Das Fallenlassen von Magneten im Inneren verschiedener Rohre ermöglicht die Demonstration eines verblüffenden Phänomens: In einem Alu- oder Kupferrohr fallen die Magnete viel langsamer als in einem Plastikrohr. Aus dem Versuch kann die Regel von Lenz abgeleitet werden. Ein einfacher Messversuch bestätigt diese im Anschluss.
Qualitative Untersuchung
Aufbau und Durchführung
Wir stellen vier Rohre mit gleicher Länge und gleichem Durchmesser, aber aus unterschiedlichen Materialien (Stahl, Kupfer, Aluminium und Plastik) 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. Hier kann man allerdings nur den Austrittszeitpunkt beobachten.
Beobachtung
Aufgabe
Aufgabe
Formuliere die Beobachtungen während der Durchführung des Versuchs.
Erklärung
Die Animationen in Abb. 2 und Abb. 3 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 der Ursache ihrer Entstehung, nämlich dem Fallen des Magnetes, entgegenwirken.
In der Animation in Abb. 3 sind zusätzlich zur Animation in Abb. 2 die Magnetfelder (dunkelgrün) der Induktionsströme eingezeichnet.
Das Magnetfeld des unteren Induktionsstroms ist dem des Permanentmagneten entgegengerichtet. Es stehen sich zwei Nordpole gegenüber. Diese stoßen sich ab, was zur Abbremsung des Permanentmagneten führt.
Das Magnetfeld des oberen Induktionsstroms ist dem des Permanentmagneten gleichgerichtet. Es stehen sich entgegengesetzte Pole gegenüber: Diese ziehen sich an, was ebenfalls zur Abbremsung des Permanentmagneten führt.
Kupfer ist ein guter Leiter, daher treten hier die größten Induktionsströme auf. Der Magnet wird am stärksten gebremst. Alu leitet schon schlechter als Kupfer, daher fällt der Magnet etwas schneller, da die Induktionsströme nicht mehr so groß sind. Stahl und Plastik leiten noch deutlich schlechter und der Magnet wird beim Fall kaum gebremst.
Verständnisaufgaben
Verständnisaufgabe
Bei sonst gleichem Versuchsaufbau wird anstatt eines Ringmagneten ein Eisenring nach unten fallen gelassen. Markiere die zutreffende Aussage über dieses Experiment.
Verständnisaufgabe
Jetzt wird der Aufbau um ein in Längsrichtung "geschlitztes" Kupferrohr erweitert. Du lässt wieder zwei Ringmagnete außen am Kupferrohr und außen am geschlitzten Kupferrohr fallen.
Erläutere, welche Beobachtung du erwarten würdest.
Nachweis der unterschiedlichen Richtung der Induktionsströme
Material
- Messwerterfassungssystem zur Spannungsmessung oder Oszilloskop
- zylinderförmiger Magnet
- Fallröhre mit Induktionsspulen oder zwei einfache Trafo-Spulen + Stativmaterial
- evtl. Polstermaterial
Versuchsaufbau
Die Fallröhre mit den Induktionsspulen wird falls nötig wie in Abb. 3.1 mittels Tischklemme senkrecht aufgestellt. An die entsprechenden Anschlussbuchsen wird ein Spannungssensor eines Messwerterfassungssystems (vgl. Abb. 3.1-3.2) oder ein Oszilloskop angeschlossen. Der Spannungssensor wird nun mit dem Computer verbunden. Bei Nutzung des Pasco-Systems die Abtastrate auf das Maximum von \(1\,\rm{kHz}\) und den Messbereich auf \(\pm 5\,\rm{V}\) stellen. Bei Nutzung von Cassy den Messbereich auf \(\pm 5\,\rm{V}\) und das Intervall zwischen zwei Messungen auf \(1\,\rm{ms}\) oder kleiner einstellen. Bei Bedarf kann die Messwertaufnahme auch mittels Trigger gestartet werden. Die Ausgabe der Messwerte sollte jeweils in Form eines \(t\)-\(U\)-Diagramms erfolgen.
Versuchsdurchführung
Die Messung starten, den Magneten oben in der Röhre positionieren und loslassen. Evtl. den Versuch mit umgedrehtem Magneten wiederholen.
Beobachtung
Im \(t\)-\(U\)-Diagramm in Abb. 4 folgt auf einen Ausschlag ins Negative jeweils direkt ein Ausschlag ins Positive (oder umgekehrt - je nach Polung des Magneten). Dieses Muster wiederholt sich 6-mal, was genau der Anzahl der unterschiedlichen Spulen an der Fallröhre entspricht. Weiter nimmt die Stärke der Ausschläge immer zu, ihre Dauer nimmt jedoch ab. Eine Versuchsdurchführung mit umgedrehtem Magneten kehrt die Reihenfolge der Ausschläge ins Positive bzw. Negative um.
Auswertung
Die aufeinanderfolgenden Ausschläge ins Positive und Negative beim Fall durch eine Spule bestätigt die Regel von Lenz, da nur bei jeweils umgekehrtem Induktionsstrom sowohl am unteren als auch am oberen Ende des Magneten eine Bremswirkung erreicht wird. Die Umkehrung der Abfolge bei der Versuchsdurchführung mit umgedrehtem Magneten stützt diese Erkenntnis ebenfalls. Die Zunahme der gemessenen Induktionsspannung wird durch die immer höhere Geschwindigkeit des Magneten im Fall verursacht. Da sich so das Magnetfeld in der Spule schneller verändert, wird auch eine höhere Induktionsspannung gemessen.
Hinweis: Mit Hilfe der durchgeführten Messung kann auch die Erdbeschleunigung \(g\) experimentell ermittelt werden. Dazu können aus der Messung z.B. die Zeitpunkte der maximalen Induktionsspannung und die Zeitspannen zwischen diesen ermittelt werden. Zwischen jedem der sechs Maxima hat der Magnet dabei eine Strecke von \(\Delta s=19\,\rm{cm}\) zurückgelegt.
Alternative Variante mit Trafospulen
Material
- Messwerterfassungssystem zur Spannungsmessung oder Oszilloskop
- zylinderförmiger Magnet
- zwei Trafo-Spulen (250 - 1000 Windungen)
- Stativmaterial
- evtl. Glas- oder Plexiglasrohr
- evtl. Polstermaterial
Versuchsaufbau
Die beiden Spulen gleich oder wie in Abb. 5 umgekehrt ausgerichtet (führt zu umgekehrter Wicklungsrichtung) mit Hilfe von unmagnetischen Klemmen an einer Stativstange übereinander mit einem Abstand von 15-25 cm befestigen, sodass ein Magnet durch die Spulen hindurchfallen kann. Tipp: Flügelschrauben entfernen. Falls verfügbar kann mit einem Rohr (evtl. Kundtsches Rohr nutzen), welches im Inneren der Spulen platziert wird, das Fallen der Magnete durch die Spulen sichergestellt werden. Die beiden Spulen parallel an das Messwerterfassungssystem oder das Oszi anschließen.
Der Spannungssensor wird nun mit dem Computer verbunden. Bei Nutzung des Pasco-Systems die Abtastrate auf das Maximum von \(1\,\rm{kHz}\) und den Messbereich auf \(\pm 5\,\rm{V}\) stellen. Bei Nutzung von Cassy den Messbereich auf \(\pm 5\,\rm{V}\) und das Intervall zwischen zwei Messungen auf \(1\,\rm{ms}\) oder kleiner. Bei Bedarf kann die Messwertaufnahme auch mittels Trigger gestartet werden. Die Ausgabe der Messwerte sollte jeweils in Form eines \(t\)-\(U\)-Diagramms erfolgen.
Versuchsdurchführung
Die Messung starten, den Magneten oben in der Röhre positionieren und loslassen. Evtl. den Versuch mit umgedrehtem Magneten wiederholen.
Beobachtung
In den \(t\)-\(U\)-Diagrammen in Abb. 5.1 - 5.3 folgt auf den ersten Ausschlag ins Positive ein Ausschlag ins Negative und bei der zweiten, umgekehrt angeschlossenen Spule erfolgt zuerst ein Ausschlag ins Negative, dann ins Positive (oder genau umgekehrt - je nach Polung des Magneten). Die Stärke der Ausschläge beim zweiten man zu, ihre Dauer nimmt jedoch ab. Eine Versuchsdurchführung mit umgedrehtem Magneten kehrt alle Ausschläge gerade um.
Auswertung
Die aufeinanderfolgenden Ausschläge ins Positive und Negative beim Fall durch eine Spule bestätigt die Regel von Lenz: Nur bei jeweils umgekehrtem Induktionsstrom in der Spule am unteren und am oberen Ende des Magneten wird jeweils eine Bremswirkung erreicht. Die Umkehrung der Ausschlag-Reihenfolge bei Fall durch die zweite Spule ergibt sich aus der umgekehrten Wicklungsrichtung der Spule. Hier müssen die Induktionsströme gerade umgekehrt verlaufen, damit die gleiche Wirkung wie zuvor erzielt wird.
Die Umkehrung der Abfolge bei der Versuchsdurchführung mit umgedrehtem Magneten stützt diese Erkenntnis ebenfalls.
Die Zunahme der gemessenen Induktionsspannung wird durch die immer höhere Geschwindigkeit des Magneten im Fall verursacht. Da sich so das Magnetfeld in der Spule schneller verändert, wird auch eine höhere Spannung in die Spulen induziert.