Das Demonstrationsexperiment - Übungen im Vortragen. Magnetische Wirkungen des elektrischen Stroms. Sebastian Müller

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1 Das Demonstrationsexperiment - Übungen im Vortragen Magnetische Wirkungen des elektrischen Stroms Sebastian Müller

2 Inhaltsverzeichnis 1 Versuchsbeschreibung Benötigtes Material Versuchsaufbau Versuchsdurchführung Mögliche Aufbau- und Bedienfehler Lernvoraussetzungen 6 3 Lernziele des Versuchs Grobziele Feinziele Übergeordnetes Unterrichtsthema bzw. übergeordnete Unterrichtseinheit 7 5 Experimentelle Alternativen 7 6 Experiment als Schülerversuch 7 7 Unterrichtsverfahren Sozialformen Unterrichtsmethode Motivation bzw. Stundeneinstieg Sicherung der Lernziele Lernzielkontrolle 13 9 Prä- und Misskonzepte 13 2

3 1 Versuchsbeschreibung 1.1 Benötigtes Material 4 H-Füße 2 Glasplatten mit Bohrung 6 Stativstangen 4 Doppelmuffe PASS 2 Kreuzmuffen 4 planare Korkklemmen einzelner linearer Leiter 1 Dose Eisenfeilspäne 1 PHYWE Stelltrafo 25 V /20 V-, 12 A 1 Ampermeter 2 Isolierstütze (Stielklemme Ø 10 mm) Verbindungsleitungen, 4-mm-Stecker, 32 A 4 kleine Magnetnadeln für Overhead-Projektor 1 Overhead-Projektor 1.2 Versuchsaufbau An 2 H-Füßen befestigt man je 2 Stativstangen, an welchen man mit Hilfe von je einer Kreuzmuffe die Korkklemmen befestigt. Zwischen jeweils ein sich gegenüberliegendes Paar Korkklemmen, klemmt man jeweils eine der Glasplatten. Auf den restlichen zwei H-Füßen montiert man je eine Stativstange, an welchen man mit einer Kreuzmuffe eine Isolatiosklemme befestigt. An jeder Isolierstütze befestigt man wie in Abb. 2 zu erkennen je ein Ende des Stromleiters, indem man eines der offenen Enden des Stromleiters an je einer Isolationsklemme festschraubt. Man schiebt den Leiter über den Overhead-Projektor und ordnet die zwei Glasplatten so an, dass der Leiter durch die Bohrung hindurch geht (vgl. Abb. 1). Nun verbindet man mit Hilfe der Kabel die Isolierstützen, und somit den Leiter, mit der Spannungsquelle Gleichstrom, wobei man ein Ampermeter in Reihe dazwischen schaltet, was später v.a. dazu dient, den Schülern zu verdeutlichen, dass Strom fließt. 3

4 Abbildung 1: Versuchsaufbau Abbildung 2: Versuchsaufbau 4

5 1.3 Versuchsdurchführung (a)man bestreut bei eingeschalteter Spannungsquelle die Glasplatten gleichmäßig mit Eisenfeilspänen und unterstützt die Ausbildung des Feldlinienbildes (d.h. die Eisenfeilspäne richten sich auf Grund ihrer ferromagnetischen Eigenschaften nach dem Magnetfeld aus) durch leichtes Klopfen auf die Platten. Sogleich projeziert man das auf den Glasplatten endstandene Feldlinienbild mittels eines Overhead-Projektors an die Wand. Als Ergebnis sieht man, das in Abb. 3 gezeigte Bild. Nun kan man die Schüler dazu bringen (da sie die Methode mit den Eisenfeilspänen schon von den Versuchen mit Permanentmagneten kenne), dass sie erkennen, dass stromdurchflossene gerade Leiter ein Magnetfeld besitzen, dessen Feldlinien konzentrische Kreise in Ebenen senkrecht zum Leiter sind. (b) Nun will man die Richtung der Feldlinien bestimmten. Hierfür nimmt man die vier Magnetnadeln und stellt diese neben den Leiter. Daran wie sich die Spitze der Probemagneten ausrichtet, erkennt man, wie das Magnetfeld gerichtet ist. Um zu demonstrieren, dass die Magnetfeldrichtung abhängig von der Flussrichtung des Stroms ist, ändert man die Stromrichtung durch den Leiter. Diese Richtungsänderung bewirkt, dass sich die Kompassnadeln um 180 drehen, was der Beleg für die Änderung des Magnetfelds ist. Hieraus kann man die Rechte-Hand-Regel ableiten. Abbildung 3: Feldlinienbild 1.4 Mögliche Aufbau- und Bedienfehler Es ist darauf zu achten, dass man die Korkklemmen nicht zu stark zusammendreht, da sonst die Glasplatten brechen können. Der Strom sollte nicht zu lange eingeschaltet sein, da sich der Leiter sonst zu sehr erhitzt und dadurch sich die Gefahr eines Kurzschlusses ergibt. 5

6 Es ist darauf zu achten, die Eisenfeilspäne mit dem Overhead zu fokusieren. 2 Lernvoraussetzungen 1. Kenntnis der Eigenschaften von Permanentmagneten. 2. Modell der Feldlinien, als Beschreibung für ein magnetisches Feld und dessen Verlauf soll aus den Stunden über Permanentmagneten bekannt sei. 3. Kenntnis, dass man durch Probemagneten die Richtung der Feldlinien bestimmen kann, da deren Nordpol sich zum Südpol des Feldes hin ausrichtet. 4. Schüller sollen wissen, dass man anhand von Eisenfeilspänen den Verlauf von magnetischen Feldlinien verdeutlichen kann, da diese sich im Magnetfeld nach den Feldlinien ausrichten. 5. Schüler sollen den Unterschied zwischen Elektronenstrom ( physikalische Stromrichtung ) und elektrischen Strom ( technische Stromrichtung ) kennen. 3 Lernziele des Versuchs 3.1 Grobziele 1. Die Schüler sollen exemplarisch aufgezeigt bekommen, dass elektrischer Strom auch magnetische Eigenschaften besitzt. 2. Die Schüler sollen die magnetischen Eigenschaften des Stroms anhand eines geraden stromdurchflossenen Leiters kennen lernen. 3. Die Schüler sollen die Rechte-Hand-Regel (R-H-R) kennen lernen und anwenden können 3.2 Feinziele 1. Die Schüler sollen wissen, dass Strom ein Magnetfeld hervorruft. 2. Die Schüler sollen wissen, dass das Magnetfeld senkrecht zur Stromrichtung steht. 3. Die Schüler sollen an Beispiel das Feldlinienbild stromdurchflossener gerader Leiter kennenlernen. 4. Die Schüler sollen wissen, dass die Richtung des Magnetfelds von der Richtung des Stroms durch den Leiter abhängt. 5. Die Schüler sollen wissen, dass das Symbol bedeutet, der Strom fließt in die Papierebene hinein und er fließt aus der Papierebene heraus. 6. Die Schüler sollen wissen, dass man den Richtung des Magnetfelds eines geraden stromdurchflossenen Leiters mit Hilfe der R-H-R herausfinden kann. 7. Die sollen mit Hilfe der R-H-R das Magnetfeld oder die Stromrichtung eines geraden stromdurchflossenen Leiters (je nach Problemstellung) beschreiben können. 6

7 4 Übergeordnetes Unterrichtsthema bzw. übergeordnete Unterrichtseinheit Das Thema Magnetische Wirkungen des elektrischen Stroms ist im G8 in der 9. Klasse im Fach Physik in den Themenschwerpunkt Elektrik einzuordnen. Das Verständnis der magnetischen Wirkung des Stroms ist wichtig um die, im Lehrplan folgenden Themen wie Elektromotor, Kräfte auf freie Ladungen im elektrischen und magnetischen Feld und Lorentzkraft vorzubereiten. Die Elektrik wird danach mit Themen im Zusammenhang mit Induktion, wie z.b. Generatorprinzip und Lenzsche Regel abgeschlossen. 5 Experimentelle Alternativen Man kann dieses Phänomen auch anhand des Versuchs von Oersted erklären. Dieser Versuch wäre vielleicht sogar auf Grund seiner geschichtlichen Bedeutung die bessere Wahl, allerdings lässt sich bei diesem Versuch nur die magnetische Wirkung des Stroms feststellen. Also müsste man, um den Verlauf der Feldlinien darzustellen sowieso den oben beschriebenen Versuch durchführen. (skizziert in Abb.4) Abbildung 4: Versuch von Oersted von Experiment als Schülerversuch Falls genügend Apperaturen wie in Abb. 5 vorhanden sind, kann man den Schülern verschiedene Feldlinienbilder durch Eisenfeilspäne darstellen lassen. 2 gerade parallele stromdurchflossene Leiter 2 gerade antiparallele stromdurchflossene leiter Spule 7

8 Abbildung 5: Schülerversuch von Unterrichtsverfahren 7.1 Sozialformen Unterrichtsgespräch bei Demonstrationsexperiment Frontalunterricht Gruppenunterricht bei Schülerversuch 7.2 Unterrichtsmethode Normalverfahren Fragemethode 7.3 Motivation bzw. Stundeneinstieg Hier wäre ein geschichtlicher Zugang denkbar. Man könnte den Unterricht mit einer kleinen Geschichte beginnen, dass zu Beginn des 18. Jhds. sowohl Wissenschaftler als auch Philosophen der Meinung waren, dass alle Kräfte, die in der Natur vorkommen eine Quelle haben. Oersted, der Anhänger dieser Theorie war versuchte daher einen Zusammenhang zwischen Elektrik und Magnetik herzustellen. An dieser Stelle kann man dann evtl. die Schüler fragen, ob sie eine Idee zur überprüfung dieser Theorie haben, und wenn nicht beschreibt man den Versuch Oersteds. 7.4 Sicherung der Lernziele Die Sicherung der Lernziele erfolgt anhand des folgenden Arbeitsblatts: 8

9 MUSTERLÖSUNG Magnetische Wirkung des elektrischen Stroms Fließt elektrischer Strom, kommt es zur Ausbildung eines magnetischen Feldes. Das magnetische Feld steht senkrecht zur Stromrichtung. Der Verlauf der magnetischen Feldlinien kann durch Eisenfeilspäne sichtbar gemacht werden. Im Falle eines stromdurchflossenen geraden Leiters, ergibt sich folgende Anordnung der Späne: Abbildung 6: Ausgerichtete Eisenfeilspäne um einen stromdurchflossenen geraden Leiter von Die Feldlinien sind geschlossene, konzentrische Kreise. Die Richtung des erzeugten Magnedfelds hängt von der Richtung des elektrischen Stroms abhängt. Hierbei bedeutet, dass der Strom in die Zeichenebene hinein fließt und, dass der Strom aus der Zeichenebene heraus fließt. Abbildung 7: Schematische Darstellung der Feldlinien von

10 Diese Beziehung zwischen elektrischer Stromrichtung und Richtung des magnetischen Feldes um den geraden stromdurchflossenen Leiter lässt sich durch die sog. Rechte- Hand-Regel darstellen. Diese lautet: Umfasst man mit der rechten Hand den Leiter so, dass der Daumen in die technische Stromrichtung zeigt, zeigen die Finger in Feldrichtung! (vgl. Abb.) Abbildung 8: Rechte-Hand-Regel von

11 SCHÜLEREDITION Magnetische Wirkung des elektrischen Stroms Fließt elektrischer Strom, kommt es zur Ausbildung eines Das magnetische Feld steht... zur Stromrichtung. Der Verlauf der magnetischen Feldlinien kann durch... sichtbar gemacht werden. Im Falle eines Leiters, ergibt sich folgende Anordnung der Späne: Abbildung 9: Ausgerichtete Eisenfeilspäne um einen stromdurchflossenen geraden Leiter Die Feldlinien sind geschlossene,... Kreise. Die Richtung des erzeugten Magnedfelds hängt von der Richtung des abhängt. Hierbei bedeutet, dass der Strom in die Zeichenebene hinein fließt und, dass der Strom aus der Zeichenebene heraus fließt. Abbildung 10: Schematische Darstellung der Feldlinien 11

12 Diese Beziehung zwischen und um den geraden stromdurchflossenen Leiter lässt sich durch die sog.... darstellen. Diese lautet: Umfasst man mit der... Hand den Leiter so, dass der Daumen in die... Stromrichtung zeigt, zeigen die Finger in...! (vgl. Abb.) Abbildung 11: Rechte-Hand-Regel 12

13 8 Lernzielkontrolle So könnte die Lernzielkontrolle aussehen, welche idealer Weise bei Durchnahme der Feinziele stattfinden sollte (aber auch die Aussfrage in der nächsten Stunde sollte die folgenden Punkte abprüfen): Versuchsaufbau von Oersted (Abb.4), und Prognose vom Schüler verlangen, was geschieht, wenn man das Netzgerät einschaltet. Warum richten sich Probemagnete aus?(fz1) Was kann man über die Richtung des erzeugten Magfnetfeldes und der Stromrichtung aussagen? (FZ 2) Was geschieht wenn man die Richtung des Stroms ändert? (FZ4) Nun Aufforderung an den Schüler, das Feldlinienbild eines solchen geraden stromdurchflossenen Leiters zu skizzieren und Nachweismethoden für Form der magnetischen Feldlinien verlangen. (FZ3) Definition der R-H-R (FZ 6) und Unterschied technische und physikalische Stromrichtung Nun mit Hilfe der R-H-R ein Feldlinienbild für zwei parallele gerade Leiter skizzieren lassen. (FZ 5, FZ 7) 9 Prä- und Misskonzepte Elektrizitätslehre und Magnetismus sind völlig getrennte Bereiche der Physik. 13