Unterrichtseinsichten - Schuljahr 2012/2013 - Physik 11ph2g

Magnetfelder

2013-02-04

2013-02-06

Versuch zur e/m-Bestimmung

Elektronen werden beschleunigt (Wehnelt-Zylinder rechts in der Röhre) und werden im Magnetfeld der Helmhotz-Spulen auf eine Kreisbahn gezwungen.
Nach Durchlaufen eines Halbkreises treffen die Elektronen auf dünne Stäbe, die mit einer Fluoreszenzschicht versehen sind.
Gemessen werden die Beschleunigungsspannung U_B, die Stromstärke I in den Helmholtz-Spulen (und damit auch die magnetische Flussdichte B) und der Radius r der Kreisbahn.
Herleitung der Formel zur Bestimmung des Wertes von e/m
Messwerte
Auswertung
Laut Herstellerangaben (Helmhotzspulen) wird die magnetische Flussdichte nach der Formel berechnet.
n ist dabei die Windungszahl n=154 der Spulen und R ist der Radius R=0,2 m der Spulen.
Damit ergibt sich folgende Auswertung:

In Liste L4 wird mit der oben angegeben Formel B berechnet.
In Liste L5 wird mit der oben angegeben Formel e/m berechnet.
Der Mittelwert der e/m-Werte wird mit mean(L5) berechnet zu e/m=1,7585·10¹¹C/kg (Literaturwert: 1,7588·10¹¹C/kg)

2013-02-11

2013-02-13

2013-02-18

Einführender Versuch:
Durch eine Leiterschaukel im Magnetfeld wird ein Strom geleitet.
Beim Einschalten bewegt sich der quer liegende Leiter je nach Polung in die eine oder die andere Richtung.

Die Bewegungsrichtung lässt sich mit der 3-Finger-Regel der linken Hand bestimmen:

Daumen: Bewegungsrichtung der Elektronen (vom Minus- zum Pluspol, hier von blau nach rot)
Zeigefinger: Richtung des Magnetfeldes (vom Nord- zum Südpol)
Mittelfinger: Kraft auf die Elektronen. Die Elektronen nehmen den Leiter mit sich, hier in den Hufeisenmagneten hinein.

1. Prozess:
Ablenkung eines stromdurchflossenen Leiters im Magnetfeld

Ursache: Stromfluss, Bewegung der Elektronen, blauer Pfeil, Daumen der linken Hand
Vermittlung: Magnetfeld, Feldlinien vom Nord- zum Südpol, roter Pfeil, Zeigefinger der linken Hand
Wirkung: Bewegung des Drahtes, in den Hufeisenmagneten hinein, gelber Pfeil, Mittelfinger der linken Hand
2. Prozess:
Induktion, Erzeugung einer Spannung durch Bewegen eines Drahtes im Magnetfeld

Ursache: Bewegung des Drahtes, in den Hufeisenmagneten hinein, gelber Pfeil, Daumen der linken Hand
Vermittlung: Magnetfeld, Feldlinien vom Nord- zum Südpol, roter Pfeil, Zeigefinger der linken Hand
Wirkung: Stromfluss, Bewegung der Elektronen, blauer Pfeil, Mittelfinger der linken Hand
Während beim ersten Prozess die Elektronen vom Minuspol (rechts) kommen, werden die Elektronen im Draht im zweiten Prozess durch die Lorentzkraft nach rechts verschoben und sammeln sich am rechten Ende des Spannungsgerätes.
Die Elektronenrichtung ist also im Umkehrprozess genau entgegengesetzt zum ersten Prozess.
Da durch den ersten Prozess (Bewegung des Drahtes in den Hufeisenmagneten hinein) die Elektronen entsprechend des zweiten Prozesses zum Minuspol gedrängt werden, hemmt die Induktionswirkung den Stromfluss im ersten Prozess (Lenzsche Regel).

Die Erfahrung, dass durch Bewegung eines Leiters im Magnetfeld eine Spannung erzeugt werden kann, wird in der Technik intensiv ausgenutzt (Generatoren, Fahrraddynamo, ...).
Die induzierte Spannung durch einen einzelnen bewegten Draht im Magnetfeld ist sehr gering.
Verstärken lässt sich die Spannung durch Parallel-Legen von Leitern, z.B. bei einer Spule:

Die induzierte Spannung entsteht, wenn entweder die Spule im Magnetfeld bewegt wird oder sich der Magnet in Bezug auf die Spule bewegt.
Aber auch ohne Bewegung kann man induzierte Spannungen erzeugen, z.B. durch Wechselstrom:
Durch eine Spule (links) fließt Wechselstrom. Obwohl die Spule rechts nicht durch elektrische Leiter mit der linken Spule verbunden ist, fließt auch in ihr ein Wechselstrom, da das Magnetfeld der linken Spule die rechte Spule durchsetzt. Um die Wirkung zu erhöhen, legt man in die Spulen Eisenkerne, die die magnetische Wirkung vergrößern.

Anwendungen dieses Effekts: Transformatoren, z.B. Netzteile für elektronische Geräte, Trennung zweier Stromkreise, Ladegerät für elektrische Zahnbürste.

2013-02-20

Zu den Versuchen mit dem Hörnerblitzableiter und dem Hochstromtransformator siehe die Startseite bei Leifi.
Die theoretische Herleitung der Induktionsgleichung ergab mit Hilfe des "magnetischen Flusses Φ=A·B" mit A: Fläche der Spule und B: magnetische Flussdichte folgende Gleichung:

2013-02-25

Beispiele für die Lenzsche Regel (Die Ursache einer induzierten Spannung wird durch diese Spannung abgeschwächt)
Sind ein Magnetfeld und ein nichtmagnetisierbares Material in Relativbewegung zueinander, so entstehen im nichtmagnetisierbaren Material Wirbelströme, die die Relativbewegung dieses Materials hemmen.

Waltenhofersches Pendel

Schwingt eine massive Aluminiumplatte (links) in einem Magnetfeld, so wird sie abgebremst. Ist die Platte dagegen in feine Streifen zerschnitten (rechts), so können sich keine Wirbelströme ausbilden und die Platte schwingt (fast) ungehindert weiter.
Rotierende Aluminium-Scheibe im Magnetfeld

Die rotierende Scheibe (ein Massestück zieht an einem Faden, der um die Achse der rotierenden Scheibe gewickelt ist) wird in einem Magnetfeld abgebremst.
Fallen eines Magneten in einem Rohr

Während eine nichtmagnetische Schraube die Rohre schnell durchfällt, benötigt ein fallender Hochleistungsmagnet (Neodym) viel mehr Zeit.
Im Aluminium-Rohr fällt der Magnet schneller (ca. 3 s) als im Kupferrohr (ca. 17 s), da Kupfer besser als Aluminium leitet und die Wirbelströme sich deshalb im Kupferrohr intensiver auswirken können.
Auf einer schräg gestellten Aluminiumplatte rutscht ein starker Magnet nur sehr langsam herunter (es bleibt nach dem Loslassen genug Zeit, um zu fotografieren)
Eine Aluminiumscheibe fällt nur langsam durch das starke Magnetfeld zwischen 2 Polschuhen
Fliegender Kupferring
Eine von Wechselstrom durchflossene Spule stößt auf Grund der Lenzschen Regel einen Kupferring, der sich auf einem gemeinsamen Einsenkern befindet, ab.
Bei sehr schnellem Hochfahren der Spannung fliegt der Kupferring dabei bis in große Höhe (Achtung: Spule fixieren!).