Elektrizitätslehre

Elektromagnetische Induktion

Fallende Magnete

  • Wie funktioniert ein Elektromotor?
  • Wie erzeugt ein Dynamo elektrischen Strom?
  • Was bewirkt eine Spule?

Fallende Magnete

Aufbau und Durchführung

Wir stellen 4 Rohre mit gleicher Länge und gleichem Durchmesser, aber aus unterschiedlichen Materialien (Stahl, Kupfer, Aluminium und Plastik) lotrecht nebeneinander auf. Dann lassen wir Ringmagnete, die mit etwas Spiel um die Rohre passen, fallen und beobachten die Fallzeiten.

Alternative: Der Versuch kann auch mit kleinen Magneten durchgeführt werden, die im Inneren der Rohre nach unten fallen.

Beobachtung

Aufgabe

Formuliere die Beobachtungen während der Durchführung des Versuchs.

Lösung

Der Magnet fällt am langsamsten, wenn er am Kupferrohr herunter fällt.

Am Aluminiumrohr fällt der Magnet schneller als am Kupferrohr, aber langsamer als am Stahlrohr oder Plastikrohr.

Zwischen den Fallgeschwindigkeiten beim Stahlrohr und beim Plastikrohr konnte kein Unterschied beobachtet werden.

2 Wirbelströme und dadurch verursachte Magnetfelder beim Fall eines Magneten durch ein Rohr aus Metall

Erklärung

Die Animationen in Abb. 2 zeigen die Situation bei in den Rohren fallenden Magneten. Aus physikalischer Sicht laufen jedoch die gleichen Prozesse ab, wie wenn Ringmagnete außen an den Rohren nach unten fallen.

In Zonen des Kupferzylinders treten sich ändernde Magnetfelder (hellgrün) auf, die nach LENZ Induktionsströme (rot) hervorrufen, welche die Ursache ihrer Entstehung (fallender Magnet) zu hemmen suchen.

In der rechten Animation sind zusätzlich zur linken Abbildung die Magnetfelder (dunkelgrün) der Induktionsströme eingezeichnet.

Das Magnetfeld des unteren Induktionsstroms ist dem des Permanentmagneten entgegengerichtet. Es stehen sich zwei Nordpole gegenüber: Abbremsung des Permanentmagneten.

Das Magnetfeld des oberen Induktionsstroms ist dem des Permanentmagneten gleichgerichtet. Es stehen sich ungleichnamige Pole gegenüber: Abbremsung des Permanentmagneten.

Kupfer ist ein guter Leiter, daher treten hier die größten Induktionsströme auf. Der Magnet wird am stärksten gehemmt. Alu leitet schon schlechter als Kupfer, daher fällt der Magnet etwas schneller, da die Induktionströme nicht mehr so groß sind. Stahl und Plastik leiten noch deutlich schlechter und der Magnet wird beim Fall kaum gehemmt.

Verständnisaufgabe

Nun wird anstatt eines Ringmagneten ein Eisenring nach unten fallen gelassen.

Erläutere, welche Beobachtung du erwarten würdest.

Lösung

Das Eisenstück würde bei allen Rohren gleich schnell nach unten fallen, da keine Induktionseffekte und damit keine Wirbelströme auftreten würden.

Nun wird der Aufbau um ein in Längsrichtung "geschlitztes" Kupferrohr erweitert. Wieder lässt du zwei Ringmagnete außen am Kupferrohr und außen am geschlitzten Kupferrohr fallen.

Erläutere erneut, welche Beobachtung du erwarten würdest.

Lösung

Der Magnet im geschlitzten Kupferrohr fällt schneller nach unten. Im geschlitzten Kupferrohr können sich die Wirbelströme nicht so gut ausbilden. Daher wird der Fall des Magneten hier weniger stark gehemmt.

Druckversion