Unterrichts-Einsichten  -  Schuljahr 2007/2008  -  Physik 10c

Elektromagnetismus

2007-09-05

• Wiederholung einiger wichtiger Erkentnisse aus vergangenen Schuljahren
  • Oerstedt-Versuch (Schul-Buch Seite 72)
    Eine Magnetnadel schlägt aus, wenn in einem nahe gelegenen Draht ein Strom ein- oder ausgeschaltet wird.
    Ein stromdurchflossener Leiter erzeugt um sich herum ein Magnetfeld, dessen Feldlinien senkrecht zum Leiter verlaufen und konzentrischeKreise zum Leiter bilden.
  • Definition: Magnetische Feldlinien zeigen in die Richtung, in die sich ein freier magnetischer Nordpol bewegen würde.
  • Merkregel: "Linke-Hand-Regel" (gilt für negative Ladungen)
    Zeigt der Daumen der linken Hand in die Richtung, in die sich die Elektronen im Draht bewegen, so zeigen die Finger der linken Hand in die Richtung der magnetischen Feldlinien.
  • Für positive Ladungsträger gilt die Regel entsprechend als "Rechte-Hand-Regel".
  • Die magnetische Wirkung des Oerstedt-Effekts kann verstärkt werden, indem man den Leiter mehrfach an derselben Stelle vorbei führt, z. B. indem man ihn aufwickelt.
    Einen (meist eng und in mehreren Lagen) aufgewickelten Leiter nennt man "Spule".
  • Eine stromdurchflossene Spule wirkt wie ein Stabmagnet. Die Pole der Spule liegen an den seitlichen Öffnungen der Spule.
  • Die magnetische Wirkung einer Spule lässt sich stark vergrößern, indem man in die Spule einen Eisenkern legt.

2007-09-12

• Durch die magnetische Wirkung eines elektrischen Stroms können frei drehbar aufgehängte Magnete abgelenkt werden.
  Um nicht nur eine Ausrichtung im Magnetfeld, sondern eine stetige Drehbewegung zu erzeugen, könnte man einen Wechselstrom an eine Spule legen und dadurch die Richtung des Magnetfeldes periodisch ändern.
  Einen Motor, der dessen Drehbewegung auf diese Weise realisiert wird, nennt man Synchronmotor.
  Im Versuch gelang es aber nicht, einen solche kontinuierliche Drehung zu erzeugen, weil die Umdrehungsfrequenz konstant eingehalten werden muss.
  Weitere Untersuchungen (und Lösung des Problems) in der nächsten Stunde.

2007-09-13

• Erster Lösungsvorschlag für das Erzeugen einer kontinuierlichen Drehbewegung war: Wechselstrom unterschiedlicher Frequenz zum Erzeugen des Magnetfeldes der Spule.
  Ab einer Frequenz von 5 Hz fing tatsächlich die Spule an, sich relativ gleichmäßig im Hufeisenmagneten zu drehen.
  Bei höheren Frequenzen wurde der Lauf gleichmäßiger und entsprechend schneller.
  Bei Frequenzen ab etwa 80 Hz blieb die Spule stehen.
• Den auf diesem Lösungsvorschlag beruhenden Motor nennt man Synchronmotor, da die Drehung genau so schnell erfolgt wie die Polarität der Wechselspannung.
• Vorteil des Synchronmotors ist, dass die Drehzahl genau durch die Frequenz der Wechselspannung gesteuert werden kann.
• Nachteil des Synchronmotors ist, dass er sehr empfindlich auf Belastungen reagiert. Schon bei gerinegr Belastung gerät der Motor aus dem Tritt und bleibt stehen.
• Diesen Nachteil könnte man vermeiden, wenn man in Abhängigkeit von der Drehbewegung das Umpolen der Spannung erreichen könnte.
  Lösung: Über Schleifkontakte wird einer mit der Spule starr verbundenen zweigeteilten Walze (einem Kommutator) eine Gleichspannung zugeführt.
  Nach jeder halben Umdrehung wird dadurch die Polarität der Spannung verändert, so dass immer im richtigen Augenblick der Strom die Richtung hat, die ein Magnetfeld erzeugt, das die Spule im Feld des Hufeisenmagneten so ausrichtet, dass sie sich weiter dreht.
  Ein auf dieser Grundlage gebauter Motor ist recht unempfindlich gegen Geschwindigkeitsänderungen der Drehbewegung. Der Motor dreht sich also auch unter auftretender Belastung weiter.

2007-09-19

• Antwort auf die Frage: Worin unterscheiden sich Wechselspannung und Gleichspannung?
  Wenn an die Anschlussbuchsen eines Stromkreises eine Spannung angelegt wird, heißt das, dass an der einen Buchse (-) ein Elektronenüberschuss und an der anderen Buchse (+) ein Elektronenmangel herrscht.
  Bleibt dieser Elektronenmangel bzw. -überschuss während der ganzen Betriebszeit an einer Buchse erhalten, handelt es sich um Gleichstrom - die Elektronen bewegen sich nur in eine Richtung: vom Minus-Pol zum Plus-Pol. Spannungsverlauf:
  
  Ändert sich die Polarität an den Anschlussbuchsen periodisch, so spricht man von Wechselspannung. Der Elektronenüberschuss (bzw. der Elektronenmangel) ist dann periodisch an jeder der beiden Anschlussbuchsen zu finden. Man unterscheidet meistens zwischen
  1. Sinusförmiger Wechselspannung, 2. Rechteckspannung und 3. Sägezahn- oder Dreiecksspannung
      
• Der in der letzten Stunde betrachtete Motor läuft nicht "rund", weil die Spule beim Wechsel der Spannung ohne Antrieb läuft und dann erst nach einer Drehung von 90° für kurze Zeit volle Kraft erfährt.
  Ein Motor läuft gleichmäßiger, wenn mehrere Spulen so übereinandergewickelt sind, dass ihre Spulenachsen in einem von 0° verschiedenen Winkel zueinander stehen.
  Siehe Versuch mit dem Motor, bei dem 2 Spulen um 90° gegeneinander gedreht angebracht waren.
• Es folgt die genauere Untersuchung des Effektes, der bewirkt, dass die Spule sich im Magnetfeld des Hufeisenmagneten ausrichtet.
  Versuch: Eine Leiterschaukel hängt zwischen den Polen eines Hufeisenmagneten. Wird Strom durch den Leiter geschickt, bewegt sich der Leiter kurz in den Hufeisenmagneten hinein.
  
  Es wurde die Vermutung geäußert: "Immer, wenn Strom durch den Leiter fließt, wird der Leiter in den Hufeisenmagneten hineingezogen". Zur Bestätigung dieser Vermutung wurden Argumente wie "... weil im Magneten die Kraft größer ist", "... weil der Magnet den Leiter anzieht" geäußert.
  Eine aufgestellte Behauptung kann aber in der Physik nicht durch derartige Plausibilitätsüberlegungen bestätigt werden, sondern nur durch Versuche.
  Dabei hat es keinen Zweck, einen einmal durchgeführten Versuch immer zu wiederholen und sich daran zu freuen, dass die Vermutung wieder und wieder "bestätigt" wird, sondern man muss versuchen, die Vermutung durch einen Versuch zu widerlegen. Insgeheim darf man natürlich hoffen, dass eine solche Widerlegung nicht möglich ist. Lässt sich nun trotz intensiver Suche nach einer Widerlegung diese nicht finden, so kann man erst einmal davon ausgehen, dass die geäußerte Behauptung wohl richtig ist.
  Anwendung auf unseren Versuch und die geäußerte Vermutung:
  Wir versuchen den Versuch so abzuändern, dass der Leiter nicht in den Hufeisenmagneten gezogen wird.
  Vorschlag der Schüler: Die Stromrichtung des Stroms druch den Leiter umkehren. Ergebnis: Der leiter wurde aus dem Hufeisen herausgestoßen.
  Unsere Vermutung ist damit falsifiziert (=als falsch erkannt) worden und wir müssen uns eine andere Gesetzmäßigkeit suchen, die diese beiden Fälle (Anziehen und Abstoßen) beeinhaltet.
  Das ist das Programm für die nächste Stunde.

2007-09-20

• Erarbeitung und Übung zur 3-Finger-Regel der linken Hand: Bewegen sich Elektronen (negativ geladen) in einem Leiter senkrecht zu magnetischen Feldlinien, so wirkt eine Kraft senkrecht zur Stromrichtung und senkrecht zu den magnetischen Feldlinien.
  Kraftrichtung: Linke Hand: Daumen: Richtung der Elektronen; Zeigefinger: Richtung der magnetischen Feldlinien; Mittelfinger: Richtung der Kraft.
• Auch bei freien Elektronen in einer Elektronenröhre wirkt diese Kraft, wenn ein Magnet in die Nähe der Röhre gebracht wird.
• Für bewegte positive Ladungen wendet man entsprechend die 3-Finger-Regel der rechten Hand an.

2007-09-26

• Viele Vorgänge, die durch physikalische Modelle beschrieben werden können, sind umkehrbar.
  Beispiele:
  • Lichtwege sind umkehrbar: Wird von einem Punkt A aus ein Lichtstrahl ausgesendet und findet dieser nach Spiegelungen an vielen Spiegeln sein Ziel im Punkt B, so würde auch ein Lichtstrahl, der vom Punkt B aus genau in die Richtung ausgestrahlt wird, aus der erste Lichtstrahl ankommt, sein Ziel im Punkt A finden.( Arbeitsblatt, erstellt mit Cinderella).
  • Ein Körper, der bis zu einem Punkt A hochgeworfen wird (bei A soll er die Geschwindigkeit 0 haben), besitzt auf jeder Höhe dieselbe Geschwindigkeit wie ein Körper, der vom Punkt A aus herunter fällt.
• Das 3. Beispiel ist Unterrichtsgegenstand der aktuellen Stunde:
  In der letzten Stunde haben wir einen elektrischen Strom  (Ursache) durch einen Leiter geschickt, der sich im Magnetfeld befand. Die Wirkung war eine Kraft, die auf den Leiter wirkte.
  Also: Ursache: Stromfluss durch den Leiter ; Vermittlung: durch das Magnetfeld ; Wirkung: Kraft auf den Leiter.
  Der entgegengesetzte Vorgang sieht nun so aus:
  Ursache: Kraft auf den Leiter ; Vermittlung: durch das Magnetfeld ; Wirkung: Stromfluss durch den Leiter.
• Ob ein solcher entgegengesetzter Vorgang überhaupt existiert, kann man nicht theoretisch beweisen.
  Eine Anfrage an die Natur (ein Versuch) muss zeigen, ob es einen solchen Vorgang gibt.
• Zunächst fiel der Versuch negativ aus: Wir konnten keinen Strom messen. Das heißt nun aber nicht, dass unsere Vermutung falsch war. Die Stromstärke könnte so klein sein, dass wir sie mit unseren Schulgeräten nicht messen können (so ist es auch!).
  Erst als wir nicht den Stromfluss, sondern die an den Enden des Leiters angesammelten Elektronen (als Spannung) gemessen haben, wurde unsere Vermutung bestätigt.
• Fragen zur nächsten Stunde: Kann man hier auch die 3-Finger-Regel anwenden? Ist es eigentlich korrekt, wenn wir den elektrischen Leiter so explizit erwähnen? Oder ist nicht etwas Anderes viel wichtiger? Wie hängen die beiden oben beschriebenen Versuche mit dem Versuch mit der Elektronenstrahlröhre zusammen?

2007-10-04

• Antworten zu den Fragen der letzten Stunde:
  Wird der Leiter bewegt, bewegen sich gleichzeitig die in ihm befindlichen Elektronen. Auf sie wirkt die Kraft, die durch das Magnetfeld vermittelt wird.
  Die Kraft heißt Lorentzkraft, benannt nach dem Physiker Hendrik Antoon Lorentz.
  Die Richtung der Kraft kann mit der 3-Finger-Regel bestimmt werden.
• Durch die Bewegung der Elektronen wird an den Enden der Zuleitungen eine Spannung induziert. Der Vorgang heißt elektromagnetische Induktion.
• Als im Versuch der Strom durch den Leiter floss, wurde dieser im Magnetfeld bewegt. Durch diese Bewegung wird aber auch eine Verschiebung der Elektronen im Draht ausgelöst.
  Mit Hilfe der 3-Finger-Regel kann man zeigen, dass diese Wirkung auf die Elektronen dem Elektronen-Stromfluss entgegengesetzt gerichtet ist.
  Die elektromagnetische Induktion bewirkt also eine Verringerung der Stromstärke.

2007-10-11

• Thema: Transformator
  Fließt durch eine Spule (Primärspule=1.Spule) Wechselstrom, so wird in einer nahe gelegenen anderen Spule (Sekundärspule=2.Spule) ein Strom induziert (= vom lateinischen "inducere": hineinführen, zu etwas verleiten).
  Folgende Abhängigkeiten haben wir im Versuch erkannt:
  • Je besser das Magnetfeld der Primärspule die Sekundärspule durchsetzt, desto höher ist die Spannung in der Sekundärspule
  • Die Windungszahlen der Spulen sind zu den gemessenen Spannungen proportional:
  • Ist die Windungszahl der Sekundärspule wesentlich größer als die der Primärspule, können sich sehr hohe Spannungen ergeben (Beispiel: Hörnerblitzableiter)
  • Ist die Windungszahl der Sekundärspule wesentlich kleiner als die der Primärspule, können sich sehr hohe Ströme ergeben (Beispiel: Glühender Nagel und schwebender Metallstab)
    Über diesen Effekt (hoher Strom) müssen wir noch genauer im Unterricht sprechen.

2007-11-07

• Problem bei der Übertragung von elektrischer Energie über große Strecken: Es geht viel Energie dabei durch den Widerstand der Leitungen verloren.
  Die Lösung des Problems ergibt sich, wenn man bedenkt, dass beim Transformator die Beziehung gilt. Eine Spannungsvergrößerung geht also einher mit einer Verringerung der Stromstärke. Bei geringer Stromstärke in Überlandleitungen ist aber der Verlust durch den Ohmschen Widerstand nicht so groß, so dass die Energie auch zum großen Teil da ankommt, wo sie hin soll.
  Eine gute schematische Darstellung mit Angaben zu Spannung und Stromstärke findet man bei Leifi - gemeint ist die gute Internetadresse für alles, was mit Physik zu tun hat ;-)

2007-11-08

• Wiederholung zur Energieübertragung über weite Strecken.
• Beginn der Wiederholung zum bisherigen Unterrichtsstoff.
• Hausaufgabe: Im Buch die Aufgaben durchsehen und in der nächsten Stunde Fragen dazu stellen.

2007-11-14

• Wiederholung zur Arbeit
  Bitte die Aufgaben auf den Seiten 122 bis 124 durcharbeiten.

2007-11-19

• Wir hatten zwar heute kein Physik, aber im Internet kam heute die Meldung über das Aus für Gleichstrom.
  Wir sprachen im Zusammenhang mit der Frage nach Verlusten bei der Überlandleitung, warum heute Wechselstrom und kein Gleichstrom genutzt wird.

2007-11-21

• Im Fadenstrahlrohr war zu erkennen, dass die Lorentzkraft (deren Richtung mit der Linken-Hand-Regel ermittelt werden kann) den Elektronenstrahl zu einem Kreis formt. Bitte unbedingt den angegebenen Link anschauen!
• Wiederholung für die Arbeit am 2007-11-22. Gutes Gelingen!

2007-11-22

• Klassenarbeit 1 

2007-11-28

• Besprechung und Rückgabe der Klassenarbeit (Klassenarbeit mit Lösung)

---

weiter mit Atom- und Kernphysik