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Elektromagnetische Induktion

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Elektromagnetische Induktion
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Versuchsaufbau zur elektromagnetischen Induktion

Kurzbeschreibung
Qualitatives Vorzeigeexperiment zur Elektromagnetischen Induktion, bei der Betrag und Richtung des induzierten Stromes mit Leuchtdioden angezeigt werden
Kategorien
Elektrizitätslehre, Induktion
Einordnung in den Lehrplan
Geeignet für: Klasse 9
Basiskonzept: Wechselwirkung
Sonstiges
Durchführungsform Lehrerdemoexperiment
Anspruch des Aufbaus leicht
Informationen
Name: Theo Schierbaum
Kontakt: \text{schirbat}@\text{hu-berlin.de}
Uni: Humboldt-Universität zu Berlin
Betreuer*in: Dr. Franz Boczianowski
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Dieser als Einstiegsexperiment gedachte Versuch verdeutlicht in anschaulicher Weise die grundlegenden Merkmale der elektromagnetischen Induktion. Dabei wird qualitativ gezeigt, inwiefern die Änderung eines äußeren Magnetfeldes für den Betrag und die Richtung des in einem Leiter induzierten Stromes von Bedeutung ist. In diesem Sinne gliedert sich das Experiment in zwei Teile, von denen der erste auf die Änderung im Betrag des äußeren Magnetfeldes eingeht, der zweite hingegen auf dessen räumliche Änderung.


Didaktischer Teil

Der Versuch ist ob seiner qualitativen Erkenntnismöglichkeit und seiner Einfachheit als Einstiegsexperiment in die Thematik der Induktion, also gewissermaßen die Wechselwirkung zwischen Magnetismus und Elektrizität, gedacht. Als Erweiterung des Faradayschen Rings, der gelegentlich als Meilenstein in der Kulturgeschichte bezeichnet wird[1], besitzt er eine überragende Bedeutung für das Verständnis dieses großen und auch für die Praxis äußerst relevanten Teilbereichs der Physik. Das an diesem einfachen Aufbau in simpler Weise gezeigte Phänomen der Induktion ist die Voraussetzung (fast) aller strombetriebenen Technologie unserer heutigen Welt: Dabei spielt die Induktion nicht nur in der elektrischen Energietechnik (also der Erzeugung elektrischen Stromes), sondern auch in der Übertragung elektrischer Energie (Transformatoren) und allen Arten elektrischer Antriebe (Elektromotoren) eine essentielle Rolle. In diesem Sinne sind alle elektrischen Geräte, die mit dem Stromnetz verbunden sind, von Induktionsvorgängen abhängig.

Für das Verständnis des Experiments ist es notwendig, dass den Schülerinnen und Schülern bereits eine einfache Form der elektromagnetischen Wechselwirkung bekannt ist, nämlich die, wonach ein stromdurchflossener Leiter ein Magnetfeld erzeugt, dessen Wirkrichtung sich aus der Rechte-Hand-Regel ergibt. Weiterhin sollten sie gelernt haben, dass das Magnetfeld eines vielfach gewundenen Leiters ("Spule") im Innern der Spule (recht) homogen ist und außerhalb der Spule dem eines zylinderförmigen Dauermagneten gleicht. Dieses Magnetfeld entsteht (praktisch) instantan bei Stromfluss durch die Spule und verschwindet ebenso instantan, sobald der Stromfluss abbricht.

Nun mag sich die Frage ergeben (und ergab sich historisch dem Physiker Michael Faraday auch tatsächlich[2]), ob nicht umgekehrt ein äußeres Magnetfeld auch einen Strom in einem Leiter erzeugt. Diese Frage bildet den Ausgangspunkt dieses Versuches.

In diesem Sinne soll zunächst untersucht werden, ob in einem Leiter, der von einem - zunächst konstanten - Magnetfeld umgeben wird, ein Strom fließt. Dieses Magnetfeld ist also so zu realisieren, dass es ein- und ausgeschaltet werden kann, um den Unterschied im Stromfluss zwischen beiden Schaltzuständen zu bestimmen (erster Teil des Versuchs). Die Änderung des Magnetfeldes vollzieht sich praktisch instantan, also unendlich schnell (durch Ein- und Ausschalten eines Elektromagneten). Diese Änderung induziert einen kurzzeitigen Stromfluss. Dass dieser Stromfluss nur während des Schaltvorgangs auftritt, erzeugt eine Art mystisches Moment (siehe Abschnitt "Kognitiver Konflikt"), das durch den zweiten Teilversuch, der eine entschleunigte Variante des ersten Versuchs darstellt, aufgeklärt wird. Somit kann gesagt werden, der erste Teil des Experiments diene in erster Linie der Motivierung bzw. dem Aufwerfen der Problemstellung, der zweite Teil hingegen einer genaueren Beschreibung und eventuell einer ansatzweisen Erklärung des Phänomens.

Qualitatives Experimentieren ist immer Exploration, d.h. das qualitative Erfassen der Merkmale eines Phänomens sind von größerer Bedeutung als dessen exakte Quantisierung. Für die Schülerinnen und Schüler erschließt sich mit diesem Experiment ein neuer Themenkomplex, weshalb hier ein höherer Anforderungsbereich (reflektieren, interpretieren) zur Geltung kommt als beim quantitativen Überprüfen von Hypothesen (anwenden, überprüfen)[3]. Dabei kann das Vorgehen dieses Experiments als rekonstruktiv angesehen werden, da man vom "Groben" ins "Feine" geht (erst das schnelle, dann das entschleunigte Experiment). Damit bietet sich insbesondere die Übung der Kommunikationskompetenz[4], die das exakte Beschreiben und Erklären des Gesehenen umfasst, an.

Nach diesem als Einstiegsexperiment gedachten Versuch bieten sich eine Reihe weiterer Versuche an, so z.B. Versuche mit Generatoren, Elektromotoren und Transformatoren sowie Versuche zur Erschließung der ebenfalls mit der elektromagnetischen Induktion verknüpften Lorentzkraft. Wie eingangs bereits angesprochen, mangelt es diesem Teilgebiet der Physik nicht an den Schülerinnen und Schülern unmittelbar zugänglichen Alltagsanwendungen. Ein unmittelbar an das hier beschriebene Experiment anknüpfendes, gewissermaßen transferierendes (evtl. Gedanken-)Experiment könnte darin bestehen, dass die Helligkeit einer Fahrradlampe in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit des Dynamos thematisiert wird, wobei den Schülern zunächst natürlich der Aufbau des Dynamos aus Spule(n) und Dauermagnet(en) erklärt werden muss.


Kognitiver Konflikt

Gerade ein Einstiegsexperiment, wie das hier beschriebene, sollte das Interesse der Schülerinnen und Schüler an einem Teilbereich wecken. Motivierend kann hier die Auslösung eines sogenannten kognitiven Konflikts sein[5]. Ein kognitiver Konflikt entsteht durch ein mystisches Moment eines Experiments, d.h., das, was die Schülerinnen und Schüler wahrnehmen, entspricht nicht ihren Erwartungen und ist für sie intuitiv nicht ad hoc erklärbar.

Der hier beschriebene Versuch - zumindest der erste Teil des Versuchs - beinhaltet aus Sicht der Schülerinnen und Schüler eine Überraschungskomponente. Eine Leuchte, die als Last an einem Transformator, welcher an Gleichstrom angeschlossen wird, anliegt, leuchtet lediglich beim Ein- und Ausschalten des Stroms. Mit LEDs wird zusätzlich erreicht, dass beim Ein- und Ausschalten jeweils eine andere Leuchte Licht aussendet.

Die Überraschung für die Schülerinnen und Schüler besteht nun möglicherweise in mehrern Punkten: Zunächst überrascht, dass trotz galvanischer Trennung eine Übertragung von Energie stattgefunden haben muss, denn die LEDs leuchten zweifellos und der Sekundärkreis verfügt nicht über eine eigene Spannungs- bzw. Stromquelle. Diese Beobachtung sollte an dieser Stelle inkongruent mit den Vorerfahrungen der Schülerinnen und Schüler sein.

Zum Zweiten vollzieht sich das zu zeigende Phänomen nicht in der Phase des Stromflusses durch den Primärkreis, sondern lediglich beim Ein- und Ausschalten. Hier besteht der kognitive Konflikt darin, dass den Schülerinnen und Schülern noch die Fähigkeit fehlt, einen Ein- und Ausschaltvorgang als einen Vorgang zu betrachten, bei dem durchaus etwas geschieht, sich etwas verändert. Diese mangelnde Erkenntnis führt zu der nicht ganz korrekten Überzeugung, nur zu Beginn des Stromflusses geschehe etwas.

Der dritte kognitive Konflikt könnte in der Beobachtung bestehen, dass die die eine LED beim Ausschalten des Stroms im Primärstromkreis merklich heller aufleuchtet als die andere LED beim Einschalten. Dies ist begründet in den Leitungsinduktivitäten, die beim Ausschalten eine Überspannung bzw. Spannungsspitze erzeugen, was beim Einschalten nicht geschieht, da die Leitungsinduktivitäten zu diesem Zeitpunkt noch keine Energie gespeichert haben.

Bis auf den dritten Aspekt, der im Unterricht möglicherweise nicht thematisiert werden kann, wird der kognitive Konflikt, der durch das erste Teilexperiment verursacht wird, mit dem zweiten Teilversuch genauer beleuchtet und im besten Falle gar aufgelöst.

Versuchsanleitung

Aufbau

Geräteliste

  • 2 LED (I=2mA, U=1,8V)
  • 2 Spulen (gleiche Windungszahl N, N=750, R=1kΩ)
  • 2 Widerstände (R=500Ω)
  • Stabmagnet
  • Eisenkern
  • Tastschalter
  • Kabel
  • Spannungsquelle (9-12V)
  • Spannungsmessgerät


Versuchsaufbau 1

Abb. 1: Ersatzschaltung zum Teilversuch 1

Beim Aufbau zum ersten Teilversuch handelt es sich prinzipiell um eine Art Transformator.

Eine Spule wird an eine Gleichspannungsquelle (9-12 V) angeschlossen. Die Windungszahl N der Spule kann dabei im Prinzip beliebig gewählt werden, jedoch sollte bei einer Spule mit einer geringen Windungszahl (N<500) ein Widerstand R in Reihe zur Spule geschaltet werden, da der Strom sonst zu groß werden und die Spannungsquelle beschädigen könnte. Verfügt die Spannungsquelle nicht über einen eigenen Ein- und Ausschalter (z.B. Batterie), so kann zwischen Spannungsquelle und Spule ein Schalter geschaltet werden. Dieser Primärstromkreis dient dazu, einen Elektromagneten zu erhalten, d.h., beim Schließen des Stromkreises durch den Schalter baut sich ein durch die Spule erzeugtes Magnetfeld auf, dessen äußerer Teil in seiner räumlichen Verteilung dem eines (zylinderförmigen) Dauermagneten gleicht.

Der Sekundärstromkreis besteht aus einer Spule, deren Windungszahl jener der Spule aus dem Primärkreis entspricht, und zwei zueinander antiparallel, aber in Reihe zur Spule geschalteten Leuchtdioden (Abb. 1). Auch hier gilt wieder, dass bei geringer Windungszahl der Spule ein Widerstand in Reihe zur Spule zu schalten ist, um die Dioden nicht zu beschädigen. Die beiden Spulen können durch einen geschlossenen Eisenring miteinander verbunden werden (dies ist allerdings nicht unbedingt notwendig).

Es empfielt sich in den Experimenten im Übrigen nicht, verschiedenfarbige Leuchtdioden zu verwenden, da die unterschiedlichen Durchlassspannungen zu Unterschieden in den Intensitäten des ausgetrahlten Lichts führen, was widerum auf die Schülerinnen und Schüler verwirrend, in jedem Fall aber ablenkend vom eigentlichen Problem wirken könnte.

Abb. 2: Ersatzschaltung zum Teilversuch 2 mit Spannungsmessgerät


Versuchsaufbau 2

Im zweiten Teil verschwindet der Primärstromkreis und wird durch einen Dauermagneten ersetzt. Der Widerstand vor den LEDs ist nun nicht mehr notwendig. Optional kann ein Spannungsmessgerät parallel zu den LEDs geschaltet werden (Abb. 2).

Durchführung

Abb. 3: Durchführung des Teilversuchs 1. Die LED leuchten jeweils nur beim Ein- und Ausschalten des Stroms im Primärkreis.



Bei Versuch 1 (Abb. 3) wird der Stromkreis durch Anschalten der Spannungsquelle bzw. Betätigen des Schalters geschlossen und nach einiger Zeit wieder geöffnet.








Abb. 4: Durchführung des Teilversuchs 2. In Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung des Dauermagneten leuchtet jeweils nur eine LED.




Bei Versuch 2 (Abb. 4) wird der Dauermagnet zur Spule hinbewegt und anschließend wieder davon weg. Die Bewegung kann in unterschiedlicher Weise erfolgen. Hier bieten sich folgende Variationen an:

Der Dauermagnet wird seitlich an die Spule herangeführt (wie in Abb. 4).

Der Dauermagnet wird in die Spule hineingeführt.

Bei den beiden oben genannten Bewegungen kann die Ausrichtung des Magneten (Nord- und Südpol) vertauscht werden.

Der Dauermagnet rotiert nahe der Spule.

Im Übrigen ist es ebenso möglich, die Spule in der Nähe des Magneten zu bewegen, da es lediglich auf die Relativbewegung ankommt.

Ergebnisse

Im ersten Teilversuch kann beobachtet werden, dass beim Einschalten nur eine LED kurz aufleuchtet, beim Ausschalten kurz die andere. Zwischen Ein- und Ausschaltvorgang leuchtet keine der LEDs.

Im zweiten Teilversuch zeigt sich, dass abhängig von der Bewegungsrichtung jeweils nur eine LED aufleuchtet, wobei die Intensität des Lichts der LEDs mit der Geschwindigkeit der Bewegung des Dauermagneten zunimmt. Hier könnte sich eine kleine Tabelle der folgenden Art anbieten:

Bewegungrichtung Bewegungsgeschwindigkeit LED 1 LED 2
Nordpol zur Spule hin langsam leuchtet leuchtet nicht
schnell leuchtet sehr hell leuchtet nicht
Nordpol von der Spule weg langsam leuchtet nicht leuchtet
schnell leuchtet nicht leuchtet sehr hell
Südpol zur Spule hin langsam leuchtet nicht leuchtet
schnell leuchtet nicht leuchtet sehr hell
Südpol von der Spule weg langsam leuchtet leuchtet nicht
schnell leuchtet sehr hell leuchtet nicht

Auswertung

Ein Strom fließt im Stromkreis mit den LEDs lediglich dann, wenn das die in diesem Stromkreis befindliche Spule umfassende Magnetfeld sich räumlich (Versuch 2) oder in seinem Betrag (Versuch 1) ändert. In Abhängigkeit von der Richtung der Änderung leuchtet jeweils eine andere LED. Im zweiten Teilversuch leuchten die LEDs zudem umso heller, je schneller sich die räumliche Änderung des Magnetfeldes vollzieht. Bei Hinzuschalten eines Spannungsmessgerätes würde sich dies in einem größeren Zeigerausschlag niederschlagen.

In Versuch 1 stellt der Auf- und Abbau eines Magnetfeldes die schnellstmögliche Änderung eines Magnetfeldes dar. Da in die Sekundärspule nur bei Magnetfeldänderung ein Strom induziert wird, leuchten die LEDs nur beim Ein- und Ausschalten auf, nicht aber während des eingeschalteten Zustandes. Da sich Auf- und Abbau auch richtungsmäßig unterscheiden (Betrag wird größer bzw. Betrag wird kleiner), ist auch die Stromrichtung im Sekundärstromkreis unterschiedlich und nur die in Durchlassrichtung geschaltete LED leuchtet jeweils auf.

Im zweiten Versuch ändert sich die räumliche Erscheinung des Magnetfeldes durch Bewegung des Dauermagneten. So wird ein Strom induziert und in Abhängigkeit von der Richtung der Bewegung (und damit von der Richtung des induzierten Stromes) leuchtet jeweils nur eine LED auf. Laut dem Induktionsgesetz ist die Höhe des induzierten Stromes abhängig von der Geschwindigkeit der Änderung des Magnetfeldes, weshalb die LEDs bei schnelleren Bewegungen des Dauermagneten deutlich heller aufleuchten.

Die Schülerinnen und Schüler sollten zu der qualitativen Erkenntnis gelangen, dass die Änderung des Betrags und die Änderung der räumlichen Ausdehnung des Magnetfeldes in ihrer Wirkung identisch sind und somit zwei Seiten derselben Medaille.

Zusammenfassend lassen sich im Hinblick auf das Phänomen der Induktion Merksätze formulieren, die sich die Schülerinnen und Schüler anhand dieses Versuchs erarbeitet haben sollten:

1. Ändert sich das einen Leiter umgebende Magnetfeld, so wird in diesem Leiter ein elektrischer Strom induziert.

2. Die Änderung des Magnetfeldes vollzieht sich dabei im Betrag oder in der räumlichen Ausdehnung.

3. Die Richtung des Stroms ist abhängig von der Richtung der Änderung des Magnetfeldes.

4. Je schneller sich das Magnetfeld ändert, desto größer ist der induzierte Strom.

Sicherheitshinweise

Bei einer Betriebsspannung von 12 V ergeben sich keine Gefahren für den menschlichen Körper, allerdings für die Bauteile. So sollten die oben beschriebenen Maßnahmen zur Vorbeugung eines Kurzschluss' (Zuschalten von Widerständen vor die Leuchtdioden bei geringen Windungszahlen der Spulen) eingehalten werden, um weder die LEDs noch die Spannungsquelle zu beschädigen.

Literatur

  1. Wilke H.-J. (1981). Zur Rolle des Experiments im Physikunterricht. zit. nach Kircher, E. (2010): Physikdidaktik. Theorie und Praxis. Berlin: Springer. S.249
  2. Faraday, M.(1825). Electro-Magnetic-Current. In: Quarterly Journal of Science, Literature and the Arts. Band 19, S. 338, bei Google Books.
  3. Online Ressource: http://www.schul-physik.de/Anforderungsbereiche.html, abgerufen am 22.04.2013
  4. Berliner Senatsverwaltung für Bildung, Jugend und Sport (2006). Rahmenlehrplan für die Sekundarstufe 1 (Physik), S. 11, http://www.berlin.de/imperia/md/content/sen-bildung/schulorganisation/lehrplaene/sek1_physik.pdf]
  5. Lind, G. (1975). Sachbezogene Motivation im naturwissenschaftlichen Unterricht. zit. nach Kircher, E. (2010): Physikdidaktik. Theorie und Praxis. Berlin: Springer. S.181