Unterrichts-Einsichten - Schuljahr 2007/2008 - Physik 9c
Elektromagnetismus
2008-04-21
- Der Oerstedt-Versuch zeigt, dass ein stromdurchflossener Leiter von einem Magnetfeld umgeben ist.
Die Feldlinien verlaufen kreisförmig um den Leiter. - Mit der Linke-Hand-Regel kann man die Richtung der Feldlinien erkennen:
Der
Daumen der linken Hand zeigt dabei in die Richtung, in die sich die
Elektronen bewegen. Die anderen Finger der linken Hand zeigen dann in
die Richtung der magnetischen Feldlinien. - Die Rechte-Hand-Regel benutzt man, wenn sich positive Ladungen bewegen.
- Bei
einem aufgewickelten Draht (Spule) treten an der einen Seite die
Feldlinien in die Spule ein und auf der anderen Seite wieder hinaus.
Das Magnetfeld einer Spule ähnelt deshalb dem Magnetfeld eines Stabmagneten. - Eine drehbar in einem Hufeisen aufgehängte Spule richtet sich im Magnetfeld aus, wenn durch sie ein Strom fließt.
- Das Prinzip könnte man ausnutzen, um eine Drehbewegung zu erzeugen.
Wie das verwirklich werden kann, werden wir in der nächsten Stunde sehen.
2008-04-22
- Wir
haben gesehen, dass sich die Spule im Hufeisenmagneten immer weiter
drehen würde, wenn sich nach jeder Halbdrehung der Spule die
Stromrichtung in der
Spule umkehrenwürde.
Unser Versuch, das mit einer Wechselspannung zu verwirklichen, klappte bei geringer Frequenz ganz gut, der (Synchron-)Motor kam aber leicht aus dem Takt und blieb stehen. - Verhindern
kann man das, wenn genau nach jeder Halbdrehung des Rotors die Richtung
des Magnetfeldes oder die Polung der Spule geändert wird.
Sinnvoll ist, dass diese Änderung nicht nach einer festen Zeit erfolgt, sondern dass der Motor selbst für diese Änderung sorgt.
Mit Hilfe eines Kommutators lässt sich diese Überlegung verwirklichen.
Durch
Schleifkontakte wird die Spannung abwechselnd der einen und der anderen
Spulenseite zugeführt. Damit wird eine Umpolung erreicht. - Wir
haben gesehen, dass der (Asynchron-)Motor nun viel stabiler läuft. Auch
Belastungen, die den Motor abbremsen, bringen den Motor nicht mehr zum
Stillstand.
2008-04-28
- Warum sich eine Spule im Magnetfeld ausrichtet, soll noch etwas genauer untersucht werden.
Wir haben dazu einen Versuch mit der Leiterschaukel durchgeführt.
Hausaufgabe: In welche Richtung wird sich der Querstab bewegen, in den Hufeisenmagneten hinein oder hinaus?
- Mit der 3-Finger-Regel
der linken Hand kann man diese Hausaufgabe gut lösen
(Vorsicht: Beim Link wird die 3-Fingerregel der rechten Hand
beschrieben!):
- Daumen: Richtung der Elektronen im Draht
- Zeigefinger: Richtung der magnetischen Feldlinien (Weg eines freien Nordpols)
- Mittelfinger: Richtung der wirkenden Kraft
- Die Kraft auf bewegte Elektronen im Magnetfeld nennt man Lorentz-Kraft.
2008-04-29
2008-05-05
- In der Natur lassen sich viele Vorgänge umkehren.
Zwei Beispiele: - Lichtwege
sind umkehrbar: Wenn der Dieb den Polizisten in einem Spiegel
beobachten kann, dann kann auch der Polizist den Dieb beobachten.
Zuhause ausprobieren!
- Der β--Zerfall
lässt sich umkehren durch den β+-Zerfall 
- In den letzten Stunden haben wir gesehen:
- Ursache: Elektronen werden in einem Draht bewegt (Strom fließt durch den Draht)
- Magnetfeld ist vorhanden
- Wirkung: Der Draht wird zur Seite ausgelenkt
- Heute haben wir den umgekehrten Effekt beobachtet:
- Ursache: Der Draht wird (vom Lehrer) zur Seite ausgelenkt
- Magnetfeld ist vorhanden
- Wirkung: Die Elektronen im Draht werden bewegt. Dadurch sammeln sich die
Elektronen an einem Ende des Drahtes. Es entsteht ein Minuspol - an der
anderen Seite demnach ein Pluspol. An den Enden des Drahtes lässt
sich also eine Spannung messen.Man nennt diese Spannung "Induktionsspannung".
- Kann man mit diesem Effekt nicht ein Perpetuum Mobile bauen?
Idee:
1. Wir bewegen kurzzeitig den Draht,
2. dadurch (siehe heute) wird ein Strom im Draht erzeugt
3. dieser Strom (siehe letzte Stunde) bewirkt, dass der Draht weiter ausgelenkt wird
4. gehe zu 2. - Leider
(oder zum Glück - wir haben darüber gesprochen) geht das nicht, denn
die Linke-Hand-Regel hat uns gezeigt, dass die induzierte Spannung der
angelegten Spannung entgegengerichtet ist. Die beiden Effekte behindern
sich also gegenseitig. Schade für die, die immer noch glauben, es gäbe
ein Perpetuum Mobile.
2008-05-06
- Wird ein Draht im Magnetfeld bewegt, so erfahren die Elektronen im Draht eine Kraft.
An den Enden des Drahtes entsteht eine Spannung.
Dieses
ist der in der letzten Stunde angesprochene Effekt: Während bisher der
Strom die Ursache war und die Bewegung des Drahtes die Wirkung, sind
die Rollen jetzt vertauscht: Die Bewegung ist die Ursache und der Strom
ist die Wirkung. - Zur Vergrößerung der Spannung haben wir in Versuchen gefunden:
- Der Draht wird doppelt oder mehrfach gelegt.
- Noch besser ist es, eine Spule zu benutzen. Je mehr Windungen, desto mehr Spannung.
- Nachteile dieser Methoden: Die Spannungspulse sind nur sehr kurzzeitig, die Spule muss bewegt werden.
Lösung: Es geht auch, wenn die Spule in Ruhe ist und der Magnet bewegt wird, bzw. wenn sich das Magnetfeld ändert. - Das erlaubt uns auch, eine Vorrichtung zu bauen, bei der sich gar nichts mehr bewegt:
Eine
Spule wird an Wechselstrom angeschlossen. Dadurch wird ständig ein
Magnetfeld auf- und abgebaut, d. h. das Magnetfeld ändert sich ständig.
Eine andere Spule steht dicht dabei und wird vom Magnetfeld durchsetzt. Dadurch wird in ihr ständig eine Spannung induziert.
Die erzeugte Spannung kann verstärkt werden, wenn man die Spulen mit Eisenkernen versieht.
2008-05-08
- Fließt in einer Spule Wechselstrom, so wird die Umgebung mit wechselnden Magnetfeldern durchsetzt.
Dadurch wird in Spulen, die sich in der Nähe befinden, Wechselspannungen induziert. - Eine maximale Wechselspannung erhält man, wenn man die an die Wechselspannung angeschlossene Spule
(die Primärspule) und die Spule, in der eine Spannung induziert wird
(die Sekundärspule) auf einem geschlossenen Eisenkern anbringt. Eine
solche Anordnung nennt man Transformator.
- In Versuchen haben wir gefunden:
- Haben beide Spulen gleiche Windungszahl, so ist die induzierte Spannung genau so groß wie die angelegte Spannung.
- Haben
die Spulen unterschiedliche Windungszahlen, so verhält sich die Größe
der Spannungen zueinander wie die Windungszahlen der Spulen.
2008-05-19
- Anwendungen zur Formel aus der letzten Stunde:
- Hat
die Sekundärspule viel mehr Windungen (10000) als die Primärspule
(300), so entsteht an der Sekundärspule eine Hochspannung, mit der man
an Hörnerblitzableitern eine elektrische Entladung erzeugen kann.
- Hausaufgabe: Wie kann man folgende Erscheinung erklären?
- Hat
die Sekundärspule viel weniger Windungen (6) als die Primärspule
(1200), so ist die Spannung an der Sekundärspule zwar sehr klein,
aber ein Nagel fängt an zu glühen.
2008-05-20
- Im
Versuch haben wir gesehen: Die Stromstärken in den Spulen eines
Transformators sind umgekehrt proportional zu den Windungszahlen der
Spulen.
Als Formel (mit der Formel aus der vorletzten Stunde zusammen gefasst): 
.
2008-05-26
- 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 ;-)
2008-05-28
- Wiederholung und Übungen zum behandelten Stoff
- Aufgaben findet Ihr auf den Seiten 123 und 124 im Buch.
2008-06-02
- Wiederholung zur Arbeit (Transformator und Kraft auf stromdurchflosseenn Leiter im Magnetfeld)
2008-06-03
2008-06-09
weiter mit Energie