Induktion und Transformatoren

Transkript

1 Dietrich Hinkeldey Induktion und Transformatoren Physik im Kontext Sekundarstufe ufe I Dietrich Hinkeldey e Physik im Kontext Downloadauszug aus dem Originaltitel: Magnetismus, Elektrizität und magnetismus

2 Induktion und Transformatoren Physik im Kontext Dieser Download ist ein Auszug aus dem Originaltitel Magnetismus, Elektrizität und Elektromagnetismus Über diesen Link gelangen Sie zur entsprechenden Produktseite im Web.

3 Inhaltsverzeichnis 2 Vorwort CD-Zusatz 3 (Kl. 9/10) 3 Didaktisch-methodische Hinweise Editierbare Gefährdungsbeurteilungen 3 Themeneinstieg Hilfen 4 Versuche Lösungen der Versuche 7 Highlight-Versuch Editierbarer Test (mit Lösungen) Aufgaben zum Weiterdenken (mit Lösungen) Inhaltsverzeichnis 1

4 Vorwort Ein neues Arbeitsbuch zu den Themen Magnetismus, Elektrizität und Elektromagnetismus sind da nicht schon genug auf dem Markt? Das vorliegende Buch bietet Ihnen die Möglichkeit, all diese Themengebiete mit Schülerversuchen in Partner- oder Kleingruppenarbeit zu erarbeiten. Nur an den Stellen, bei denen es sicherheitstechnisch nicht möglich ist, wurde auf Lehrer-Demonstrationsversuche zurückgegriffen. Denn in der heutigen Zeit lassen sich jede Menge Animationen zu physikalischen Versuchen im Internet finden, die man den Jugendlichen präsentieren könnte. Das sieht alles perfekt aus und ist leicht zu handhaben. Aber es bleibt eine second-life-erfahrung. Die Schüler begreifen die Zusammenhänge nicht unmittelbar. Sie werden dabei nicht selbst tätig und erfahren die Naturgesetze nicht durch selbst durchgeführte Versuche. Schülerversuche erfordern gewiss etwas mehr Zeit als eine gleichartige Lehrerdemonstration. rdem Aber der Erkenntnisgewinn ist umso nachhaltiger. Das vorliegende Buch bietet daher Ihnen als Lehrkraft und Ihren Schülerinnen nen und Schülern 1 in neun Ka piteln: den Physikstoff bis zum Mittleren Bildungsabschluss; einen Überblick zu Beginn eines jeden Kapitels zu Zeitbedarf, Klassenstufe, Ziel, besonderes Material, Sozialformen, Präsentationsformen rmen und Stolpersteine, ggf. Informationen ; einen motivierenden Einstieg und erste Fragen zu dem jeweiligen Themenkomplex, mplex, die am Ende des Kapitels beantwortet werden können; nen; Anleitungen zu Schülerversuchen; Lehrer-Demonstrationsversuche ersuche erscheinen nur, wenn die aus Sicherheitsgründen heitsgründen notwendig ist; zu jedem Kapitel mindestens einen Highlight-Versuch ; jedes Kapitel endet mit dem Rückblick, der auf die ersten Fragen verweist; jeweils ein Test, mit dem Sie den Lernfortschritt tt Ihrer Schüler überprüfen können; Aufgaben zum Weiterdenken für die schnellen und guten Schüler. Die Versuche enthalten: eine allgemeine Einordung des Versuchs zu Beginn mit einem Verweis auf die Bildungsstandards der KMK (vgl. Anhang auf CD) und dem jeweiligen Kontextbezug (mit Bild); den klassischen Aufbau u eines Versuchsprotokolls (Material, Anleitungen, Beobachtungen usw.); sofern nötig, werden elektrische Leitungen bzw. das genaue Stativmaterial nicht extra aufgeführt; immer mer wieder Verweise auf Hilfestellungen (auf der CD) zur Stärkung des selbstständigen Arbeitens; genug Raum, um Versuchsskizzen anzufertigen und Beobachtungen einzutragen; Erkenntnisse, ntnisse, die je nach Klassenstufe und Schwierigkeitsgrad als Lückentext, Multiple Choice oder offene e Felder gestaltet sind. Auf der beigefügten CD finden Sie zu jedem Kapitel: Gefährdungsbeurteilungen, soweit nötig, in editierbarer Form; alle Hilfen zum Ausdrucken; alle Lösungen zu den Versuchen zum Ausdrucken; den Test in editierbarer Form (Aufgabenversion und Lösungen) Aufgaben zum Weiterdenken zur Differenzierung (mit Lösungen), ebenfalls mit Bezug zu den Bildungsstandards. Dietrich Hinkeldey 1 Aufgrund der besseren Lesbarkeit ist in diesem Buch mit Schüler auch immer Schülerin gemeint, ebenso verhält es sich mit Lehrer und Lehrerin. Vorwort 2

5 Didaktisch-methodische Hinweise 16 Stunden 9 / 10 eigenständiges Experimentieren und Auswerten von Messergebnissen; anhand von Phänomenen auf die zugrundeliegenden Vorgänge schließen Experimentiergruppen mit 3 (max. 4) Schülern, ggf. auch Partnerarbeit lange Spulenkerne aus verschiedenen Materialien (Eisen, Holz, Glas Aluminium usw.); Aluminium- oder Messingring, der um einen Spulenkern passt, bifilar aufhängbar medienunterstützte Kurzvorträge Induktionsvorgänge in der Sekundärspule sind in der Regel el noch einsichtig. Dass derartige Vorgänge aber auch in der felderzeugenden Spule selbst stattfinden, ttfinden, erfordert ein erhöhtes Maß an Abstraktion. Es wird nur der unbelastete et Transformator thematisiert. Themeneinstieg nstieg Demo: Eine Spule (1200 Wdg.) wird über einen en Schalter an die Netzspannung nung (22020 V) angeschlossen. In ca. 10 cm Entfernung steht eine zweite gleichartige Spule, die mit einer normalen Glühlampe verbunden en ist. Beobachtung: Zunächst leuchtet die Glühlampe nicht. Schiebt man aber beide Spulen gemeinsam auf einen langen Eisenkern, leuchtet die Glühlampe. 220 V V 1) Getrennte Spulen 2) Verbindung über Eisenkern Erste Fragen: 1. Wie kann im zweiten Stromkreis plötzlich elektrischer Strom fließen, obwohl der Eisenkern die elektrischen Leitungen nicht berührt? Wenn sich das Magnetfeld in der ersten Spule ändert, fließt durch Induktion auch in der zweiten Spule Strom. 2. Wie wird die elektrische Energie vom ersten auf den zweiten Stromkreis übertragen? Das sich ändernde Magnetfeld überträgt diese Energie. 3. Kann man auch mit anderen Spulenkernen die Glühlampe zum Leuchten bringen? Nein, nur ferromagnetische Stoffe reagieren auf magnetische Kräfte und können das Magnetfeld verstärken. 4. Kann man für diesen Versuch auch Gleichstrom verwenden? Nein, denn bei Gleichstrom ändert sich das Magnetfeld nur beim Einschalten oder beim Ausschalten. 5. Kann man so auch eine 4V-Glühlampe zum Leuchten bringen? Ja, das Transformatorprinzip funktioniert mit jeder Wechselspannung. 3 Fe

6 Versuch 9.1: Ein- und Ausschaltvorgänge Bezug Bildungsstandards: F1; E1, E5, E7; K5 Kontextbezug: Transformatoren (z. B. in Netzgeräten oder Schnittstellen im Netz) Material: eine Spannungsquelle (6 V Gleich- und Wechselspannung), 2 Spulen (600 Wdg.), ein langer Eisenkern, Spulenkerne aus anderen Materialien (Holz, Aluminium usw.), ein Schalter, eine Glühlampe (4 V), ein Stromstärkemessgerät Anleitung: a) Baut die zwei dargestellten Stromkreise auf. Der erste Stromkreis besteht aus einer Spule, dem Schalter, die an 6 V-Gleichspannung angeschlossen werden. Der zweite besteht aus Spule, Glühlampe und Stromstärkemessgerät. Stellt die Stromkreise e nebeneinander auf und achtet darauf, dass sie sich nicht berühren. Betätigt mehrmals den Schalter und beobachtet das Messgerät. 6 V = + I a) b) c) d) Stromkreis 1 Stromkreis 2 b) Schiebt nun beide Spulen auf einen gemeinsamen men Eisenkern, sodass sie sich nicht berühren und wiederholt Versuch a). c) Verwendet nun Spulenkerne e aus anderen Materialien und wiederholt damit Versuch b). d) Verwendet nun 6 V-Wechselspannung spann und ändert den Messbereich des Messgerätes. Wiederholt die Versuche a) c). Beobachtung: 4

7 Erklärung: Wenn der erste Stromkreis, baut sich in der Spule. Während dieser Zeit, in der das Magnetfeld, wird in der Spule eine induziert und es fließt (kurzzeitig). Ist das Magnetfeld aufgebaut, fließt auch Strom im zweiten Stromkreis. man den Stromkreis, fällt in sich zusammen, es sich wieder. Während dieser Zeit entsteht ein,, Stromstoß. Ändert sich also, induziert und so erzeugt. Ein kann diesen Effekt, weil er das Magnetfeld verstärkt. Wenn also das Magnetfeld der ersten Spule verändert wird, z. B. durch Anschluss an eine, fließt auch im zweiten Stromkreis immer Strom ( strom). Mithilfe der kann man übertragen. Versuch 9.2: Induktion bei verschiedenen Spulen Bezug Bildungsstandards: ndar F3; E4, E5, E7, E9; K1, K4, K5 Kontextbezug: Transformatoren (z. B. in Netzgeräten oder Schnittstellen im Netz) Material: verschiedene Spulen (z. B. 300 Wdg, 600 Wdg., 900 Wdg. und 1200 Wdg.); eine Spannungsquelle (0 5 V Wechselspannung); 2 Spannungsmessgeräte; ein gemeinsamer Eisenkern (U-Kern mit Joch) Anleitung: a) Steckt zwei Spulen mit verschiedener Windungszahl auf den U-Kern und schließt den U- Kern mit dem Joch. Schließt die erste Spule (Primärspule) an die Wechselspannungsquelle und an ein Spannungsmessgerät an; die zweite Spule (Sekundärspule) nur an ein Spannungsmessgerät. Vervollständigt die folgende Zeichnung zu der korrekten Schaltskizze. b) Nehmt nun Messreihen für unterschiedliche Spannungen und Spulenkombinationen auf und tragt die Messwerte in die folgende Tabelle ein. Berechnet anschließend die Verhältnisse der Windungszahlen und Spannungen. c) Vergleicht nun das Verhältnis der Windungszahlen mit dem Verhältnis der Spannungen. 5

8 Beobachtung: a) Schaltskizze: Primärspule Sekundärspule b) Wdg. 1 Wdg. 2 U 1 [V] U 2 [V] Berechnet danach: Wdg.1 Wdg.2 U 1 U 2 c) Information: Zwei Spulen auf einem gemeinsamen Eisenkern nennt man einen Transformator. Je nach Wicklungsverhältnis kann die (Sekundär-)Spannung verkleinert oder vergrößert werden. Das Schaltzeichen für einen Transformator ist: 6

9 Versuch 9.3 Demo: Hochspannungs- und Hochstromtransformator Bezug Bildungsstandards: F3; E1, E4, E6; K2, K4 1) Hochspannungstransformator: Kontextbezug: Zündspule, Elektroschweißen, usw. Material: ein Aufbau-Transformator (600/ Wdg.), eine gesicherte Steckerleiste mit Schalter, Warnschild: Achtung Hochspannung, 2 Tonnenfüße mit Isolierstütze, 2 Funkenbügel; Netzspannung Anleitung: a) Der folgende Versuch wird aufgebaut. Wichtig ist, dass der Stromkreis nur (!) über den Schalter an der Steckerleiste geschlossen wird. In einem abgedunkelten Raum ist der Effekt besonders gut zu sehen. Der Stromkreis wird gezeichnet. b) Sobald der Primärkreis an 230 V Wechselspannung angendeschlossen wurde, nähert man vorsichtig die Bügel einander, sobald sich der Funke gebildet hat, zieht man die Bügel auseinander. Beobachtung: a) Schaltskizze: b) 2) Hochstromtransformator: Material: ein Aufbau-Transformator (600/6 Wdg.), eine gesicherte Steckerleiste mit Schalter, Nagel, eine Schutzplatte (Asbest oder Glas), eine Punktschweißzange, 2 dünne Blechstreifen, ein Aluminiumring (mit Wasser gefüllt) Anleitung: a) Der folgende Versuch wird aufgebaut. Wichtig ist, dass der Stromkreis nur (!) über den Schalter an der Steckerleiste geschlossen wird. Der Nagel wird eingespannt und darunter die Schutzplatte gelegt. In einem abgedunkelten Raum ist der Effekt besonders gut zu sehen. Der Stromkreis wird gezeichnet. b) Sobald der Primärkreis an 230 V Wechselspannung angeschlossen wurde, beobachtet man den Nagel. c) Der Raum muss nicht abgedunkelt werden. Statt des Nagels wird die Punktschweißzange an die Sekundärspule angeschlossen, mit der man die beiden Blechstücke nun verschweißt. 7

10 d) Man ersetzt nun die Spule mit 6 Wdg. durch den mit Wasser gefüllten Aluminiumring. e) Die Beobachtungen werden erklärt. Beobachtung: a) Schaltskizze: b) c) Information: Im gleichen Verhältnis wie die Spannung erhöht wird, sinkt die Stromstärke. Das Transformatorgesetz lautet also: Wdg. 1 = U 1 = I 2 Wdg. 2 U 2 I 1 Die Stromstärke steht also im umgekehrten Verhältnis zu den Windungszahlen. d) e) Aufgaben: a) Ein Transformator hat primärseitig 900 Wdg. und sekundärseitig 300 Wdg.; U 1 = 12 V, I 1 = 0,03 A. Berechne Spannung und Stromstärke im Sekundärstromkreis. b) Das Netzteil eil eines Radios soll die Netzspannung (230 V) auf 9 V verkleinern. Bestimme, welches Windungsverhältnis benötigt wird. Bestimme auch, welche Stromstärke im Primärkreis fließt, wenn das Radio mit 0,45 A betrieben wird. c) Die elektrische Leistung kann über das Produkt aus Spannung und Stromstärke berechnet werden. Prüfe, ob man also mit einem Transformator mehr oder weniger elektrische Leistung erzeugen kann. Berechne dazu die Leistungen für jeweils beide Stromkreise in den Aufgaben a) und b). s. Hilfe 9.3 a s. Hilfe 9.3 b s. Hilfe 9.3 c 8

11 Versuch 9.4: Richtung des Induktionsstromes Bezug Bildungsstandards: F1, F3, F4; E6, E7; K4, K5, K6 Kontextbezug: Eine Bohrmaschine, die man über eine nicht abgewickelte Kabeltrommel betreibt, läuft schwächer; Ist eine Glühlampe mit einer Spule in Reihe geschalten und wird der Stromkreis mit Gleichspannung versorgt, leuchtet die Glühlampe verzögert auf (Selbstinduktion). Material: eine Spannungsquelle (12 V Gleichspannung), ein Schalter, eine Spule mit 1200 Wdg. und langem Eisenkern, 2 Messingringe (einer geöffneter, einer geschlossen, beide bifilar aufhängbar), Stativmaterial Messingringe Anleitung: a) Verbindet die Spule über den Schalter mit der Gleichspannungsquelle. squelle. Hängt den geschlossenen Messingring (= Spule mit einer Windung) so auf, dass er sich frei um den Eisenkern bewegen kann. Schließt den Primärstromkreis und unterbrecht ihn wieder. a) b) b) Tauscht den Messingring gegen den unterbrochenen enen Ring und wiederholt Versuch a). c) Erarbeitet et einen plakatgestützten Kurzvortrag, wobei die Erklärung der Ringbewegung besonders wichtig ist. Beobachtung: Erklärung: Der geschlossene Ring stellt eine Spule mit einer Windung dar. In ihm wird Spannung induziert und es fließt Induktionsstrom. Dieser erzeugt seinerseits ein Magnetfeld. Da der Ring abgestoßen wird, müssen die Magnetfelder von Primär- und Sekundärspule entgegengesetzt sein, damit gleiche Magnetpole sich gegenüberstehen. Dies bedeutet, dass der Induktionsstrom im Ring entgegengesetzt zur Richtung des Stroms in der Primärspule fließt. 9

12 Versuch 9.5: Demo: Stromübertragung in Überlandleitungen Bezug Bildungsstandards: F1, F3; E1, E5, E7; K4, K5, K7; B2 Kontextbezug: Stromübertragung über lange Strecken Information 1: Eine dicke, lange Kupferleitung stellt einen erheblichen Widerstand dar. Kupfer hat einen spezifischen Widerstand von 0,017 Vmm 2 /m. Bei einer Länge von 180 km und 10 mm Durchmesser (78,5 mm² Querschnittsfläche) zwischen Stromerzeuger und den Haushalten ergibt sich ein Widerstand von 32,5 V für die Leitungen. Zum Vergleich: zehn Bügeleisen haben zusammen einen Widerstand von 4 V. Schaltplan des Modells: 230 V 6,76 A 30 V Spannung am 4 V-Widerstand: ; Spannung am 30 V-Widerstand: Leistung am 4 V-Widerstand: ; Leistung am 30 V-Widerstand: Würde ein Kraftwerk eine Spannung 230 V ins Netz einspeisen, sen, käme nicht genug Spannung bei den Geräten an. 1) Analogversuch: Material: eine Spannungsquelle uelle (3 V Wechselspannung), ein Widerstand (30 V), eine Glühlampe (3 V/0,5 A) mit Fassung Anleitung: Die folgende Schaltung wird aufgebaut und die Glühlampe beobachtet. 3 V 4 V s. Hilfe 9.5 a/b Beobachtung: 30 V Information 2: Elektrischer Strom wird bekanntlich im Hochspannungsbereich transportiert und für die Haus- halte wieder auf 230 V reduziert. Schaltplan an des Modells: 230 V V Wenn beim Verbraucher wieder an den 4 V anliegen sollen, fließt ein elektrischer Strom mit 57,5 A. Damit fließt im Hochspannungsteil nur ein Tausenstel dieser Stromstärke, also 0,057 5 A. Am 30W-Widerstand fällt dann eine Spannung von 30 V 0,057 5 A = ab. Also entsteht hier ein Leistungsverlust von. Im Haushalt ergibt sich eine Leistung von. 4 V s. Hilfe 9.5 c 10

13 2) Demo: Material: eine Spannungsquelle (3V Wechselspannung), 2 Transformatoren (12/1200 Wdg.), ein Widerstand (30W), eine Glühlampe mit Fassung Anleitung: Die folgende Schaltung wird aufgebaut und die Glühlampe beobachtet. 3 V Beobachtung: 30 V Zusammenfassung: Im Stromnetz werden notwendigerweise große Distanzen mit Hochspannung betrieben. Im Hochspannungsteil entsteht dann am Widerstand der Leitungen nur ein sehr kleiner Leistungsverlust. sver Im Niederspannungsteil steht dann fast die volle Leistung zur Verfügung. Versuch 9.6: Selbstinduktion Bezug Bildungsstandards: F1, F3; E1, E7; K2, K5 Kontextbezug: aufgewickelte Kabeltrommel Material: eine Spannungsquelle (0 10 V Gleich- und Wechselspannung); eine Glühlampe mit Fassung (4 V / 0,1 A); 2 Spulen (300 Wdg. und Wdg.) mit Eisenkern; ein Schalter, Arbeitsblatt, blat Plakatkarton Anleitung: ng: a) Schaltet die Glühlampe, den Schalter und eine Spule (1200 Wdg.) mit Eisenkern in Reihe an die Gleichspannungsquelle an. Fertigt eine passende Schaltskizze dazu an. Stellt 7 V ein und legt den Schalter um. Beobachtet die Glühlampe und erklärt das Gesehene. b) Verwendet nun Wechselspannung, ebenfalls 7 V, und wiederholt Versuch a). Erklärt eure Beobachtung. c) Baut die folgende Schaltung mit der zweiten Spule (300 Wdg.) mit Eisenkern auf. Verwendet zuerst Gleichspannung, danach Wechselspannung. Erklärt wieder eure Beobachtung. U =/

14 Beobachtung: a) Schaltskizze: s. Hilfe 9.6 Beobachtung: Erklärung: Wenn das Magnetfeld in der Spule aufgebaut wird, entsteht in der Spule selbst eine Induktionsspannung, die der Ursache, also dem Stromfluss, entgegengesetzt ist und damit diesen behindert (Selbstinduktion). Ist das Magnetfeld vollständig aufgebaut, gibt es keine Induktionsspannung ng mehr, die Glühlampe vollständig aufgebaut. b) Beschreibung: Erklärung: Bei Wechselspannung spa verändert sich das Magnetfeld in der Spule fortwährend. Die Selbstinduktion wirkt dem Stromfluss s immer entgegen, sodass der Stromfluss nicht ausreicht, um die Glühlampe zum Leuchten zu bringen. c) Beschreibung: Erklärung: Der elektrische Strom wählt stets den Weg mit dem geringsten Widerstand. Bei Gleichspannung stellt die Spule einen viel kleineren Widerstand dar als die Glühlampe,, somit leuchtet diese nicht. Bei Wechselspannung entsteht eht ständig Selbstinduktion, die dem Stromfluss entgegengesetzt ist. Dadurch wirkt die Spule als großer Widerstand und der elektrische Strom fließt über die Glühlampe, h sodass diese leuchtet. Aufgabe: Ihr kennt nun die Funktionsweisen von Generatoren, Transformatoren, Hochspannungsleitungen usw. Erstellt mithilfe der Bilder (s. CD: Bilder für die Plakatgestaltung.pdf) und eigenen Zeichnungen ein Plakat, das zeigt, wie der Strom im Kraftwerk erzeugt wird und dann bis zur Steckdose transportiert wird. Rückblick: Schaut euch nun noch einmal die Ersten Fragen an und beantwortet sie. 12

15 Impressum 2016 Auer Verlag AAP Lehrerfachverlage erlage GmbH Alle Rechte vorbehalten. Das Werk als Ganzes sowie in seinen Teilen unterliegt dem deutschen Urheberrecht. Der Erwerber des Werkes ist berechtigt, das Werk als Ganzes oder in seinen Teilen für den eigenen Gebrauch und den Einsatz im Unterricht zu nutzen. Die Nutzung ist nur für den genannten Zweck gestattet, nicht jedoch für einen weiteren kommerziellen Gebrauch, für die Weiterleitung an Dritte oder für die Veröffentlichung im Internet oder in Intranets. Eine über den genannten Zweck hinausgehende Nutzung bedarf in jedem Fall der vorherigen schriftlichen Zustimmung des Verlages. Die AAP Lehrerfachverlage GmbH kann für die Inhalte externer Sites, die sie mittels eines Links oder sonstiger Hinweise erreichen, keine Verantwortung übernehmen. Ferner haftet die AAP Lehrerfachverlage GmbH nicht für direkte oder indirekte Schäden (inkl. entgangener Gewinne), die auf Informationen zurückgeführt werden können, die auf diesen externen Websites stehen. Autor: Dietrich Hinkeldey Illustrationen: Stefanie Aufmuth, Corina Beurenmeister, Julia Flasche, Stefanie Groß, Carmen Hochmann, Steffen Jähde, Hendrik Kranenberg, Björn Okesson, Stefan Lohr, Christoph Schmidt, Thorsten Trantow, Bettina Weller, Bettina Weyland, Hanni Wohofsky