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Elektrizitätslehre (3)

(Magnetismus)

 Hier findest du alle Inhalte zur Unterrichtseinheit.


Inhalt - Elektrizitätslehre

 Teil 1:
Elektrische Erscheinungen
1) Elektrizität im Alltag
2) LADEN und ENTLADEN    
3) Nachweis elektrischer Ladungen
Das Elektroskop        
Wie können sich Körper elektrisch aufladen?
Teilchenmodell (Kugelmodell)
Atommodell nach Bohr    
Leiter und Nichtleiter        
Der elektrische Stromkreis
Schaltsymbole
Energie
Was ist Energie?    
Der elektrische Strom    
Elektrischer Strom wird gemessen:    
Das Amperemeter    
Die elektrische Spannung    
Messung der elektrischen Spannung    
Der elektrische Widerstand    
Widerstand und Temperatur    
Das Ohmsche Gesetz    
Der spezifische Widerstand    
Der spezifische Widerstand: Aufgaben    
Die elektrische Leistung    
Die elektrische Arbeit    
 Teil 2:

Die elektrische Spannung    
Messung der elektrischen Spannung    
Der elektrische Widerstand    
Widerstand und Temperatur    
Das Ohmsche Gesetz    
Der spezifische Widerstand    
Der spezifische Widerstand: Aufgaben    
Die elektrische Leistung    

Die elektrische Arbeit    

Reihenschaltung und Parallelschaltung    
1. Die Reihenschaltung
  a) Elektrische Ströme in der Reihenschaltung    
  b) Elektrische Spannungen in der Reihenschaltung
  c) Widerstände in der Reihenschaltung
2. Die Parallelschaltung
  a) Elektrische Ströme in der Parallelschaltung
  b) Elektrische Spannungen in der Parallelschaltung
  c) Widerstände in der Parallelschaltung
Der Gesamtwiderstand bei der Parallelschaltung:
Elektrizität  (Übersicht)
Teil 3:

Magnetismus (1)
Magnetismus (2)
Ströme erzeugen Magnetfelder
Bewegte Ladungsträger im Magnetfeld
Leiterschleife im Magnetfeld
Der Elektromotor
Die Klingel
Elektromagnetische Induktion
Der Generator (1)
Der Generator (2)
Wechselspannung , Wechselstrom
Das Drehstromnetz
Der Transformator
Aufgaben zum Transformator   

Alle Folien in einem Heft

 

Produktplatzierungen

Hinweis:
Für die Unterrichtseinheit ist die Anschaffung des Skripts für meine Schüler nicht notwendig! Die Folien werden nacheinander bearbeitet und notwendige Materialien ggf. kopiert. Es sind keine Lösungen zu den Aufgaben enthalten.

Publikationen

Hinweis:
Die Inhalte dieser Unterrichtseinheit zielen ab auf die Vermittlung der Grundlagen der Thematik und stellen den Stoff inhaltlich zusammenhängend dar. Den Schülern soll die Struktur der physikalischen Themenbereiche somit im Rahmen des Physikunterrichts der Mittelstufe deutlich vermittelt werden.


Physik: Skriptsammlung





Infotext - Magnetismus


Magnetismus im Alltag

Magnetismus ist uns allen aus unserem Alltag vertraut: Haftmagnete an einer Blechtafel, die Wirkungsweise eines Kompasses usw. Man bezeichnet solche Magnete als Dauermagnete oder Permanentmagnete. Mit „magnetisch“ ist in unserem Alltag meist eine spezielle physikalische Erscheinung gemeint auf die sich unsere Überlegungen hier zunächst beschränken sollen: Der sogenannte Ferromagnetismus. Der Ferromagnetismus ist ein Teilgebiet des Elektromagnetismus. Die zugrundeliegende Grundkraft ist dabei die elektromagnetische Wechselwirkung. 

 

Ferromagnetismus

Der Ferromagnetismus ist eine physikalische Erscheinung, die sich unter anderem als Kraftwirkung zwischen Magneten äußert. Er lässt sich beschreiben durch ein Feld (Magnetfeld), das einerseits von diesen Objekten erzeugt wird und andererseits auf sie wirkt. Die einzelnen Atome in sogenannten „ferromagnetischen Materialien“ wirken jeweils selbst wie sehr kleine Magnete, man bezeichnet diese als sogenannte Elementarmagnete mit variabler Ausrichtung. Sind alle Richtungen gleich häufig, so heben sich die Magnetfelder aller Elementarmagnete insgesamt auf und der Körper erscheint unmagnetisch. Sind die Elementarmagnete dagegen bevorzugt längs einer Richtung ausgerichtet, so bildet die Summe ihrer Magnetfelder ein außen messbares Magnetfeld. Man spricht dann davon, dass der Festkörper magnetisiert wurde. Ferromagnete erzeugen entweder selbst ein dauerhaftes Magnetfeld oder werden in einem äußeren Magnetfeld stark angezogen. Die meisten Menschen verbinden den Begriff Magnetismus richtiger-weise sehr stark mit den Werkstoffen Eisen (lat. ferrum, daher der Begriff „ferro¬mag-netisch“) und Stahl, weitere Beispiele sind Nickel und Kobalt. Durch Erwärmung oder Stoßeinwirkung kann ein Dauermagnet auch wieder entmagnetisiert werden.

Dauermagnete wurden früher aus Stahl erzeugt. Die bekannteste Form sind Hufeisenmagnete oder Stabmagnete. Sie besitzen an ihrer Oberfläche je einen Nord- und einen Südpol. Zwei Dauermagnete ziehen sich mit ihren ungleichnamigen Polen an und stoßen gleichnamige Pole ab. Dieser Effekt wird zum Beispiel beim magnetischen Kompass ausgenutzt, bei dem sich die Kompassnadel nach dem Erdmagnetfeld ausrichtet.

Ferromagnetische Materialien werden nach ihrem Verhalten klassifiziert, das sie zeigen, wenn sie aus einem Magnetfeld entfernt werden. In weichmagnetischen Materialien verliert sich die Magnetisierung zum größten Teil sofort, wenn der Gegenstand wieder aus dem externen Magnetfeld entfernt wird. Hartmagnetische Materialien lassen sich schwerer magnetisieren, behalten aber eine größere permanente Magnetisierung. Solche Materialien, z. B. gehärteter Stahl, können zu Permanentmagneten magnetisiert werden, das heißt, eine deutliche erkennbare Magnetisierung dauerhaft annehmen.

 

Magnetisches Feld

Magnetische Feldlinien veranschaulichen in jedem Punkt die Richtung des Magnetfeldes. Diese Richtung wird dahin festgelegt, wie sich der Nordpol eines Probemagneten ausrichten würde. Die Stärke des Magnetfeldes ist proportional zum Drehmoment, das dieser Probemagnet erfahren würde, wenn man ihn um einen bestimmten Winkel aus dieser Richtung auslenkt. Der Abstand der Feldlinien zeigt die Stärke des Magnetfeldes an: Je dichter die Feldlinien, desto stärker das Feld. Der Verlauf magnetischer Feldlinien kann durch die Ausrichtung von Eisenfeilspänen oder einer Kompassnadel sichtbar gemacht werden.

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.



Aufgaben:

1) Was geschieht mit einem Eisennagel in der Nähe eines Magneten? Beschreibe deine  Beobachtung beim Annähern des Magneten an den Nagel und erkläre.
2) Bei der Annäherung von zwei Magneten können unterschiedliche Beobachtungen gemacht werden. Beschreibe und erläutere.
3) Warum ist die Beobachtung aus Aufgabe 2 bei der Annäherung eines Magneten an einen Nagel eine andere? Was kann dabei nicht vorkommen und aus welchem Grund ist das so? 
4) Du kannst einen Magneten selbst herstellen. Wie geht das? Worauf ist zu achten?
5) Untersuche verschiedene Geldstücke mit einem Magneten: 1ct, 2ct, 5ct, 10ct, 20ct, 50ct, 1€, 2€. Welche werden angezogen, welche nicht? Warum ist das so?
6) Mehrere Geldstücke werden gleichzeitig von einem Magneten angezogen. Dabei berühren dich die Geldstücke teilweise nur gegenseitig und gar nicht den Magneten. Warum werden sie trotzdem angezogen?
7) Was passiert beim Herunterfallen eines Magneten, auch wenn er dabei nicht zerbricht?
8) Wenn ein Magnet herunter fällt und dabei zerbricht, ist er dann völlig kaputt? Was ist dann genau passiert und was kann man mit den Bruchstücken anfangen?
9) Das Magnetfeld kann man nicht sehen. Wir können es aber trotzdem sichtbar machen. Beschreibe eine geeignete Vorgehensweise.
10) Bei der Verwendung eines Kompasses ist darauf zu achten, dass man sich nicht in der Nähe von bestimmten Metallen befindet. Wenn man beispielsweise auf einem Kanaldeckel steht, dann kann das zu falschen Ergebnissen führen. Wieso eigentlich?
11) Das Magnetfeld der Erde hat im Laufe der Entwicklungsgeschichte schon mehrfach seine Richtung geändert. Geologen ist diese Erkenntnis zu verdanken. Wie haben sie das herausgefunden? Informiere dich und erläutere!

Elektrizität - Dauermagnetismus: [18:53]

Das Video zeigt grundlegende Versuche zum Thema Dauermagnetismus. Es zeigt die Einstiegsversuche zum Thema Elektromagnetismus.

Infotext - Hans Christian Ørsted


Hans Christian Ørsted, (1777 - 1851) war ein dänischer Physiker, Chemiker und Naturphilosoph. 1820 entdeckte Ørsted die magnetische Wirkung des elektrischen Stromes und gilt als Mitbegründer der Elektrizitätslehre und Elektrotechnik. Er gilt als eine der führenden Persönlichkeiten des Goldenen Zeitalters Dänemarks.

 

Leben

Hans Christian Ørsted wurde als einer der beiden Söhne des Apothekers Søren Christian Ørsted geboren. Da es bis 1814 keine allgemeine Schulbildung gab, erhielten die beiden Söhne hauptsächlich privaten Unterricht, u. a. Deutsch und Mathematik. Durch die Arbeit in der Apotheke seines Vaters, in der er mit zwölf Jahren anfing auszuhelfen, wurde Ørsteds Interesse an der Wissenschaft geweckt. Er erlangte seine weitere Bildung hauptsächlich autodidaktisch und studierte später in Kopenhagen Naturwissenschaften und Pharmazie. 1799 erlangte er den Doktorgrad mit einer Dissertation über Kants Naturphilosophie und wurde später Professor an der Uni in Kopenhagen. Ørsted hatte drei Söhne und vier Töchter. Als er im Alter von 73 Jahren in Kopenhagen verstarb, war er anerkannter Physiker, Chemiker und Astronom.

 

Physik

1820 beobachtete Ørsted während einer Vorlesung die Ablenkung einer Kompassnadel durch einen stromdurchflossenen Draht und entdeckte somit die magnetische Wirkung des elektrischen Stromes. Er unternahm daraufhin hierzu weitere Experimente. Ørsted war nicht der Erste, der einen Zusammenhang zwischen Elektrizität und Magnetismus entdeckte, denn bereits 18 Jahre zuvor (1802) hatte der Italiener Gian Domenico Romagnosi die gleichen Beobachtungen gemacht. Diese fanden aber zu jener Zeit keine Beachtung und gerieten in Vergessenheit. Ørsted erkannte sofort die Tragweite der Verknüpfung beider Phänomene. Er löste damit die Entwicklung der Elektrizitätslehre und Elektrotechnik aus.

 

Philosophie

Ørsted führte als erster den Begriff Gedankenexperiment als Beziehung zwischen mathematischer und physikalischer Erkenntnis bei Kant ein. Die Prägung des Begriffs wird aber Ernst Mach zugeschrieben, da Ørsteds kantische Perspektive nahezu ohne begriffsgeschichtlichen Einfluss blieb.

 

Austausch mit anderen Wissenschaftlern

Johann Wolfgang von Goethe wurde auf die Pionierleistung von Ørsted aufmerksam und lud ihn ein, seine Experimente am Weimarer Hof vorzuführen. Anfangs war André-Marie Ampère skeptisch, ließ sich aber durch die Wiederholungen der Versuche überzeugen. Michael Faraday war von den Forschungsergebnissen beeindruckt und entdeckte elf Jahre später die elektromagnetische Induktion

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.


Elektrizität - Oersted-Versuch (1): [7:27]

In diesem Video wird der Oersted-Versuch vorgeführt. Dabei wird auch gezeigt, dass über und unter dem Leiter die Magnetfeldrichtung unterschiedlich orientiert ist.

Elektrizität - Oersted-Versuch (2): [5:38]

Es wird mit der Magnetnadel an verschiedenen Orten und bei unterschiedlichen Stromstärken das Magnetfeld untersucht.


Aufgaben:

  1. Beschreibe den Aufbau und die Durchführung des Oersted-Versuchs und skizziere ihn in dein Heft.
  2. Wann genau ist die magnetische Wirkung beim Oersted-Versuch zu beobachten und warum ändert sich die Orientierung der Nadel?
  3. Wie verlaufen die magnetischen Feldlinien beim Oersted-Versuch während der elektrische Strom fließt?
  4. Was ist die "Rechte-Faust-Regel"?
  5. Wann wurde Hans Christian Oersted geboren?
  6. Vervollständige die Folgenden Sätze:
    a) Ein stromdurchflossener Leiter erzeugt ....
    b) Je größer der Stromfluss, desto ....
    c) Die Richtung des Magnetfeldes hängt von der Richtung des ....


Aufgaben:

  1. Wie lässt sich das Magnetfeld um einen elektrischen Leiter sichtbar machen?
  2. Magnetfeldlinien verlaufen vom Nordpol zum Südpol. Ist das bei einem stromdurchflossenen Leiter auch so? Wo liegt dann der Nordpol?
  3. Eine elektrische Leitung wird von einem Strom durchflossen. Wie lässt sich das Magnetfeld eines geraden Leiters auf einfache Weise vorhersagen? Was lässt sich über das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Leiterschleife sagen?
  4. Auf einem Schrottplatz werden Elektromagneten verwendet. Könnte man das nicht auch mit einem starken Dauermagneten machen?
  5. Vergleiche das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule mit einem Dauermagneten. Beschreibe die Magnetfelder.
  6. Wovon hängt das Magnetfeld einer Spule ab? Wie kann man ein sehr starkes Magnetfeld erzeugen?
  7. Warum ist die Entdeckung von Hans Christian Ørsted wichtig für die Messung des elektrischen Stromes mit einem Amperemeter? (Sieh dir dazu die Folie zum Amperemeter nochmal genau an.)

Infotext - Lorentz-Kraft | H. A. Lorentz


Lorentz-Kraft

Die Lorentz-Kraft ist die Kraft, die magnetische Felder auf Ladungsträger ausüben, wenn sich diese relativ zum Feld bewegen. Es spielt dabei keine Rolle, ob sich die Ladungsträger dabei frei im Raum bewegen oder als elektrischer Strom durch einen Leiter fließen. Sie ist nach dem niederländischen Mathematiker und Physiker Hendrik Antoon Lorentz benannt. 
Die magnetische Komponente der Kraft ist am größten, wenn die Bewegungsrichtung der Ladung senkrecht zu den magnetischen Feldlinien verläuft, und gleich Null, wenn sich die Ladung entlang einer Feldlinie bewegt. Sie wirkt immer senkrecht zur Bewegungsrichtung der Ladung und zu den Magnetfeldlinien. Ihre Wirkungsrichtung kann mit der Drei-Finger-Regel bestimmt werden.

 

Hendrik Antoon Lorentz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 - 1928) war ein niederländischer theoretischer Physiker. Er studierte an der Universität Leiden Mathematik und Physik. Lorentz fand eine Anstellung als Lehrer für Abendkurse an der Oberschule, die er besucht hatte. Während dieser Zeit fertigte er seine Doktorarbeit über Beugung und Brechung von Licht an und promovierte 1875 im Alter von 22 Jahren. Lorentz führte in seiner Doktorarbeit bereits neue Konzepte auf den Gebieten der Elektrizität und des Lichts ein, seine weiteren Arbeiten revolutionierten die Vorstellungen von der Natur der Materie. Er besetzte 1878 als Professor für theoretische Physik einen eigens für ihn eingerichteten Lehrstuhl an der Universität Leiden, der er zeit seines Lebens treu blieb. 1902 teilte sich Lorentz mit dem niederländischen Physiker Pieter Zeeman den Nobelpreis für Physik. Hendrik Antoon Lorentz gilt als führende Persönlichkeit der theoretischen Physik seiner Zeit. Auch mit Albert Einstein fand ein intensiver Austausch statt. Lorentz und Albert Einstein hegten von Beginn an eine große Wertschätzung füreinander. Sogar ein Mondkrater ist nach ihm benannt worden.

 

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.


Elektrizität: [10:00]

Die Lorentz-Kraft

Gezeigt werden die Eigenschaften eines stromdurchflossenen Leiters im Magnetfeld. Die Wirkung der Kraft auf den Leiter wird im Versuch vorgeführt und in der Zusammenfassung die Drei-Finger-Regel der rechten Hand erklärt.


Aufgaben:

  1. Ein Elektron bewegt sich in einem äußeren Magnetfeld. Was passiert dabei? Wovon hängt die Wirkung auf das Elektron ab? 
  2. Warum bewegt sich ein stromdurchflossener Leiter in einem äußeren Magnetfeld? Was passiert bei der Änderung der Stromrichtung? 
  3. Was versteht man unter der "wirksamen Leiterlänge"?
  4. Im Amperemeter (siehe Folie auf Teil 1 – Elektrizität) ist eine drehbar gelagerte Spule mit dem Zeiger des Messinstruments verbunden. Die Spule hat sehr viele Windungen. Warum ist das besser als wenn man nur eine Windung verwenden würde?
  5. Im Amperemeter ist eine Rückstellfeder eingebaut. Wofür ist sie wichtig? Beschreibe ihre Funktion während und nach dem Messvorgang.

Infotext - Der Elektromotor / Michael Faraday


Michael Faraday (1791 - 1867) war ein englischer Naturforscher, der als einer der bedeutendsten Experimentalphysiker gilt. Faradays Entdeckungen der elektromagnetischen Induktion legten den Grundstein der Elektroindustrie. 

Aufgewachsen in einfachen Verhältnissen machte Faraday eine Ausbildung als Buchbinder. Faraday erwies sich als ein geschickter, aufgeschlossener und wissbegieriger Lehrling. Er erlernte das Buchbinderhandwerk schnell und las aufmerksam viele der zum Binden gebrachten Bücher. Darunter befanden sich auch eine populäre Einführung in die Chemie und ein Beitrag über Elektrizität. Der von der Naturforschung begeisterte Faraday fand später eine Anstellung als Laborgehilfe an der Royal Institution, die zu seiner wichtigsten Wirkungsstätte wurde. Im Labor der Royal Institution führte Faraday seine wegbereitenden chemischen und elektro-magnetischen Experimente durch. In ihrem Hörsaal trug er mit seinen Weihnachts-vorlesungen dazu bei, neue wissenschaftliche Erkenntnisse zu verbreiten. 1833 wurde Faraday zum Professor für Chemie ernannt. Faraday führte etwa 30.000 Experimente durch und veröffentlichte 450 wissenschaftliche Artikel. 

 

 „Elektromagnetische Rotation“

Faraday wiederholte in seinem Labor Experimente von Ørsted und, André-Marie Ampère. 1821 gelang Faraday zum ersten Mal ein Experiment, bei dem sich ein strom¬durch-flossener Leiter unter dem Einfluss eines Dauermagneten um seine eigene Achse drehte. Die sogenannte „elektromagnetische Rotation“ war eine wesentliche Voraussetzung für die Entwicklung des Elektromotors.

 

Elektromotor

Ein Elektromotor ist ein elektromechanischer Wandler (elektrische Maschine), der elektrische Leistung in mechanische Leistung umwandelt. In Elektromotoren erzeugen stromdurchflossene Leiterspulen Magnetfelder. Die Drehbewegung eines Elektromotors beruht auf den Anziehungs- und Abstoßungskräften, die mehrere Magnetfelder aufeinander ausüben. Im üblichen Elektromotor gibt es einen feststehenden Außenteil (Stator) sowie einen sich darin drehenden Innenteil (Rotor). Jede stromdurchflossene Spule erzeugt ein Magnetfeld, dessen Ausrichtung (Nordpol/Südpol) abhängig von der Stromrichtung ist – fließt der Strom in entgegengesetzter Richtung durch die Spule, so wird auch das Magnetfeld umgedreht. Durch fortwährendes Umschalten der Stromrichtung bzw. passendes "Umpolen" der Spulen während des Umlaufs wird eine kontinuierliche Drehung des Innenteils erreicht.
Elektromotoren werden zum Antrieb vieler Gerätschaften, Arbeitsmaschinen und Fahrzeuge eingesetzt.

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.


Elektrizität: [5:30]

Der Elektromotor

Anschaulich wird die Funktionsweise eines Elektromotors erklärt.


Aufgaben:

  1. Nenne die Bestandteile eines Elektromotors und beschreibe ihre Funktion.
  2. Nenne fünf Anwendungen für einen Elektromotor.
  3. Dreht sich der Rotor immer zuverlässig beim Einschalten der elektrischen Spannung oder gibt es beim Aufbau aus Folie 27/28 / „Video: Der Elektromotor“ auch Probleme zu beachten? Hinweis: Welche Ausrichtung sollte der Rotor im günstigsten Fall haben?
  4. Könnte man auch einen Elektromotor ohne einen Dauermagneten bauen? Wie müsste man das machen?
  5. Auch vor der Erfindung des Elektromotors wurden in Fabriken schon große Maschinen betrieben. Welche wichtige Erfindung war für viele Jahrzehnte für die Industrie von zentraler Bedeutung?

Querverweis: Siehe auch → Themenseite: Technische Industrialisierung

Bildergalerie - Elektrizität (3)

(Abbildungen mit freundlicher Genehmigung des DEUTSCHEN MUSEUMS München)



Infotext - Elektromagnetische Induktion


Unter elektromagnetischer Induktion versteht man das Entstehen einer elektrischen Spannung oder elektrischen Stromes in einem elektrischen Leiter bei einer Änderung des magnetischen Feldes. Ein typisches Beispiel hierfür zeigt das folgende Bild: Durch die Bewegung des Magneten wird eine elektrische Spannung induziert, die an den Klemmen der Spule messbar ist und für weitere Anwendungen bereitsteht.

 

Die Induktionswirkung wird technisch in unserem Alltag vor allem bei elektrischen Maschinen wie Generatoren, Elektromotoren und Transformatoren genutzt. 

 

Geschichtliche Entwicklung

Die elektromagnetische Induktion wurde 1831 von Michael Faraday bei dem Bemühen entdeckt, die Funktionsweise eines Elektromagneten (Strom erzeugt Magnetfeld) umzukehren (Magnetfeld erzeugt Strom). Als Entdecker des Induktionsgesetzes gelten Michael Faraday, Joseph Henry und Hans Christian Ørsted, die das Induktionsgesetz im Jahr 1831 unabhängig voneinander formulierten, wobei Faraday seine Ergebnisse als Erster veröffentlichte.

 

Funktionsweise

In Faradays erstem Demonstrationsaufbau zur Induktion vom 29. August 1831 wickelte er zwei Leiterdrähte auf die gegenüberliegenden Seiten eines Eisenkerns.
Er erwartete aufgrund seiner Kenntnisse über Permanentmagnete, dass – sobald in einer der beiden Leitungen ein Strom zu fließen beginnt – ein Stromfluss in der Leitung auf der anderen Seite des Rings beobachtet werden sollte. Im Experiment schloss er an die Enden des Leiters auf der rechten Seite ein Strommessgerät (Amperemeter) an und beobachtete jedes Mal einen kurzen Zeigerausschlag, wenn er den anderen Draht an eine Batterie anschloss. Die Ursache dieser Induktionserscheinung war die Änderung des magnetischen Feldes in der rechten Spule, bewirkt durch den Stromfluss in der linken Spule. Ein kurzer Zeigerausschlag ist auch beim Lösen der Verbindung zur Batterie zu beobachten. In der Zwischenzeit wurde aber am Amperemeter kein Zeigerausschlag beobachtet! Die Induktionserscheinung ist also nur beim Zu- und Abschalten der Batterie zu beobachten, also genau dann, wenn sich das Magnetfeld in der rechten Spule ändert.
Faraday veröffentlichte seine Entdeckung und schrieb: „Das Gesetz, das die Entstehung der Elektrizität durch magnetisch-elektrische Induktion beschreibt, ist sehr einfach, jedoch ziemlich schwer auszudrücken“ (sinngemäße Übersetzung). Dabei wird deutlich, dass die elektrischen und magnetischen Phänomene nur zwei Erscheinungsformen desselben Phänomens sind. 

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.



Aufgaben:

  1. „Induktion“ wird aus dem Lateinischen abgeleitet. Was bedeutet das Wort und wie hängt es mit den gezeigten Versuchen zusammen?
  2. Beschreibe die Methode zur Erzeugung einer elektrischen Spannung mit Hilfe der elektromagnetischen Induktion. Was benötigt man dazu und wie muss man dabei vorgehen?
  3. Welcher bedeutende Naturforscher beschäftigte sich mit den Zusammenhängen der Induktion, wann lebte er und wo wurde er geboren? 
  4. Beim Versuch hat der elektrische Strom nicht immer die gleiche Richtung. Der Zeiger des Spannungsmessgerätes bewegte sich während des Versuchs nach rechts und nach links. Was ist der Grund dafür?
  5. Welcher Zusammenhang besteht zwischen der Induktion und dem Versuch von C. Oersted?
  6. Ein Stromkreis besteht aus Batterie, Schalter und Glühbirne. Die Batterie soll ersetzt werden. Was könnte man tun? Welche Möglichkeiten gibt es und was müsste man dabei beachten?
  7. Beim Elektromotor wurde elektrische Energie in mechanische Energie (Drehbewegung) umgewandelt. Kann eine Drehbewegung auch einen elektrischen Strom bewirken? Wie könnte man dabei vorgehen?

Infotext - Der Generator


Ein elektrischer Generator (lat. generare ‚hervorholen‘, ‚erzeugen‘) ist eine elektrische Maschine, die Bewegungsenergie in elektrische Energie wandelt. Der Generator ist das Gegenstück zum Elektromotor, der elektrische Energie in Bewegungsenergie wandelt. Er beruht auf dem von Michael Faraday 1831 entdeckten Prinzip der elektromagnetischen Induktion.
Bei allen Generatoren, die mittels elektromagnetischer Induktion arbeiten, ist das Prinzip, mechanische Leistung in elektrische Leistung umzuwandeln, gleich. Die mechanische Leistung wird dem Generator in Form der Drehung einer mechanischen Welle zugeführt. Die Umwandlung beruht auf der Lorentzkraft, die auf bewegte elektrische Ladungen in einem Magnetfeld wirkt. Bewegt sich ein Leiter quer (senkrecht) zum Magnetfeld, wirkt die Lorentzkraft auf die Ladungen im Leiter in Richtung dieses Leiters und setzt sie so in Bewegung. Diese Ladungsverschiebung erzeugt eine elektrische Spannung zwischen den Enden des Leiters. Um die Spannung zu erhöhen, werden mehrere in Form einer Spule in Reihe geschaltete Leiter verwendet.

 

Im Inneren des Generators wird der Rotor (auch Läufer genannt) gegenüber dem feststehenden Stator-Gehäuse gedreht. Durch das vom Stator mit einem Dauermagneten erzeugte magnetische Feld wird in den Leitern oder Leiterwicklungen des Rotors durch die Lorentzkraft elektrische Wechselspannung induziert, d.h. der Betrag der Spannung ist zeitlich nicht konstant und wechselt sogar ständig die Richtung. Entsprechend wird dann durch eine Wechselspannung auch ein Wechselstrom in einem angeschlossenen Gerät bewirkt. Das Gerät muss dafür geeignet sein. 

 

Gleichstromgeneratoren

Bei Gleichstromgeneratoren wird der generierte Wechselstrom wird mit einem Kommutator gleichgerichtet. Ein Kommutator (von lateinisch commutare ‚vertauschen‘) oder Stromwender ist eine Einrichtung zur Umpolung (Stromwendung) in elektrischen Maschinen. Damit aus einer Wechselspannung eine Gleichspannung entsteht, muss die Verbindung der einzelnen Wicklungselemente zu den Maschinenanschlussklemmen immer dann umgepolt werden, wenn sich die Richtung der induzierten Spannung ändert. Dies geschieht mit Hilfe des Kommutators. (Der Betrag der so erzeugten Spannung ist dann zwar mit der Zeit noch immer nicht konstant, jedoch ändert sich die Richtung der elektrischen Spannung nicht mehr.)

Die erzeugte elektrische Leistung eines Generators ist gleich der mechanischen Leistung abzüglich der auftretenden Verluste (z.B. Reibung). 

 

Erste Stromerzeugung durch Induktion

Den ersten bekannt gewordenen Wechselstromerzeuger baute Hippolyte Pixii (* 1808; † 1835, französischer Instrumentenbauer) auf Anregung von Ampère, das Modell wurde 1832 gefertigt.  Bei diesem Aufbau kreiste allerdings ein Hufeisenmagnet unter zwei fest installierten Spulen, auch so kann ein wechselndes Magnetfeld erzeugt werden. Der Strom wird noch in der Maschine durch einen Kommutator gleichgerichtet. 

 

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.



Aufgaben:

  1. Welche wichtigen Bestandteile benötigt man zum Aufbau eines Generators?
  2. Wir haben den Generator in zwei verschiedenen Varianten betrieben. Erläutere den Unterschied im Aufbau und in der Funktionsweise. Beschreibe dabei, wie sich die Elektronen in einem Kabel des Stromkreises bewegen.
  3. Welcher Unterschied besteht zwischen der elektrischen Spannung einer Batterie und der Spannung an den Kontakten eines Generators? 
  4. Der Dynamo eines Fahrrads ist auch ein Generator. 
    a) Leuchtet die Lampe beim Betrieb des Dynamos immer gleich hell? (Erläutere deine Antwort!)
    b) Was bemerkst du noch bei der Verwendung des Dynamos?
    c) Welche Energieformen spielen beim Betrieb des Dynamos eine Rolle?
  5. Im Versuch wurde ein Oszilloskop verwendet. Was ist das und warum wurde es benötigt?

Querverweis (Mathematische Grundlagen): Video → Trigonometrische Funktionen

Elektrizität: [8:37]

Der Generator

Die Funktion eines Generators wird beschrieben und anschaulich vorgeführt. Weiterhin wird der Induktionsstrom gemessen, mit und ohne Verwendung eines Polwenders und die zugehörigen Induktionsspannungen mittels eines Oszilloskops anschaulich dargestellt.

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Infotext - Wechselspannung, Wechselstrom


Wechselspannung nennt man eine elektrische Spannung, deren Polarität in regelmäßiger Wiederholung wechselt, d.h. die Polung wird regelmäßig vertauscht. Der Vorgang erfolgt periodisch, ihr zeitlicher Mittelwert ist null. Die Kurvenform der Spannung ist dabei unerheblich und keineswegs an den Sinusverlauf gebunden.
Das Formelzeichen für die physikalische Größe „elektrische Spannung“ ist das U; bei Verwechslungsgefahr mit Gleich- oder Mischspannung wird eine Wechselspannung gekennzeichnet durch die Tilde als Index, also U~. Wird die Wechselgröße als zeitabhängiger Augenblickswert dargestellt, verwendet man Kleinbuchstaben, also bei der Spannung u oder u(t).

 

Kenngrößen

 

Effektivwert

Der Effektivwert der Spannung Ueff entspricht jener Gleichspannung, bei der dieselbe Leistung an einen ohmschen "Verbraucher" übertragen wird. Bei der Nennung „230 V“ für die im Haushalt übliche Wechselspannung handelt es sich um eine Effektivwertangabe.

 

Nennwert (am Beispiel der Netzspannung)

Der Nennwert einer Spannung, wie er beispielsweise auf Typenschildern angegeben wird, ist ihr Effektivwert. Für die Netzspannung im Haushalt gilt: U~=230V

 

Scheitelwert, Amplitude

Der Spitzenwert (auch Maximalwert oder Scheitelwert) wird bei Wechselspannung als Scheitelwert û bezeichnet, bei sinusförmigem Verlauf als Amplitude. Es ist die höchste erreichbare Spannungshöhe. 

 

Frequenz

Die Frequenz f gibt die Anzahl der periodisch auftretenden Schwingungen an bezogen auf die Zeit, in der sie gezählt werden. 

 

Periodendauer 

Die Periodendauer T ist das kleinste zeitliche Intervall des sich regelmäßig wiederholenden Spannungsverlaufs.

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.


Aufgaben:

  1. Was bedeuten die Abkürzungen „AC“ und „DC“?
  2. Beschreibe die Bewegung der Elektronen beim Wechselstrom und beim Gleichstrom und vergleiche sie miteinander.
  3. Aus welchem Grund benötigt man zur Untersuchung der Ausgangsspannung beim Generator ein Oszilloskop?
  4. Könnte man die Spannung beim Generator auch mit einem Voltmeter mit der folgenden Aufschrift messen:  10V =  ? Erläutere deine Überlegungen und begründe deine Antwort.
  5. Im Video zum Generator wurde die Ausgangsspannung mit dem Oszilloskop dargestellt. Skizziere die Darstellung des Bildschirms in deinem Heft und beschrifte die Achsen mit den entsprechenden physikalischen Größen.
  6. Wie kann man sich die Bewegung der Elektronen im Stromkreis bei einem Wechselstrom mit dem Wassermodell anschaulich vorstellen? (siehe Video)
  7. In unserem Versorgungsnetz wird Wechselspannung vom Energiezulieferer bereitgestellt. Welche beiden Angaben beschreiben diese Wechselspannung und sind deshalb hierbei für uns wichtig?
  8. Berechne die Spitzenwerte für die folgenden Effektivspannungen: 2V;  5V;  150V;  230V
  9. Berechne die Effektivwerte für die folgenden Spitzenwerte: 3V;  9V;  200V;  0,07V

Infotext - Der Transformator


Ein Transformator (von lateinisch transformare ‚umformen, umwandeln‘; auch Umspanner, kurz Trafo) ist ein Bauelement der Elektrotechnik. Er besteht meist aus zwei Spulen (Wicklungen), die in der Regel aus isoliertem Kupferdraht gewickelt sind und sich auf einem gemeinsamen Magnetkern befinden. Ein Transformator wandelt eine Eingangswechselspannung, die an einer der Spulen angelegt ist, in eine Ausgangswechselspannung um, die an der anderen Spule abgegriffen werden kann. Dabei entspricht das Verhältnis von Eingangs- und Ausgangsspannung dem Verhältnis der Windungsanzahlen der beiden Spulen. Transformatoren dienen vielfach zur Spannungswandlung in Energieversorgungsanlagen und in technischen Geräten, dabei insbesondere in Netzteilen zur Bereitstellung von Kleinspannungen in vielen Arten von elektrischen und elektronischen Geräten. 

 

Grundprinzip

Idealtypisch besteht ein Transformator aus einem Eisenkern zwei stromdurchflossene Wicklungen hat. Die der elektrischen Energiequelle zugewandte Wicklung wird als Primärseite bezeichnet. Diejenige, an welcher sich die elektrische Last befindet, wird als Sekundärseite bezeichnet.
Die Wirkungsweise lässt sich durch die folgenden Mechanismen beschreiben:
Eine Wechselspannung auf der Primärseite des Transformators bewirkt einen Wechselstrom und entsprechend dem Induktionsgesetz ein wechselndes magnetisches Feld im Eisenkern. Dieses wechselnde Magnetfeld wird durch den Eisenkern zur zweiten Wicklung auf der Sekundärseite des Transformators übertragen und induziert in der Sekundärspule wiederum eine Wechselspannung mit gleicher Frequenz.

 

Der Ideale Transformator

Unter einem idealen Transformator versteht man einen in der Praxis nicht realisierbaren, verlustfreien Transformator, also eine idealisierte Modellvorstellung. Diese ist hilfreich bei der Funktionsbeschreibung. Beim idealen Transformator sind die Spannungen an den Wicklungen aufgrund der elektromagnetischen Induktion proportional zur Änderung des magnetischen Feldes und zur Windungszahl der Wicklung. Daraus folgt, dass sich die Spannungen so zueinander verhalten wie die Windungszahlen. Sind N1, N2, U1 und U2 die Windungszahlen beziehungsweise die Effektivwerte der primär- und sekundärseitigen Spannungen, so gilt beim idealen Transformator:

 

Das Verhältnis von Windungszahlen, beziehungsweise der primär- und sekundärseitigen Spannungen, wird auch als Übersetzungsverhältnis n bezeichnet: 

 

Aus der Annahme eines idealen Transformators ergibt sich, dass die zugeführte Leistung P1 gleich der abgegebenen Leistung P2 sein. Aus P1 = P2 ergibt sich: U1∙I1=U2∙I2 , also:

 

Ideale Transformatoren sind praktisch nicht realisierbar, es müssen dann bei einem realen Transformator Verluste berücksichtigt werden.

 

Beispiel: Bei einem Windungsverhältnis (N1, zu N2) von 20 zu 10  wird eine Eingangsspannung von U1 = 240 V in eine Ausgangsspannung von U2 = 120 V transformiert. Je nach Windungsverhältnis des Transformators kann die Ausgangsspannung kleiner, größer oder gleich der Eingangsspannung sein.

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.


Aufgaben:

  1. Beschreibe den Aufbau und die Funktionsweise eines Transformators.
  2. Die Primärspule eines unbelasteten Transformators, die an das 230-V-Netz angeschlossen ist, hat 1000 Windungen. Berechne jeweils die Spannungen U2 an den Enden der Sekundärspule und die zugehörigen Übersetzungsverhältnisse des Transformators, wenn die Sekundärspule:
    a) 100 Windungen,   
    b) 500 Windungen,
    c) 10000 Windungen, 
    d) 20000 Windungen
    hat.
  3. Ein unbelasteter Transformator soll eine Wechselspannung von 12V auf 48V transformieren. Für den Aufbau stehen Spulen mit 250 Windungen, 500 Windungen, 1000 Windungen und 2000 Windungen zur Verfügung. Wie kann der Transformator aufgebaut werden? Begründe deine Auswahl und erstelle einen Schaltplan.
  4. Das Übersetzungsverhältnis eines Transformators beträgt 0,008 bei einer Windungszahl auf der Sekundärseite von 5000. Es soll eine Ausgangsspannung auf der Sekundärseite von 1200 V erzeugt werden. Berechne die anzulegende Spannung an der Primärspule des Trafos. Gib die Windungszahlen der Spulen des Trafos an.


Infos zum Thema:

Computer und Roboter



Wärmelehre - Thermodynamik
Optik
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Quellenangaben zu den Inhalten auf dieser Seite


Infotext ([21/22] Elektrizität - Magnetismus)

Creative Commons Lizenzvertrag Dieser Text basiert auf den Artikeln Magnetismus, Dauermagnet und Ferromagnetismus aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der Lizenz Creative Commons CC-BY-SA 3.0 Unported (Kurzfassung). Der Text wurde von Andreas Rueff überarbeitet und auf der Grundlage didaktischer Überlegungen angepasst und gekürzt. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.


Infotext ([07/23] Elektrizität)

Creative Commons Lizenzvertrag Dieser Text basiert auf dem Artikel Hans Christian Ørsted aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der Lizenz Creative Commons CC-BY-SA 3.0 Unported (Kurzfassung). Der Text wurde von Andreas Rueff überarbeitet und auf der Grundlage didaktischer Überlegungen angepasst und gekürzt. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.


Infotext ([25] Elektrizität - Lorentzkraft)

Creative Commons Lizenzvertrag Dieser Text basiert auf den Artikeln Lorentzkraft und Hendrik Antoon Lorentz aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der Lizenz Creative Commons CC-BY-SA 3.0 Unported (Kurzfassung). Der Text wurde von Andreas Rueff überarbeitet und auf der Grundlage didaktischer Überlegungen angepasst und gekürzt. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.


Infotext ([27/28] Elektrizität - Elektromotor / Michael Faraday)

Creative Commons Lizenzvertrag Dieser Text basiert auf den Artikeln Michael Faraday und Elektromotor aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der Lizenz Creative Commons CC-BY-SA 3.0 Unported (Kurzfassung). Der Text wurde von Andreas Rueff überarbeitet und auf der Grundlage didaktischer Überlegungen angepasst und gekürzt. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.


Infotext ([30] Elektrizität - Elektromagnetische Induktion)

Creative Commons Lizenzvertrag Dieser Text basiert auf dem Artikel Elektromagnetische Induktion aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der Lizenz Creative Commons CC-BY-SA 3.0 Unported (Kurzfassung). Der Text wurde von Andreas Rueff überarbeitet und auf der Grundlage didaktischer Überlegungen angepasst und gekürzt. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.


Infotext ([31/32] Elektrizität - Der Generator)

Creative Commons Lizenzvertrag Dieser Text basiert auf den Artikeln Elektrischer Generator und Kommutator (Elektrotechnik) aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der Lizenz Creative Commons CC-BY-SA 3.0 Unported (Kurzfassung). Der Text wurde von Andreas Rueff überarbeitet und auf der Grundlage didaktischer Überlegungen angepasst und gekürzt. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.


Infotext ([33] Elektrizität - Wechselstrom, Wechselspannung)

Creative Commons Lizenzvertrag Dieser Text basiert auf dem Artikel Wechselspannung aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der Lizenz Creative Commons CC-BY-SA 3.0 Unported (Kurzfassung). Der Text wurde von Andreas Rueff überarbeitet und auf der Grundlage didaktischer Überlegungen angepasst und gekürzt. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.


Infotext ([35] Elektrizität - Der Transformator)

Creative Commons Lizenzvertrag Dieser Text basiert auf dem Artikel Transformator aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der Lizenz Creative Commons CC-BY-SA 3.0 Unported (Kurzfassung). Der Text wurde von Andreas Rueff überarbeitet und auf der Grundlage didaktischer Überlegungen angepasst und gekürzt. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.