Seiten ausschlagen kann und daher die indirekte Beobachtung von Strömen unterschiedlicher Richtung ermöglicht. Quantitative Aussagen zur Induktionsspannung werden mit diesem Versuch nicht angestrebt. Da das Messwerk des Galvanometers einen Dauermagneten besitzt, sollte darauf geachtet werden, dass der Stabmagnet, mit dem experimentiert werden soll, nicht in unmittelbarer Umgebung des Galvanometers bewegt wird. Andernfalls reagiert das empfindliche Messwerk auf den Magneten und verfälscht die durch Induktion zu erwartenden Messwerte. (Um nahezulegen, dass mit dem Stabmagneten möglichst weit vom Galvanometer hantiert wird, ist dieser in der Abb. 1 auch möglichst weit links gezeichnet.) Anmerkunden Mit dem letzten Schritt des Versuchs sollte den Schülern - evtl. mit Hilfe durch den Lehrer - bewusst werden, dass die Relativbewegung von Spule und Dauermagnet dür das Entstehen der Induktionsspannung zwar eine notwendige aber eine nicht hinreichende Bedingung ist. Denn die Bewegung muss so erfolgen, dass sich dabei das von der Spule umfasste Magnetfeld ändert. Anmerkung zu den Ergebnissen Die in der Tabelle 1 eingetragenen Richtungen der Zeigerausschläge sind als Beispiele gedacht. Die Bewegung nach rechts bzw. nach links hängt von der Verbindung der beiden Spulen ab.

2 Erzeugen einer Induktionsspannung mit Dauermagneten (Artikelnr.: P ) Aufgabe und Material Aufgabe Kann man durch Bewegung eines Leiters oder eines Dauermagneten eine elektrische Spannung erzeugen? Ein stromdurchflossener Leiter wird in einem Magnetfeld abgelenkt, d. h., elektrische Energie wird in mechanische Energie umgewandelt. Untersuche, ob dieser Vorgang umkehrbar ist.

3 Material Position Material Bestellnr. Menge 1 Leitungs-Baustein, gerade mit Buchse, SB Spule, 400 Windungen Joch Magnet, l = 72 mm, stabförmig, Pole farbig Galvanometermesswerk Galvanometerskale Kimmlager mit Stecker Verbindungsleitung, 32 A, 500 mm, rot

4 Aufbau und Durchführung Aufbau Baue das Modell des Galvanometers entsprechend der Abb. 2, 3 und 4 auf. Stecke das Modell in einen Leitungsbaustein mit Buchse. Baue den Versuch entsprechend der Abb. 1 auf. Positioniere die Spule so weit wie möglich vom Galvanometer entfernt. Abb. 1 Abb. 2 Abb. 3 Abb. 4

5 Durchführung Führe die folgenden Versuchschritte nacheinander durch. Beobachte dabei jeweils den Ausschlag des Galvanometerzeigers und notiere Deine Beobachtungen in Tabelle 1 im Protokoll. 1. Bewege den Magneten mit dem Nordpol in die Spule hinein. 2. Bewege den Magneten aus der Spule heraus. 3. Bewege den Magneten mit dem Südpol in die Spule hinein. 4. Bewege den Magneten aus der Spule heraus. 5. Bewege den Magneten schneller in die Spule hinein und heraus. 6. Bewege die Spule zu dem Magneten hin. 7. Bewege die Spule vom Magneten weg. 8. Lass den Magneten in der Spule ruhen. 9. Drehe den Magneten durch Kippen etwas um seine Längsachse ohne ihn dabei zu verschieben. Hinweis: Die Bewegung bei den Schritten 1. bis 4. sowie 6. und 7. sollten möglichst gleich schnell erfolgen.

6 Protokoll: Erzeugen einer Induktionsspannung mit Dauermagneten Ergebnis - Tabelle 1 (9 Punkte) Notiere Deine Beobachtungen in der Tabelle. Bewegung Ausschlag des Zeigers (nach links/rechts; größer/kleiner) 1. Nordpol in Spule hinein 2. Nordpol aus Spule heraus 3. Südpol in Spule hinein 4. Südpol aus Spule heraus 5. schnellere Bewegung des Magneten 6. Spule zum Magneten hin 7. Spule vom Magneten weg 8. Magnet ruht in Spule 9. Drehung des Magneten in der Spule um die Längsachse Auswertung - Frage 1 (10 Punkte) Die Spannung, die das Galvanometer im Versuch angezeigt hat, heißt Induktionsspannung. Der Vorgang, bei dem sie entsteht, heißt elektromagnetische Induktion. a) Wovon ist die Richtung der Induktionsspannung abhängig (vgl. Ergebnis der Schritte 1 bis 4)? b) Wovon ist die Höhe der Induktionsspannung abhängig (vgl. Ergebnis des Schrittes 5)? Formuliere Deine Antwort mit Je... desto....

7 Auswertung - Frage 2 (10 Punkte) Welchen Schluss kannst Du aus dem Vergleich der Ergebnisse der Schritte 1 bis 4 mit denen der Schritte 6 und 7 folgern? Auswertung - Frage 3 (10 Punkte) Bei der relativen Bewegung des Magneten und der Spule (der Induktionsspule) zueinander ändert sich das von der Spule umfasste Magnetfeld. Bei den Versuchsschritten 8 und 9 ändert es sich offenbar nicht. Beantworte nun die Frage: Unter welcher Bedingung wird eine Spannung induziert?