19. Elektrizität und Magnetismus einfache Experimente 1 von 22 Elektrizität und Magnetismus einfache Experimente Dr. Beate Bathe-Peters, Berlin Elektrische und magnetische Erscheinungen umgeben uns. Wir nutzen sie vollkommen selbstverständlich. In diesem Beitrag erforschen die Schüler die Grundlagen dieser Erscheinungen. Einfache Experimente verdeutlichen ihnen die Zusammenhänge. Polarlicht Interessante Anwendungen, z. B. die Funktionsweise eines Lautsprechers! Der Beitrag im Überblick Foto: Pixelio Klasse: 7/8 Dauer: 5 6 Stunden Ihr Plus: ü Bauanleitung Elektromagnet ü Modell magnetischer Datenspeicher ü Kreuzworträtsel als Lernerfolgskontrolle ü Schülertaugliche Versuche Inhalt: Alltagsphänomene Ablenkung bewegter Ladungen durch ein Magnetfeld Rechte-Hand-Regel Modell Elementarmagnete Magnetische Datenspeicherung Elektromagnetismus in der Natur, z. B. beim Polarlicht Das Prinzip des Morsens und eines Lautsprechers
2 von 22 19. Elektrizität und Magnetismus einfache Experimente Fachliche und didaktisch-methodische Hinweise Elektrizität und Magnetismus hängen eng zusammen. Die magnetische Wirkung des elektrischen Stroms, aber auch der Einfluss eines Magneten auf den elektrischen Strom erleichtern uns in vielfältigen Anwendungen das tägliche Leben oder erzeugen unbeabsichtigte Störungen. Die Schüler nehmen diese Phänomene als selbstverständlich wahr. Ablauf Die Unterrichtseinheit stellt grundlegende Prinzipien vor. Zunächst erfolgt eine Abgrenzung der Begriffe Elektrizität, Magnetismus und Elektromagnetismus (M 1). Dabei wird deutlich, dass dies oft nur bedingt möglich ist. Den Einfluss eines Magneten auf bewegte Ladungen erforschen die Schüler anhand eines einfachen Beispiels (M 3), nämlich eines PC-Monitors, den die meisten Schüler fest in ihr Freizeitverhalten integriert haben. Die Schüler sollten zum Verständnis des Experiments grob das Prinzip der Braun schen Röhre kennen. Die Richtung der Lorentzkraft wird mit der Rechte-Hand-Regel (als Merkregel FBI) ermittelt (M 4). Mithilfe einer Modellvorstellung veranschaulichen Sie die Wirkung eines Elektromagneten (M 5). Anwendungen wie magnetische Datenspeicher, Elektromagnet, Klingel, die magnetische Sicherung, das Morsen und der Lautsprecher untersuchen wir anschließend (M 6, M 7, M 9, M 10). Auch in der Natur spielen magnetische, elektrische und elektromagnetische Vorgänge eine Rolle (M 8). Das Kreuzworträtsel wiederholt alle relevanten Begriffe (M 11). Notwendige Vorkenntnisse Die Schüler kennen die elektrische Ladung, den Magnetismus, einfache Stromkreise und den Elektromagneten. Basierend auf diesen Kenntnissen, erforschen sie tiefer gehende Zusammenhänge und begreifen diese anhand einer Vielzahl von Anwendungen. Bezug zu den Bildungsstandards der Kultusministerkonferenz Allgemeine physikalische Kompetenz Inhaltsbezogene Kompetenzen F 1, F 2, E 1, E 2, K 1 F 3, E 1 E 3, K 4 F 1 F 5, E 1, E 3, E 5, E 7, E 8, K 1, K 4, K 5 F 1 F 5, E 1, E 3, E 5, K 3, K 4, K 6, K 7, B 1, B 2 F 3, F 4, K 1, K 7 F 3, F 4, K 2, K 7 Die Schüler... begreifen elektrische, magnetische und elektromagnetische Phänomene (M 1, M 2, M 5, M 8),... verstehen das Prinzip, auf dem der Elektromagnetismus beruht (M 3, M 4, M 7),... verwenden die Modellvorstellung Elementarmagnete (M 5) bzw. bauen Modelle zur Erklärung und für Anwendungen (magnetischer Datenspeicher, M 6), erkennen und beschreiben Zusammenhänge zwischen elektromagnetischen Phänomenen und Anwendungen (Morseapparat, Lautsprecher, Natur) (M 8 M 10),... bauen einen Elektromagneten (M 7) und morsen (M 9), lösen ein Quiz zum Elektromagnetismus (M 11). Anforderungsbereich I II II II, III II, III I III Für welche Kompetenzen und Anforderungsbereiche die Abkürzungen stehen, finden Sie auf der beiliegenden CD-ROM 29.
19. Elektrizität und Magnetismus einfache Experimente 3 von 22 Materialübersicht V = Vorbereitungszeit SV = Schülerversuch Ab = Arbeitsblatt/Informationsblatt D = Durchführungszeit LV = Lehrerversuch Fo = Folie M 1 Ab Elektrizität, Magnetismus und Elektromagnetismus M 2 Fo Beispiele aus deinem Alltag M 3 Ab, SV Bewegte Ladungen werden durch ein Magnetfeld abgelenkt V: 2 min D: 5 min r Röhrenmonitor (PC-Monitor) r Magnet M 4 Ab Den Geheimagenten abgeschaut die FBI-Regel M 5 Ab Eine Modellvorstellung erklärt das Phänomen M 6 Ab, SV Die magnetische Datenspeicherung so funktioniert s! V: 5 10 min D: 5 min V: 5 10 min D: 5 min r Feile r Blatt Papier r Blatt Papier r Magnet r Eisenteil (z. B. Nagel) r Magnete in verschiedenen Formen (Hufeisenmagnet, Stabmagnet) r Eisenfeilspäne M 7 Ab, SV Elektromagnet, Klingel und magnetische Sicherung V: 10 min D: 10 min r Kupferlackdraht (Dicke circa 0,5 mm, Länge circa 8 10 m) r Korken r Schnur r Sandpapier r Batterie r Eisennägel M 8 Ab Elektrizität und Magnetismus in der Natur r Büroklammern M 9 Ab/SV 55 bedeutet viel Erfolg! Das Morsealphabet kennenlernen M 10 Ab/SV M 11 LEK V: 5 min D: 5 min Laut, lauter die Funktionsweise eines Lautsprechers r z. B. Lautsprecher einer Stereoanlage mit zwei Kontakten r 4,5-V-Flachbatterie Teste dein Wissen! Die Erläuterungen und Lösungen zu den Materialien finden Sie ab Seite 16. Minimalplan Wiederholen Sie die Begriffe Elektrizität, Magnetismus und Elektromagnetismus anhand von M 1. Mit M 3 M 5 erläutern Sie die Grundprinzipien der beobachteten Erscheinungen. Wählen Sie eine der Anwendungen (M 6 M 10) exemplarisch aus. Lassen Sie die Schüler diese bearbeiten. Bitte beachten Sie: Das Quiz können die Schüler dann nicht vollständig lösen.
19. Elektrizität und Magnetismus einfache Experimente 5 von 22 M 2 Beispiele aus deinem Alltag Glühbirne Kompass Relais Türklingel Lautsprecher Magnetisches Spielzeug Transformator Reizstromgerät PC-Monitor Magnetisches Werkzeug Lötkolben Stromzange Fotos: Pixelio, G. Schneider
19. Elektrizität und Magnetismus einfache Experimente 7 von 22 M 4 Den Geheimagenten abgeschaut die FBI-Regel Im Versuch auf Material M 3 konntest du beobachten, dass Elektronen (= negative Ladungsträger) durch einen Magneten abgelenkt werden. Kann man vorhersagen, in welche Richtung die Ladung abgelenkt wird? Ja! Hier lernst du eine einfache Regel kennen. Tipp Sieh dir die Seite http://www.walter-fendt.de/ph14d/lorentzkraft.htm an. Das Java-Applet demonstriert, dass das Magnetfeld eines Hufeisenmagneten auf eine stromdurchflossene Leiterschaukel eine Kraft, die sogenannte Lorentzkraft, ausübt. Um nun die Wirkung des Magnetfeldes auf die bewegliche Ladung zu beschreiben, nimmt man seine Hände zu Hilfe. Aufgabe a) Betrachte den Versuch. Überlege dir, in welche Richtung sich die Elektronen bewegen. Nimm deine rechte Hand zu Hilfe. Die Bewegungsrichtung der Elektronen (= Ursache) beschreibst du mit deinem Daumen. Versuche, die folgenden Größen zu benennen und zwei Fingern deiner rechten Hand zuzuordnen. Halte diese zwei Finger so, dass sie die Richtung der beiden Größen anzeigen: Ursache (= Grund für das beobachtete Phänomen): Daumen Vermittlung (= Einfluss, der das Phänomen erzeugt): Wirkung (= beobachtetes Phänomen bzw. wirkende physikalische Größe): b) Ändere die Versuchsbedingungen (z. B. Richtung des Stroms bzw. des Magnetfeldes). Versuche, deine Regel zu bestätigen. Merke: Die FBI-Regel Beachte bei dieser Regel, dass der Name rückwärts zu lesen ist: I: Ursache Strom Daumen B: Vermittlung Magnetfeld Zeigefinger F: Wirkung Kraft Mittelfinger Die Kraft, die bewegte Ladungen in einem Magnetfeld erfahren, heißt Lorentzkraft. Die Lorentzkraft steht immer senkrecht auf der Richtung, in der sich die Elektronen bewegen. Für Experten Wie verändert sich die Lorentzkraft, wenn das Magnetfeld nicht senkrecht zur Bewegungsrichtung der Elektronen verläuft? Rechte-Hand-Regel Foto: G. Schneider
8 von 22 19. Elektrizität und Magnetismus einfache Experimente Die FBI-Regel eine Folienvorlage U (I) V(B) W(F) Rechte-Hand-Regel Foto: G. Schneider
19. Elektrizität und Magnetismus einfache Experimente 11 von 22 M 7 Elektromagnet, Klingel und magnetische Sicherung Schülerversuch: Elektromagnet Vorbereitung: 10 min Durchführung: 10 min Materialien r Kupferlackdraht (Dicke circa 0,5 mm, Länge circa 8 10 m) r Korken r Schnur r Sandpapier r Batterie r Eisennägel r Büroklammern Versuchsvorbereitung Bau einer Spule 1. Wickle den Draht um den Korken, sodass auf jeder Seite einige Zentimeter überstehen. Du sollst mindestens 200 Windungen erreichen. 2. Ziehe den Draht von dem Korken ab. Binde die Windungen mit der Schnur an den gegenüberliegenden Seiten fest. 3. Reibe die Drahtenden mit Sandpapier blank, um hier Kontakte zu schaffen. Versuchsdurchführung: So wird aus der Spule ein Elektromagnet! a) Verbinde die Kontakte der Spule mit den Polen der Batterie. b) Nähere die Spule den Büroklammern. c) Lege einen Eisenkern in die Spule. Dazu umwickele z. B. einige Eisennägel mit einem Stück Draht und platziere diese in der Spule. Wiederhole den Versuch. Material für einen Elektromagneten d) Notiere deine Versuchsbeobachtung und dein Versuchsergebnis im Heft. Vergleiche dein Ergebnis mit dem von Klassenkameraden, die ihre Spule mit mehr oder weniger Windungen als du gebaut haben. Foto: Bathe-Peters Aufgabe a) Wie kannst du mit einem Elektromagneten eine Türklingel bauen? b) Informiere dich, wie eine magnetische Sicherung funktioniert. Türklingel Foto: Pixelio
12 von 22 19. Elektrizität und Magnetismus einfache Experimente M 8 Elektrizität und Magnetismus in der Natur Wusstest du schon? 1. Sinnesorgane für das Erdmagnetfeld Menschen haben kein Organ zur Feststellung des Erdmagnetismus. Es gibt aber durchaus einige Tiere, die dies können. So sind z. B. Zugvögel durch ein Molekül in der Netzhaut in der Lage, das Magnetfeld der Erde visuell zu erfassen. Sie orientieren sich also nicht nur am Sonnenstand, den Sternen und der Oberfläche der Erde, sondern können auch das Erdmagnetfeld für ihre Orientierung verwenden. Auch Bienen nutzen das Erdmagnetfeld zur Orientierung. Quelle: http://www.bienenschade.de/honigbienen/sprache/sinnesorgane%20bienen.htm 2. Das Polarlicht Am nördlichen Himmel gibt es besonders im Frühjahr und im Herbst beeindruckende Leuchterscheinungen. Man bezeichnet sie als Polarlicht. Am südlichen Himmel kann man das Südlicht beobachten. Ströme elektrisch geladener Teilchen, die die Sonne ständig aussendet, gelangen in das Magnetfeld der Erde. Beim Eindringen in die Atmosphäre regen die Teilchen Moleküle und Atome zum Leuchten an. In Jahren, in denen die Sonnenflecken besonders stark ausgeprägt sind, ist das Polarlicht umso deutlicher zu sehen. Auch auf anderen Planeten kann man diese Leuchterscheinung beobachten. Bienenschwarm Polarlicht Fotos: Pixelio Aufgaben 1. Du machst einen Ausflug in unwegsames Gebiet. Zeitweise wirst du dich in Gebieten befinden, an denen es keinen Weg gibt. Du musst sicherstellen, dass du dich dennoch zurechtfindest. Elektronische Geräte wie z. B. dein Handy sind auf dem Abenteuerausflug nicht erlaubt. Was nimmst du mit und wie funktionieren deine Hilfsmittel? 2. a) Finde ein weiteres Tier, das den Erdmagnetismus zur Orientierung nutzt. Recherchiere dazu im Internet. b) Was soll der Mensch bei der Erzeugung elektromagnetischer Felder im Zusammenhang mit der Tierwelt beachten? 3. Welche Voraussetzungen muss ein Planet erfüllen, damit man dort Leuchterscheinungen wie das Polarlicht beobachten kann?
19. Elektrizität und Magnetismus einfache Experimente 15 von 22 M 11 Teste dein Wissen! 3 4 10 6 2 1 5 7 Begriffe, die gesucht sind: 8 9 1. Magnetische Erscheinungen, die im direkten Zusammenhang mit bewegter elektrischer Ladung stehen. 2. Elektromagnetische Erscheinungen erkennt man an ihren. 3. Ein lenkt bewegte Ladung ab. 4. Die Vermittlung zur Erzeugung der Lorentzkraft 5. Die Ursache für die Beobachtung einer magnetischen Wirkung kann in einem elektrischen Leiter sein. 6. Magnetisierbares Material 7. Ein wesentliches Bauteil einer Klingel, eines Morseapparates oder einer magnetischen Sicherung 8. Leuchterscheinung am Himmel hervorgerufen durch geladene Teilchen 9. Wesentliches Bauteil eines Morseapparates 10. Gerät zur Umwandlung elektrischer Schwingungen in akustische Signale
16 von 22 19. Elektrizität und Magnetismus einfache Experimente Erläuterungen und Lösungen M 1 Elektrizität, Magnetismus und Elektromagnetismus Zu Beginn der Reihe weisen Sie die Schüler unbedingt darauf hin, dass sie die Versuche nie an der Steckdose durchführen sollen. Die Spannung an einer Steckdose beträgt in Deutschland 230 Volt, wobei schon Wechselspannungen ab 50 Volt für den Menschen gefährlich sein können. Erläutern Sie, dass man im Umgang mit Elektrizität vorsichtig sein muss. Elektrizität und Magnetismus sind eng miteinander verknüpft (à Elektromagnetismus). Die Schüler haben deren Wirkungen schon oft beobachtet, ohne diese systematisch einordnen zu können. Daher sollen sie zunächst derartige Phänomene benennen und versuchen, diese zu klassifizieren. Lassen Sie die Schüler, bevor Sie das Material ausgeben, eigene Beschreibungen bzw. Definitionen zusammentragen. Anschließend besprechen Sie die Begriffe im Plenum. Die Aufgabe bearbeiten die Schüler in Stillarbeit. Lösung Elektrizität: Glühlampe (Licht), Lötkolben (Wärme), Reizstromgerät (physiologische Wirkung) Magnetismus: Kompass, magnetisches Spielzeug, magnetischer Schraubendreher Elektromagnetische Wirkung: Türklingel, Transformator, Lautsprecher M 2 Beispiele aus deinem Alltag Verwenden Sie die Farbfolie zur Kontrolle der Lösungen von Material M 1. Das Relais, der PC-Monitor und die Stromzange fehlen auf Material M 1. Diese Geräte ordnen die schnellen Schüler einer Kategorie zu (Relais, PC-Monitor, Stromzange elektromagnetische Wirkung). M 3 Bewegte Ladungen werden durch ein Magnetfeld abgelenkt Hier geht es um den Zusammenhang zwischen Elektrizität und Magnetismus. Mit einem einfachen Versuch verdeutlichen Sie den Schülern den Einfluss eines Magneten auf bewegte Ladungsträger. Die Schüler müssen dazu allerdings wissen, dass bei einem Röhrenmonitor das Monitorbild durch bewegte Ladung (Elektronen, die auf einer Leuchtschicht auftreffen) erzeugt wird. Erklären Sie dies gegebenenfalls. Ergänzend führen Sie den Versuch von Oersted (1777 1851) durch, der zeigt, dass ein stromdurchflossener Draht eine Magnetnadel ablenkt. Lösung 1. Versuchsbeobachtung: Dort, wo der Magnet sehr nahe am Testbild ist, verändert sich die Farbe deutlich. 2. Versuchsergebnis: Bewegte Ladung wird in der Umgebung eines Magneten abgelenkt. Deshalb treffen die Ladungsträger (Elektronen) nicht mehr an der vorgesehenen Stelle, dem sogenannten Bildpunkt, auf die Leuchtschicht auf. Das Bild bzw. die Farbe wird gestört. 3. Eine stromdurchflossene Leitung ist von einem Magnetfeld umgeben. Dieses physikalische Phänomen macht man sich bei der Stromzange zunutze. In den Backen befinden sich Spulen bzw. Sensoren, die die Messung des Magnetfeldes ermöglichen.