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Physik im Sachunterricht

Thema: Magnetische Wirkung elektrischer Ströme

Was ist überhaupt ein Magnetfeld?

 Ein Dauermagnet oder ein Strom führender Draht üben auf magnetisierbare Substanzen Kräfte aus, ohne sie zu berühren: Sie erzeugen ein magnetisches Feld. Magnetfelder werden oft durch magnetische Feldlinien bzw. Flusslinien graphisch veranschaulicht. Die Feldrichtung ist an jedem Punkt des Magnetfeldes mit der Richtung der Feldlinien identisch. Die Feldstärke lässt sich aus der Dichte der Feldlinien ablesen. Beim Stabmagneten gehen die Feldlinien von einem Pol oder Ende aus und laufen in einem Bogen zum anderen Pol. Die Feldlinien kann man sich als geschlossene Schleifen vorstellen, von denen ein Teil im Inneren des Magneten verläuft. An den Polen liegen die Feldlinien am dichtesten beieinander, hier ist das Feld am stärksten. Mit größerem Abstand von den Polen wird das Feld schwächer, entsprechend verlaufen die Feldlinien hier in größerem Abstand voneinander.

 

 4.1. Magnetfeld eines Stromdurchflossenen Drahtes


Ein mit einer Spannungsquelle verbundener Leitungsdraht wird in einem Abstand von 4– 6 mm parallel über eine Kompassnadel geführt. Bei eingeschaltetem Strom wird die Nadel sofort aus ihrer Nord- Süd- Richtung abgelenkt. Wird der Stromkreis unterbrochen, pendelt die Kompassnadel wieder in ihre ursprüngliche Richtung zurück und kommt schließlich zur Ruhe. Es muss sich also bei der Bewegung der Elektronen im Leiter um einen gerichteten Vorgang, d.h. um einen elektrischen Strom handeln. Der Versuch zeigt, dass das Magnetfeld ein gerichtetes Feld ist. Weiter fanden wir heraus, dass die Richtung in der die Magnetnadel abgelenkt wird von der Stromrichtung abhängt. In unserem Versuch also war der von Gleichstrom durchflossenerer Draht von einem Magnetfeld umgeben, dessen Richtung durch die Stromstärke bestimmt wurde. Die Ablenkung der Magnetnadel erfolgt nach der sog. „Ampereschen Rechte- Hand- Regel“: Legt man die rechte Hand so über einen stromdurchflossenen Draht, dass die Fingerspitzen in Stromrichtung zeigen ( von – nach + ) und die innere Handfläche der unter dem Draht liegenden Magnetnadel zugekehrt ist, so wird der Nordpol der Nadel stets in Richtung des gespreizten Daumens abgelenkt.

also: In der Umgebung von stromdurchflossenen Leitern oder von Magneten bestehen magnetische Felder, die man durch Kraftwirkungen auf magnetische Dipole nachweisen kann.

 

 Versuch 1.2.5.: Gegenseitige Anziehung und Abstoßung zweier stromdurchflossener, geradliniger Leiter    

Zwei Klemmstangen werden übereinander von ca. 30 cm an einem Stativ befestigt. Zwei Lamettafäden werden im Abstand von etwa 5 mm nebeneinander in der oberen Klemme festgeklemmt; die Enden werden in der unteren Klemme ebenfalls mit Abstand gefestigt. Es ist jedoch darauf zu achten, dass die beiden Lamettafäden nicht zu straff befestigt ein dürfen, da sonst logischerweise mehr Kraft benötigt wird um den Versuch anschaulich zu demonstrieren und die Fäden nicht durchbrennen.

Schaltet man nun die Fäden in Parallelschaltung an einen Stromkreis, so ziehen sich die Fäden gegenseitig an und berühren sich nahezu auf ihrer ganzen Länge.

Anschließend schließen wir die Lamettafäden noch in Reihe an der Stromkreis an. Dadurch werden die Lamettafäden vom Strom entgegengesetzt durchflossen. Nun beobachten wir, dass sich die beiden Fäden gegenseitig abstoßen.

also: Wenn Ströme durch zwei parallele Leiter fließen, so ziehen sich die beiden Leiter gegenseitig an, wenn der Strom in beiden Leitern in die gleiche Richtung fließt. Fließen die Ströme allerdings gegenläufig, so stoßen sich die Leiter gegenseitig ab.

 

Versuch 1.2.11. Krafteinwirkung einer stromdurchflossenen Spule auf einen Weicheisenkern

Eine Spule ( 500 Windungen ) wird so auf den Tisch gelegt, dass die eine Öffnung nach oben zeigt. Über der Spule wird eine Schraubfeder mit dranhängendem Weicheisenkern mittels einer Stabmuffe und eines Stativringes so an einem Stativ befestigt, dass der Eisenkern etwa 1 cm in das Spulinnere taucht. Die Spule wird über einen Gleitwiderstand, einen Strommesser und einen Schalter an ein Stromversorgungsgerät ( 10 V ) angeschlossen. Bei vollständig eingeschaltetem Widerstand wird der Stromkreis geschlossen. Dann wird der Widerstand langsam so weit verringert, bis die Stromstärke auf 4 A gestiegen ist.

Dadurch wird der Eisenkern immer weiter in die Spule hineingezogen, bis er schließlich auf dem Boden aufsetzt. Wird die Stromstärke nun wieder langsam verringert, so zieht die Federkraft den Eisenkern allmählich wieder in die Ausgangslage zurück. Je stärker also der Strom ist, desto fester und weiter wird der Eisenkern nach unten hingezogen.

Auch die Stromrichtung spielt hier keine Rolle, da der Weicheisenkern keine Pole besitzt. Er besteht also aus nichtgerichteten Elementarteilchen.

 

Versuch 1.3.1. Die Tragkraft von Elektromagneten

Versuch 1:

Eine Spule mit 500 Windungen wird mit vertikal gerichteter Achse an ein Stativ geklemmt und über einen Schalter mit einem Stromversorgungsgerät ( 2 V --) verbunden. Schließt man den Stromkreis, so umgibt die Spule ein magnetisches Feld. Doch ist die Tragkraft noch so gering, dass nicht einmal ein eiserner Schlüssel an ihr hängen bleibt. Führt man aber nun einen Eisenkern in die Spule ein und klemmt ihn von oben mittels einer Stabmuffe und einer Parallelmuffe ebenfalls am Stativ fest, so kann die Spule beim anlegen der gleichen Spannung ein 1 kg Stück tragen. Man kann die Spannung auch noch bis zu 6 V erhöhen, wodurch man eine erhebliche Zunahme der Tragkraft erreicht.

 

Versuch 2:

Man hängt an einen U- Kern mit Hilfe einer dafür bestimmten Lasche an eine an ein Stativ geklemmte Stabmuffe, so dass die beiden Schenkel nach unten gerichtet sind. Auf die Schenkel schiebt man von unten her zwei Spulen mit je 500 Windungen und sichert die durch Anlegen einer Spannfeder gegen das Herabfallen. Man schaltet beide Spulen in Reihe über einen Schalter an ein Stromversorgungsgerät ( 6 V -- ), wobei man den Wicklungssinn zu beachten hat. Schließt man nun den Stromkreis, so wird ein waagerechter unter den U- Kern gehaltener I- Kern kräftig angezogen. Streift man über den I- Kern eine Lasche, so wird ein an diesen Stab gebundenes 5 kg Stück vom Elektromagneten getragen. Man kann auch hier die Spannung bi zu 12 V erhöhen.

 

Deutung:

Ein Elektromagnet ist ein Gerät, bestehend aus einer Magnetspule (in der Regel eine zylindrische Spule aus spiralförmig aufgewickeltem, isoliertem Draht) mit einem Kern aus Eisen in der Mitte. Fließt Strom durch die Spule, entsteht ein starkes Magnetfeld entlang der Spiralachse. Bringt man den Eisenkern in dieses Magnetfeld ein, richten sich mikroskopisch kleine Bereiche, die man als winzige Dauermagneten ansehen kann, an der Richtung des Magnetfeldes aus. Dadurch wird dieses vom Elektromagneten erzeugte Feld deutlich verstärkt. Die Elementarmagnete des Eisens richten sich im homogenen Magnetfeld des Spulinneren aus ( magnetische Influenz ) und sorgen für ein zusätzliches, zum Spulenfeld gleichgerichtetes Magnetfeld. Sind alle Bereiche vollständig ausgerichtet, erreicht die Magnetisierung des Kernes den Punkt der Sättigung, und eine weitere Erhöhung der Stromstärke hat kaum eine Wirkung. Wird der Strom unterbrochen, bleibt im Kern sogar Restmagnetismus zurück.

Für moderne Technologien sind sehr starke Magnete von entscheidender Bedeutung. Magnetschwebebahnen schweben auf Schienen aufgrund der Wirkung starker Magnete, so dass keine Reibung mit den Schienen auftritt, die den Zug bremsen würde. Sehr starke Magnetfelder benötigt man für die kernmagnetische Resonanztomographie, die ein wichtiges Hilfsmittel ärztlicher Untersuchungen ist. Supraleitende Magnetspulen kommen in leistungsfähigsten Teilchenbeschleunigern zum Einsatz, um die beschleunigten Teilchen zu bündeln und auf ihrer gekrümmten Bahn zu halten. [1]

 

Versuch 3 Demonstrationsversuche zum Induktionsgesetz

3.1. Induktionsspannung in bewegten Spulen

Versuch 1: Abhängigkeit der Induktionsspannung vom Magnetfluss

Reaktion bei einer Spule mit 300 Wdg: 10- 20 mV Ausschlag
Reaktion bei einer Spule mit 3600 Wdg: ca. 70 mV Ausschlag
Reaktion bei einer Spule mit 10.000 Wdg: weit über 150 mV Ausschlag

Versuch 2: Bewegung einer Spule im Felde eines Hufeisenmagneten:

Reaktion bei einer Spule mit 300 Wdg: ca. 5 mV Ausschlag

Reaktion bei einer Spule mit 3600 Wdg: ca. 30 mV Ausschlag

 

Reaktion bei einer Spule mit 10.000 Wdg: ca. 70 mV Ausschlag

 

Versuch 3: Bewegung eines Magneten bei feststehender Spule

a)     senkrecht zur Längsachse

b)     Richtung Längsachse

 

Reaktion bei einer Spule mit 300 Wdg: a) ca. 1mV Ausschlag

                                                                      b) ca. 0, 5 mV Ausschlag     

 

Reaktion bei einer Spule mit 3600 Wdg: a) 10mV Ausschlag

                                                                        b) 5 mV Ausschlag

 

Reaktion bei einer Spule mit 10.000 Wdg:: a) ca. 40 mV Ausschlag

                                                                             b) ca. 20 mV Ausschlag

 

Diese Werte zeigen, dass eine Bewegung senkrecht zur Längsachse eine doppelt so große Spannung induziert, als eine Bewegung in Richtung der Längsachse.

Weiter wird aus den Versuchen wird deutlich, dass wenn man einen Magneten durch Spulen hin- und her bewegt, sich der Zeiger des Messinstruments nach rechts bzw. nach links ausschlägt. Je mehr Windungen die Spule hat und je stärker der Magnet ist, desto stärker schlägt der Zeiger aus. Hört man den Magneten zu bewegen, so bleibt auch der Zeiger des Messinstruments sofort stehen. Es wird also deutlich, dass durch die Bewegungen des Magneten in Richtung der Spule eine Spannung induziert wird.

Deutung:

Wenn ein Leiter, z. B. ein Draht, sich zwischen den beiden Polen eines Magneten hindurchbewegt, so entsteht in dem Draht eine Potentialdifferenz, also eine Spannung. Man sagt, dass ein bewegtes (zeitlich verändertes) magnetisches Feld ein elektrisches Feld induziert (erzeugt). Dieses Phänomen ist auch in umgekehrter Weise möglich. Das Magnetfeld und das elektrische Feld stehen senkrecht aufeinander. Wenn der Draht durch einen Leiter mit einem Stromkreis verbunden wird, fließt durch dieses System Strom. Nach diesem Prinzip funktioniert ein Dynamo, in dem eine Drahtschleife in einem magnetischen Feld rotiert.

 

Versuch: Transformator

An die Primärspule eines Transformators werden verschiedene Wechselspannungen U1 angelegt, und die Spannung U2 an der Sekundärspule auftretende Spannung wird abgelesen. Messungen werden durchgeführt, wenn

a)     Primär- und Sekundärspule die gleiche Windungszahl haben

b)     n1 kleiner als n2 ist

c)      Die Windungszahl n1 der Primärspule größer ist als die Windungszahl n2 der Sekundärspule                                            

a)

Primärspannung

In Volt ( U1 )

     5

     10

     15

     20

     25

Sekundärspannung

In Volt ( U2 )

     4, 8

     9, 8

    14, 6

     19, 8

     24, 7

U1/ U2

    1, 04

     1, 02

    1, 03

    1, 01

    1, 01

Windungszahlen: n1= 500; n2= 500

 

b)

Primärspannung

In Volt ( U1 )

     5

    10

     15

     20

     25

Sekundärspannung

In Volt ( U2 )

    10

      20

    30

     40

      50

U1/ U2

     0, 5

   0, 5

     0, 5

     0, 5

     0, 5

Windungszahlen: n1= 500; n2= 1000

 

c)

Primärspannung

In Volt ( U1 )

     3

     6

     9

     12

     15

Sekundärspannung

In Volt ( U2 )

     1, 3

     2, 7

      4, 2

      5, 6

     7, 0

U1/ U2

     2, 31

     2, 2

    2, 14

    2, 14

     2, 14

Windungszahlen: n1= 1000; n2= 500

 

Deutung:

Ein Transformator besteht normalerweise aus zwei benachbarten Drahtspulen, die um einen einzigen Kern aus magnetischem Material gewickelt sind. Wenn ein Leiter in einem Magnetfeld hin und her bewegt wird, ändert der Strom im Leiter ständig seine Flussrichtung. Mehrere Strom erzeugende Geräte arbeiten nach diesem Prinzip und erzeugen so einen Wechselstrom. Im Vergleich zu Gleichstrom hat Wechselstrom mehrere nützliche Eigenschaften. Der in der Praxis wichtigste Vorteil des Wechselstromes liegt darin, dass Spannung und Stromstärke durch einen Transformator auf fast jeden gewünschten Wert gebracht werden können. Wenn ein Wechselstrom in einer Drahtspule fließt, werden Magnetfelder mit ständig umkehrenden Polen auf- und abgebaut. Wenn ein anderer elektrischer Leiter oder eine Drahtspule in das Magnetfeld der ersten Spule gebracht wird, ohne dass eine elektrische Verbindung besteht, induziert das Magnetfeld einen Wechselstrom in der zweiten Spule. Wenn die zweite Spule eine größere Anzahl von Wicklungen hat als die erste, ist die in der zweiten Spule induzierte Spannung größer als die Spannung in der ersten Spule, da das Magnetfeld auf eine größere Anzahl von Einzelleitern einwirkt. Umgekehrt ist die induzierte Sekundärspannung kleiner als die Primärspannung, wenn die Sekundärspule eine geringere Anzahl von Wicklungen aufweist.  

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