Unterrichts-Einsichten  -  Schuljahr 2007/2008  -  Physik 9e

Elektromagnetismus


2008-02-05

• 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.
  Man müsste nur nach jeder Halbdrehung der Spule die Stromrichtung in der Spule umkehren, damit die Spule sich dann wieder neu ausrichten kann.
  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.
  In der nächsten Stunde werden wir uns nach besseren Lösungsmöglichkeiten umsehen.

2008-02-06

• Der Synchronmotor kam in der letzten Stunde leicht "aus dem Tritt" 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.
  Noch besser (ruhiger und zugstärker) läuft der Motor, wenn mehrere Spulen - in Drehrichtung versetzt - auf einen Eisenkern gewickelt werden.
• 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?
  

2008-02-12

• Mit der 3-Finger-Regel der linken Hand kann man die Hausaufgabe zu dieser Stunde 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.
  Wir haben ihre Auswirkung auf einen Elektronenstrahl in einer Elektronenröhre gesehen.
• Viele Vorgänge in der Natur sind umkehrbar.
  Im gezeigten Versuch war der Elektronenfluss die Ursache, die Kraft die Wirkung.
  Dass man den Vorgang umkehren kann, dass also die Bewegung des Leiters die Ursache und der Elektronenfluss die Wirkung sein kann, haben wir schon kurz gesehen.
  In der nächsten Stunde werden wir näher darauf eingehen.

2008-02-19

• 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.

2008-02-26

• Bitte den Umgang mit der Drei-Finger-Regel üben!
• Durch Drehbewegungen von Spulen in Magneten oder von Magneten in Spulen kann man hohe Spannungen erzeugen.
  Wir haben das an einem Dynamo gesehen, der sogar eine kleine Glühlampe zum Leuchten bringen kann. 
• Geräte, die auf diese Weise Spannung erzeugen, nennt man Generatoren.
  Da (meistens) eine Drehbewegung für die ausreichende Änderungsgeschwindigkeit von Magnetfeld oder Spulenort sorgt, erhält man eine Wechselspannung, bei der sich die Polung ständig ändert.

2008-03-05

• Im Filmausschnitt, den wir uns heute angesehen haben, war eine Passage vorhanden, die wichtig ist:
  Inhaltsmäßig wurde gesagt: "Wir können nicht alles verarbeiten und behalten, was um uns herum ist, was wir sehen und hören. Was wir als Wirklichkeit interpretieren, sind Modelle, die erst durch unser Gehirn gebildet werden."
• Wie sieht es dann mit unseren physikalischen Erkenntnissen aus? Wie "wahr" sind die?
  Grundsätzlich: Wir können nicht die Wirklichkeit erkennen. Wir bilden in der Physik Modelle, die immer und immer wieder in Versuchen an der Natur getestet werden. Stimmen die Modelle mit den "Antworten" der Natur überein, werden diese Modelle zu Gesetzmäßigkeiten der Physik. Stellt sich später (oder auch schon sofort) heraus, dass die Modelle nicht mit der Natur übereinstimmen, so werden die Modelle abgeändert oder notfalls sogar verworfen. Auch die abgeänderten Modelle werden wieder sehr sorgfältig getestet.
  Durch das stetige Arbeiten und Testen mit den Modellen kommen wir der Wirklichkeit Stück für Stück näher, ohne allerdings hoffen zu dürfen, die Wirklichkeit einmal ganz erreicht zu haben.
  Was wir aber durch diesen beschriebenen Prozess dennoch erreichen können, sehen wir an dem, was heute in der Technik möglich ist (Computer, Handy, Auto, Fernsehen, Raumflüge, ...).
  Trotz all dieser Fortschritte sollten wir aber sehr bescheiden sein und nicht überheblich werden. Ein Physiker hat einmal (in etwa) gesagt: "Je mehr Fortschritte wir machen, je mehr wir erkennen und erfinden, desto mehr sehen wir, was wir alles nicht können."
  Hüten sollten wir uns vor den Leuten, die von sich behaupten, sie hätten die Wahrheit erkannt. Über einige Themen, die von diesen Menschen angesprochen werden, kann man sich auf der verlinkten Seite informieren.
• Im Film wurden einige Servants vorgestellt, die unter das Krankheitsbild Autismus (Kanner-Syndom) bzw. Asperger-Syndrom fallen.
  Im Wikipedia-Artikel zum Autismus findet Ihr im unteren Seitenbereich bei "Bekannte Autisten" Links zu einigen der Personen, die im Film vorkommen.

2008-04-01

• 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.
• Wir haben erkannt:
• 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.
  
• 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.
• Hat die Sekundärspule viel weniger Windungen (6) als die Primärspule (1200), so ist die Spannung an der Sekundärspule zwar sehr klein, aber dafür kann der Strom durch die Sekundärspule sehr groß werden: Ein Nagel fängt an zu glühen.

2008-04-02

• Die Untersuchung der Stromstärke beim Transformator brachte uns zu folgendem erweiterten Ergebnis:
  
  Daraus folgt:
• Ist die Windungszahl der Sekundärspule größer als die der Primärspule, dann ist die Spanung an der Sekundärspule größer und die Stromstärke kleiner als an der Primärspule.
• Ist die Windungszahl der Sekundärspule kleiner als die der Primärspule, dann ist die Spanung an der Sekundärspule kleiner und die Stromstärke größer als an der Primärspule.

2008-04-08

• 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 ;-)

2008-04-09

• Wiederholung zur Arbeit

2008-04-15

• Wiederholung zur Arbeit, u. a. Elektronenablenkröhre gezeigt, Ablenkung des Elektronenstrahls durch einen Magneten.

2008-04-17

• Klassenarbeit 2

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