Grundversuch:

Man dreht eine Leiterschleife im Magnetfeld zwischen den Polschuhen eines Permanentmagneten und misst die Spannung an den Enden der Leiterschleife mittels eines Voltmeters.

Verwendet man nur eine Leiterschleife muss man die Spannung verstärken, verwendet man den aus mehreren Wicklungen mit Eisenkern versehenen Rotor, so kann man ohne Messverstärker auskommen.


Eine einzelne rotierende Drahtschleife liefert nur Spannungen im Millivolt-Bereich. Verwendet man dagegen eine Spule mit Eisenkern für die Rotation zwischen den Polschuhen, so erhält man Spannungen im Volt-Bereich.

Auf Werner von Siemens geht der sogenannte Doppel-T-Anker zurück (1856). Der Name kommt von der Form des Eisenkerns, der im Schnitt wie ein doppeltes T aussieht. Als Anker bezeichnet man die gesamte, zwischen den Polschuhen rotierende Anordnung.

Der Abgriff am Anker bestimmt die Art der erzeugten Spannung

Mit Kommutator
Verwendet man an den Spannungsabgriffen einen Kommutator (Polwender) so erhält man eine pulsierende Gleichspannung, deren Verlauf man am Messgerät oder auch am Oszilloskop sehen kann. Ganz sinusförmig ist sie allerdings im praktischen Experiment nicht.

Zwei Schleifringe (d.h.ohne Kommutator)
Greift man die Spannung ohne Kommutator an zwei Schleifringen ab, so erhält man eine Wechselspannung, die wegen der vielen Kontaktprobleme an den Schleifringen und auch wegen Feldverzerrungen nicht ganz sinusförmig ist.


Dreht man einen aus drei Spulen bestehenden Rotor im Magnetfeld, so erhält man den mit den Speicheroszilloskop aufgenommenen Spannungsverlauf. (Siehe unten)

Diese HTML5-App simuliert einen Generator, der aus Gründen der Übersichtlichkeit auf die wesentlichsten Teile reduziert ist. Anstelle eines Ankers mit vielen Windungen und Eisenkern dreht sich hier nur eine einzige rechtwinklige Leiterschleife, und die Achse wurde weggelassen.

Die Radiobuttons oben erlauben die Wahl zwischen Wechselstromgenerator (ohne Kommutator) und Gleichstromgenerator (mit Kommutator). Mit dem darunterliegenden Schaltknopf lässt sich die Drehrichtung umkehren. Ein Schieberegler ermöglicht das Einstellen der Drehgeschwindigkeit. Mit dem Schaltknopf "Pause / Weiter" kann man die Simulation anhalten und wieder starten. Ein Stopp bedeutet jedoch nicht ein wirkliches Anhalten; in diesem Falle würde nämlich die induzierte Spannung auf Null absinken.

Zwei schwarze Pfeile kennzeichnen die momentane Bewegungsrichtung. Die magnetischen Feldlinien (vom rot gezeichneten Nordpol des Hufeisenmagneten zum grün dargestellten Südpol) sind an der blauen Farbe zu erkennen. An den roten Pfeilen kann man die Richtung des induzierten Stromes (technische oder konventionelle Stromrichtung) ablesen.

   
   
 
   
   
   
 
HTML5-Canvas nicht unterstützt!

Danksagungen von Herrn Fendt: Herzlichen Dank an Herrn Jürgen Giesen, der mit seinen Vorschlägen zum Entstehen dieser Simulation beigetragen hat, und an Herrn Teun Koops für seinen Verbesserungsvorschlag!

Wir danken Herrn Walter Fendt für die Erlaubnis, diese HTML5/Javascript-Animation auf LEIFIphysik zu nutzen.

Beantworte folgende Fragen bevor du das Applet startest:

Warum ist die entstehende Spannung gerade maximal, wenn die Leiterschleife vertikal steht und minimal, wenn die Leiterschleife horizontal steht?

Welcher wesentliche Unterschied im Aufbau besteht zwischen dem Generator ohne und mit Kommutator? Welche Folge hat dies?

Starte nun das Applet und überprüfe damit die Antworten. Beobachte insbesondere den Einfluss der Drehrichtung (roter Schalter) und der Drehgeschwindigkeit (Schieberegel) auf die induzierte Spannung.

In einem graphisch sehr ansprechenden Applet der University of Colorado ist ein sehr einfacher Generator dargestellt, bei dem - im Gegensatz zur obigen Darstellung - die Spule fest ist und der Magnet rotiert.

  • Achte darauf, dass beim Simulationsprogramm der Kartenreiter "Generator" (blau) gedrückt ist.

  • Vergiss nicht den Wasserhahn einzuschalten.

  • Verwende anstelle der Glühlampe auch einmal das Anzeigegerät als Indikator und variiere die Wasserstromstärke.

 

Versuchsziel:
Durch qualitative Vorversuche soll die Induktion am bewegten und ruhenden Leiter untersucht werden.

Versuchsaufbau und -durchführung:

Alle Fragen sind in ordentlicher Form schriftlich zu beantworten.

1. Bewegung des Permanentmagneten in Bezug zur Induktionsspule
Bewege den Permanentmagneten wie in der Skizze dargestellt (einmal schnell, einmal langsam) aus den 3 Richtungen auf die Spule (N = 2000) zu bzw. von ihr weg.

a) Von was hängen Betrag und Polarität der beobachteten Spannung ab? Beschreibe möglichst genau!
b) Kann die entstehende Induktionsspannung mit der Lorentzkraft erklärt werden?

2. Bewegung von Feldspule gegenüber Induktionsspule
Anstelle des Permanentmagneten wird ein Elektromagnet (Feldspule mit N = 500) verwendet. Die Feldspule wird mit einer Spannung von ca. 12 V_ aus dem geregelten Netzgerät versorgt.

Bewege nun die Feldspule (einmal mit, einmal ohne Eisenkern) so wie in Aufgabe 1 auf die Induktionsspule zu.
a) Unterscheiden sich die Beobachtungen prinzipiell von den Beobachtungen bei Aufgabe 1?
b) Kann das Auftreten der Induktionsspannung mit der Lorentzkraft erklärt werden?

3. Feldspule ruht in Bezug auf die Induktionsspule
Nun bleibt die Feldspule und die Induktionsspule in Ruhe.

a) Was kann man über die Induktionsspannung aussagen, wenn die Spannung an der Feldspule konstant ist? Was macht der Eisenkern aus? Was ist zu beobachten, wenn man die Spulen in ihrer Lage festhält und den Eisenkern in ihnen bewegt?
b) Verändere langsam die Spannung am Netzgerät (Vergrößerung | Verkleinerung). Was lässt sich dabei über die Induktionsspannung aussagen? Betreibe die Feldspule einmal ohne und einmal mit Eisenkern.
c) Verändere die Spannung an der Feldspule rasch (z.B. durch Aus- bzw. Einschalten des Netzgerätes). Was lässt sich im Vergleich zu 3.b) beobachten?
d) Kann das Auftreten der Induktionsspannung in 3.b) und 3.c) mit Hilfe der Lorentzkraft erklärt werden?

 

Man baut in den Stromkreis eines Elektromotors ein Strommessgerät ein und misst den Strom.
Man stellt fest, dass der Strom beim Einschalten des Elektromotors sofort stark ansteigt und dann wieder zurückgeht, wenn der Motor schnell dreht. Bremst man den Motor ohne die Spannung an der Stromquelle zu ändern, indem man ihn durch Reibung an der Achse belastet, so steigt die Stromstärke sofort an.

Begründung:
Sowie der Motor dreht, wirkt er auch als Generator. Der bewegte Anker bewirkt eine induzierte Spannung, die wegen der Lenzschen Regel der Spannung der Stromquelle entgegenwirkt.
Die Differenz dieser beiden Spannungen treibt den Strom: U0 + Ui = R·I

Baut man in den Versuch (wenn der Motor gut dreht) einen Wechselschalter ein, der die Stromquelle vom Motor löst und gleichzeitig den Stromkreis geschlossen hält, so sieht man dass der durch den Schwung des Motors weiterlaufende Rotor nach der Umschaltung eine Spannung als Generator liefert.
Die Generatorspannung ist bei gleicher Umlaufrichtung des Rotors der Spannung der äußeren Stromquelle entgegengerichtet.

Ein Motor wird an 230V angeschlossen. Beim Einschalten, wenn der Motor noch nicht dreht, fließt ein Strom von 8,0A. Nach einiger Zeit dreht der Motor gleichmäßig und es fließt noch ein Strom von 2,0A.

Berechne, wie groß der Anlasswiderstand des Motors und wie groß die induzierte Gegenspannung bei gleichmäßigem Motorlauf ist.

Im Sinne der romantischen Naturphilosophie war schon von vielen Forschern die Vermutung geäußert worden, dass in Analogie zur Influenzerscheinung der Elektrostatik auch der Strom in einem Stromkreis auf irgendeine Weise den Strom in einem zweiten Stromkreis beeinflussen müsse. Mit beispielloser Zähigkeit ging der große Experimentator FARADAY seinem Ziel "Convert magnetism into electricity" nach. Dabei hatte FARADAY auch eine Reihe von Misserfolgen, da auch er zunächst glaubte, mit einem genügend großen stationären Dauerstrom könne er in einem zweiten Kreis einen Strom induzieren.

In seinem sehr detailliert geführten Laborbuch stellte FARADAY am 28. November 1825 drei Versuche dar, deren schematischer Aufbau im Folgenden dargestellt ist:

Erläutere, warum FARADAY bei den obigen Versuchen keinen Ausschlag am Galvanometer feststellen konnte.

Den Durchbruch schafft Faraday nach vielen Zwischenstationen im Jahre 1831, wo er am 29. August eine ganze Reihe von Versuchen skizziert mit denen er sein Ziel erreichen konnte. Eine Anordnung davon würden wir heute als Transformator bezeichnen:

Auf einen Eisenring sind zwei mehrfach unterteilte Spulen gewickelt. An die Enden der Spule A wird eine Batterie aus zehn großen Plattenpaaren (Voltaelemente) angeschlossen, an die Enden der anderen Spule B, das Galvanometer, eine Flachspule aus einigen Windungen, vor der eine Magnetnadel steht. Diese zeigt nur beim Ein- und Ausschalten des Stroms in A einen kurzen Ausschlag.

Die Animation zeigt schematisch den Ablauf des historischen Versuches.

 

Schließt man den Schalter, fließt ein Strom durch die rechte Spule und der Eisenring wird magnetisiert. Beachten Sie dass die Kompassnadel, die in einer Spule liegt, die an die linke Spule angeschlossen ist, beim Schließen des Schalters ausschlägt und gleich wieder in die Ausgangslage zurück geht. Die Auslenkung der Kompassnadel zeigt dass eine elektrische Spannung in der linken Spule induziert wurde, die in dem linken Stromkreis zu einem kurzzeitigen Stromfluss führte. Öffnet man den Schalter, können sie beobachten, dass die Kompassnadel wieder kurzzeitig ausschlägt, aber diesmal in die Gegenrichtung.

Das Schließen und das Öffnen des Schalters bewirkt, dass sich das magnetische Feld im Ring ändert, Beim Schließen wird es aufgebaut, beim Öffnen abgebaut. Faraday entdeckte, dass Änderungen des magnetischen Feldes in der Umgebung eines Leiter eine Spannung induzieren, die bei einem geschlossenen Kreis zum Stromfluss führen. Die Erzeugung einer elektrischen Spannung und daraus folgend eines elektrischen Stroms durch Änderung des Magnetfeldes nennt man elektromagnetische Induktion.

Im Oktober 1831 gelang Faraday schließlich noch der Nachweis, dass die Induktion auch ohne Eisen auftreten kann. Er schreibt:

Ein zweihundertdrei Fuß langer Kupferdraht wurde um eine breite Holzrolle gewickelt und zwischen den Windungen desselben ein zweiter gleichfalls zweihundertdrei Fuß langer Draht, durch dazwischengelegten Zwirnsfaden vor gegenseitiger Berührung geschützt. Eine dieser Spiralen wurde mit einem Galvanometer verbunden und die andere mit einer kräftigen Batterie von hundert vierquadratzölligen Plattenpaaren, die Kupferplatten wiederum doppelt. Wurde nun die Kette geschlossen, so zeigte sich eine plötzliche aber sehr schwache Wirkung am Galvanometer und dasselbe trat im Moment der Unterbrechung des Stromes. Aber solange der Strom ununterbrochen durch die eine Spirale hindurchging, konnte weder am Galvanometer noch sonst eine Induktionswirkung auf die andere Spirale wahrgenommen werden, obschon von der großen Stärke der Batterie die Erwärmung der ganzen mit ihr verbundenen Spirale und die Helligkeit des Entladefunkens, wenn er zwischen Kohlen übersprang, Zeugnis ablegte.

Die nebenstehenden Schemazeichnungen zeigen weitere Anordnungen, mit denen FARADAY erfolgreich Induktionseffekte nachweisen konnte. Erläutere, durch welche Maßnahme jeweils die Induktionsspannung entsteht. Die Bilder stammen aus Fraunberger: "Illustrierte Geschichte der Elektrizität".

 

Versuchsteil 1

 

Einem bifilar aufgehängten Metallring wird axial ein starker Stabmagnet rasch genähert.

Beobachtung

Der Ring weicht in Bewegungsrichtung des Magneten aus der Ruhelage aus und pendelt nach einigen Schwingungen wieder in die ursprüngliche Position.

Ergebnis

Durch den sich an den Ring annähernden Magneten ändert sich das vom Ring umschlossene Magnetfeld. Im Ring entsteht eine Induktionsspannung, die einen Induktionsstrom zur Folge hat. Nach LENZ fließt der Induktionsstrom in eine Richtung, dass er die Ursache seiner Entstehung - nämlich die Zunahme des magnetischen Flusses im Ring - hemmt. Der Induktionsstrom wird also so fließen, dass das von ihm stammende Magnetfeld auf der dem Stabmagneten zugewandten Seite einen Südpol besitzt und somit das resultierende Magnetfeld kleiner wird. Mit Hilfe der Rechten-Faust-Regel findet man dann, dass der technische Strom durch den Ring in Uhrzeigerrichtung fließen muss.

Versuchsteil 2

Zu Beginn des Versuches befindet sich der Stabmagnet bereits axial in der Ringmitte. Nun wird der Stabmagnet schnell aus dem Ring herausgezogen. Erläutere, wie sich der Ring nun verhält.

Heinrich Friedrich Emil LENZ
(1804 - 1865)
unbekannter Autor [Public domain], via Wikimedia Commons

Besteht eine Relativbewegung zwischen Leiter und Magnetfeld, so kann man mit Hilfe der Lorenztkraft verstehen, wie es zu einer Ladungstrennung und damit Spannung im Leiter kommt.

Heinrich Friedrich Emil LENZ (1804 - 1865), Professor in St. Petersburg führte nach der Entdeckung der Induktion durch FARADAY eine Reihe von wichtigen Versuchen durch. Nach ihm ist die LENZsche Regel benannt, welche eine Vorhersage über die Richtung des Induktionsstroms macht, ohne dass man immer das Experiment bis in alle Details betrachten muss:

Der Induktionsstrom ist stets so gerichtet, dass er die Ursache seiner Entstehung zu hemmen sucht.

In dem folgenden Applet von Davidson, wird die Aussage des Gesetzes von Lenz sehr deutlich:

  • Bewegt sich der Nordpol des Stabmagneten auf den Metallring zu, so fließt der technische Strom (gelb) im Uhrzeigersinn. Aufgrund dieses Stroms entsteht ein Magnetfeld (blaue Feldlinien), das dem äußeren zunehmenden Feld (rote Feldlinien) entgegengerichtet ist. Auf der Ringunterseite entsteht durch den Induktionsstrom ein Nordpol, der bewegungshemmend auf den Nordpol des Stabmagneten einwirkt.
  • Bewegt sich der Nordpol des Stabmagneten nach unten vom Metallring weg, so fließt der Induktionsstrom im Gegenuhrzeigersinn. Aufgrund dieses Stroms entsteht ein Magnetfeld (blaue Feldlinien), das dem äußeren abnehmenden Feld (rote Feldlinien) gleichgegengerichtet ist. Auf der Ringunterseite entsteht durch den Induktionsstrom ein Südpol, der bewegungshemmend auf den Nordpol des Stabmagneten einwirkt.

zum Applet: http://micro.magnet.fsu.edu/electromag/java/lenzlaw/index.html
Bewegen Sie mit Hilfe der Maustaste den Magneten relativ zum Metallring.
Mit dem folgenden Versuch kann das Gesetz von Lenz sehr eindrucksvoll bestätigt werden:


1.Teil:

 

 

Ein, auf einem leichtgängigen Wägelchen befestigter, Stabmagnet wird mit seinem Südpol voran gegen die Spule geschoben. In der Spule entsteht eine Induktionsspannung und in deren Folge ein Induktionsstrom. Nach Lenz muss der Induktionsstrom so fließen, dass er die Ursache seiner Entstehung zu hemmen sucht. Dies ist möglich, wenn aufgrund des Stroms auf der linken Spulenseite ein Südpol entsteht (Abstoßung gleichnamiger Pole).
Hinweis:
Würde der Spulenstrom so fließen, dass auf der linken Spulenseite ein Nordpol entstünde, so würde das Wägelchen nicht abgebremst sondern beschleunigt. Dies würde einen Widerspruch zum Energieerhaltungssatz darstellen, denn die kinetische Energie des Wägelchens würde - grundlos -erhöht und zusätzlich auch noch elektrische Energie zur Verfügung gestellt. Insofern ist die Vorhersage von Lenz schon durch den Energiesatz bedingt.

2. Teil:


 

 

Um die obige Aussage zu erhärten, wird in den Kreis von Spule und Messgerät ein Netzgerät eingebaut und die Polung so gewählt, dass der Zeiger des Messgerätes (Achtung: veränderter Messbereich!) nach dem Schließen des Schalters in die gleiche Richtung wie bei Teilversuch 1 ausschlägt. Wenn unsere obige Überlegung richtig war, müsste bei dieser Stromrichtung auf der linken Seite der Spule ein Südpol auftreten. Tatsächlich wird beim Schließen des Schalters der Wagen von der Spule abgestoßen.

Versuchsziel:
Es soll gezeigt werden, dass eine Induktionsspannung auch ohne Bewegung eines Leiters auftreten kann. Hierzu wird das Magnetfeld der Feldspule zeitlich verändert.

Versuchsaufbau:
Eine Feldspule wird mit einer steuerbaren Stromquelle betrieben, die dafür sorgt, dass der Strom in der Feldspule zeitlich linear ansteigt und abfällt. Der Stromverlauf wird mit einem Strommesser dargestellt.
In der Feldspule befindet sich wie skizziert eine Induktionsspule. Die in dieser Spule entstehende Induktionsspannung wird mit einem mV-Messgerät nachgewiesen.

 

Stromverlauf in der Feldspule:


Versuchsdurchführung und Ergebnis:

a) Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Uind und ΔB/Δt und A:

1. Versuch:
Es wird die Zeit T, in welcher der Strom in der Feldspule von Null auf seinen Maximalwert (If,max) ansteigt, variiert:
Spulendaten: Querschnittsfläche A= 14cm2; Windungszahl N = 2000
Maximaler Feldstrom If,max= 6,0A

T in s
25,5
16,5
6,2
3,5
3,0
2,4
Uind in V
0,18
0,27
0,74
1,3
1,5
1,9

Während des zeitlich linearen Stromanstiegs stellt sich jeweils ein konstanter Wert der Induktionsspannung ein.

2. Versuch:
In einem zweiten Versuch wird die erste Induktionsspule gegen eine zweite mit doppelter Querschnittsfläche und gleicher Windungszahl ausgetauscht:
Spulendaten: Querschnittsfläche A = 28cm2; Windungszahl N = 2000
Maximaler Feldstrom If,max= 6,0A

T in s
24,3
10,2
5,9
3,5
2,7
2,4
Uind in V
0,39
0,93
1,6
2,7
3,5
3,9

Während des zeitlich linearen Stromanstiegs stellt sich jeweils ein konstanter Wert der Induktionsspannung ein.

Erläutere, welche Schlussfolgerungen man aus diesen beiden Versuchen ziehen kann. Stelle deine Überlegungen - auch unter Benutzung einer Grafik - sauber dar.

Zeige, dass durch die beiden Versuche die Beziehung \({U_{ind}} \sim A \cdot \frac{{\Delta B}}{{\Delta t}}\) bestätigt werden kann.

Als Ergebnis der beiden ersten Versuche kann man festhalten:
\[{U_{ind}} \sim A \cdot \frac{{\Delta B}}{{\Delta t}}\quad \left( 3 \right)\]

b) Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Uind und N:

3. Versuch:
In einer dritten Versuchsreihe wird eine Spule verwendet deren Querschnittsfläche mit der Spule der zweiten Messreihe übereinstimmt, deren Windungszahl jedoch nur halb so groß ist.
Spulendaten: Querschnittsfläche A = 28cm2; Windungszahl N = 1000;        Maximalstrom Imax= 6,0A

T in s
14,4
6,3
4,2
3,0
2,5
2,4
Uind in V
0,32
0,73
1,2
1,5
1,8
1,9

Erläutere, welche Schlussfolgerungen man aus dem Vergleich des 2. und 3. Versuchs ziehen kann. Stelle deine Überlegungen - auch unter Benutzung einer Grafik - sauber dar.

Als Ergebnis des dritten Versuchs kann man festhalten:
\[{U_{ind}} \sim {\rm N}\quad \left( 4 \right)\]
Kombiniert man die Proportionalitäten (3) und (4), so ergibt sich:
\[{U_{ind}} \sim {\rm N} \cdot {\rm A} \cdot \frac{{\Delta B}}{{\Delta t}}\]

  • Wie eine Berechnung der Induktionsspannung bei bewegten Leitern mit Hilfe der Lorentzkraft zeigt, hat der Proportionalitätsfaktor in obiger Beziehung den Wert 1.
  • Wie später gezeigt wird (Selbstinduktion), ist es angebracht in die Gleichung ein Minuszeichen einzuführen. Somit ergibt sich:

Induktionsgesetz in differentieller Form

\[{U_{ind}} = - {\rm N} \cdot {\rm A} \cdot \frac{{\Delta B}}{{\Delta t}}\]

Ergebnis:
Beim Einführen des Weicheisenkerns in die Spule geht - bei gleichbleibender Spannung Ubatt des Netzgerätes - der Strom kurzzeitig zurück.

Deutung:
Durch das Magnetfeld der Spule werden in dem eingebrachten Weicheisenkern die Elementarmagnete in Feldrichtung umgeklappt bzw. gedreht (vgl. Ferromagnetismus). Dadurch nimmt der magnetische Fluss Φ in der Spule zu: ΔΦ/Δt > 0 bzw. dΦ/dt > 0.

Die durch die zeitliche Flussänderung bewirkte Induktionsspannung Uind wirkt offensichtlich der von außen angelegten Spannung Ubatt entgegen, denn sonst wäre der kurzzeitige Stromabfall nicht erklärbar.

Formal gilt in dem betrachteten Stromkreis die Maschenregel von Kirchhoff: "Summe aller Spannungen ist Null"

\[{U_{batt}} + {U_{ind}} = 0\quad \left( 1 \right)\]

Zählt man die Batteriespannung Ubatt positiv, so ist obige Gleichung nur zu erfüllen, wenn im Induktionsgesetz ein Minuszeichen eingeführt wird (bei dem beschriebenen Vorgang ist ja dΦ/dt > 0 und die Windungszahl N ist auch positiv!)

Somit lautet Gleichung (1) ausführlich geschrieben:

\[{U_{batt}} + \left( { - N \cdot \frac{{d\Phi }}{{dt}}} \right) = 0\]

Ein sehr eindrucksvoller Induktionsversuch, bei dem wiederum das Gesetz von LENZ bestätigt wird, ist der THOMSONsche Ringversuch.

Eine Spule mit langem Eisenkern wird so aufgestellt, dass die Spulenachse vertikal steht. An der Spulenoberseite legt man einen geschlossenen Aluminiumring so auf den Eisenkern, dass er diesen nicht berührt.

  • Legt man nun kurzzeitig eine Gleichspannung an die Spule, so wird der Ring hochgeschleudert.
  • Legt man an die Spule kurzzeitig eine Wechselspannung und kühlt den Ring vor dem Versuch z.B. mit flüssigem Stickstoff (ca. -190°C), so erreicht man deutlich größere Höhen.
  • Verwendet man anstelle des geschlossenen Aluminiumrings einen mit einem Schlitz, so wird dieser Ring kaum angehoben.

Prof. Amvimov benutzt anstelle eines Aluminiumrings eine Coladose, bei welcher der Deckel und der Boden entfernt wurden. Der Wechselstrom durch die Spule ist so eingestellt, dass die Büchse gerade schwebt.

Du kannst dir die Videos (lange Ladezeit) vom Netz unter

Coladose: http://www.wfu.edu/academics/physics/demolabs/demos/avimov/e_and_m/jumping_ring/coldcoke.mpg

Coladose mit Schlitz: http://www.wfu.edu/academics/physics/demolabs/demos/avimov/e_and_m/jumping_ring/pepsican.mpg

herunterladen.

Warum wird der Ring - unabhängig von der Polung der Gleichspannungsquelle - angehoben?

Warum erreicht man mit Wechselspannung und Kühlung des Ringes größere Höhen?

Welche Anfangsgeschwindigkeit muss der Ring haben, damit er eine Höhe von 1,0m erreicht?

Warum kann ein geschlitzter Ring kaum angehoben werden?

Man kann natürlich das magnetische Erdfeld mit einer empfindlichen Hallsonde ausmessen. Wesentlich "durchsichtiger" ist jedoch die Bestimmung des magnetischen Erdfeldes mit Hilfe einer Induktionsspule, die man auch Erdinduktor nennt.

Versuchsgeräte:

  • Erdinduktor mit N = 100 Windungen und einem Radius von 13,8cm;
  • Kompass;
  • Digitales Mikrovoltmeter, mit dem auch Spannungsstöße gemessen werden können;

Versuchsdurchführung:

a)

Bestimmung der Horizontalkomponente Bh des magnetischen Erdfeldes
Mit Hilfe eines Kompasses bestimmt man die Nord-Süd-Richtung. Die Induktionsspule ist dann wie folgt auszurichten:

  • Die Achse, um welche die Spule später gedreht wird, steht senkrecht zur Unterlage. Die Spule wird dann so gedreht, dass die Spulenebene senkrecht zur Nord-Süd-Richtung steht.
  • Die Spule wird nun an der Kurbel um 90° gedreht und der entstandende Spannungsstoß am digitalen Messgerät abgelesen. Dabei ergab sich für den Spannungsstoß:

\[\int_{{t_1}}^{{t_2}} {Udt} = 0,14 \cdot {10^{ - 3}}{\rm{Vs}}\]

 

b)

Bestimmung der Vertikalkomponente Bv des magnetischen Erdfeldes
Die Induktionsspule ist wie folgt auszurichten:

  • Die Achse, um welche die Spule später gedreht wird, zeigt in Nord-Süd-Richtung. Die Spule wird dann so gedreht, dass die Spulenebene parallel zur Unterlage ist.
  • Die Spule wird nun an der Kurbel um 90° gedreht und der entstandende Spannungsstoß am digitalen Messgerät abgelesen. Dabei ergab sich für den Spannungsstoß:

\[\int_{{t_1}}^{{t_2}} {Udt} = 0,27 \cdot {10^{ - 3}}{\rm{Vs}}\]

Bestimme aus dem jeweiligen Spannungsstoß die Horizontalkomponente Bh und die Vertikalkomponente Bv der Flussdichte des Erdmagnetfeldes in München.

Bestimme mit Hilfe der Ergebnisse der ersten Teilaufgabe die Gesamtflussdichte des Erdmagnetfeldes in München.

Bild von Andreas Rittershofer

In der nebenstehenden Versuchsanordnung sind vier gleich lange, zylindrische Rohre vertikal aufgestellt: Links von der Mitte zwei gleichartige Kupferrohre, rechts von der Mitte ein Kupferrohr mit einem langen Schlitz und ein Kunststoffrohr.

1.Versuch:

Zunächst lässt man durch eines der beiden Kupferrohre links einen starken Scheibenmagneten und gleichzeitig durch das andere Kupferrohr ein Eisenstück mit etwa der gleichen Form wie der Scheibenmagnet fallen.

Ergebnis: Der Magnet braucht zum Durchfallen des Rohres länger als das Eisenstück.

2.Versuch:

Man verwendet jetzt zwei gleichartige Magnete. Einen lässt man durch das "normale" Kupferrohr, den anderen durch das Kupferrohr mit Längsschlitz fallen.

Ergebnis: Der Magnet im Rohr mit Längsschlitz braucht zum Durchfallen weniger Zeit.

3.Versuch:

Wieder verwendet man zwei gleichartige Magnete. Einen lässt man durch das "geschlitzte" Kupferrohr, den anderen durch das Kunststoffrohr fallen.

Ergebnis: Der Magnet im Kunststoffrohr braucht zum Durchfallen weniger Zeit.

Hinweis: Schöne Bilder und Videos zu diesem und ähnlichen Versuchen (WALTENHOF-Pendel) findest du auf den Seiten des Bildungsservers von Baden-Württemberg.

Deute die Versuchsergebnisse.

Karlheinz Meier von der Universität Heidelberg stellt leicht verständliche Videos zum Physikunterricht zur Verfügung. In anderthalb Minuten wird gut fassbar in das Prinzip einer technischen Erfindung eingeführt oder ein physikalisches Phänomen vorgestellt.

In diesem Video zeigt Karlheinz Meier das Phänomen der Induktion durch Bewegung am Beispiel eines Dynamos, aber auch anhand einer einfachen Leiterschleife.

zum Video

Karlheinz Meier von der Universität Heidelberg stellt leicht verständliche Videos zum Physikunterricht zur Verfügung. In anderthalb Minuten wird gut fassbar in das Prinzip einer technischen Erfindung eingeführt oder ein physikalisches Phänomen vorgestellt.

In diesem Video weist Karlheinz Meier das magnetische Feld der Erde nach und führt einen Induktionsversuch im Erdfeld durch.

zum Video

Karlheinz Meier von der Universität Heidelberg stellt leicht verständliche Videos zum Physikunterricht zur Verfügung. In anderthalb Minuten wird gut fassbar in das Prinzip einer technischen Erfindung eingeführt oder ein physikalisches Phänomen vorgestellt.

In diesem Video veranschaulicht Karlheinz Meier eindrucksvoll die LENZsche Regel

zum Video