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Entdeckung der Induktion nach M. Faraday: Eine Experimentierreihe

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Entdeckung der Induktion nach M. Faraday: Eine Experimentierreihe
Rad 2.JPG

Abb.1: Nachbau des ersten Generators nach Michael Faraday

Kurzbeschreibung
Experimentalreihe zur Entdeckung der Induktion nach Michael Faraday
Kategorien
Elektrizitätslehre, Induktion
Einordnung in den Lehrplan
Geeignet für: Sek.I, Klasse 9/10
Basiskonzept: Wechselwirkung
Sonstiges
Durchführungsform Demoexperiment, Schüler*innen-Experiment, Gruppenexperiment
Anzahl Experimente in dieser Unterkategorie 6
Anspruch des Aufbaus leicht und mittel
Informationen
Name: Katrin Hawer
Kontakt: hawerkat@gmail.com
Uni: Humboldt-Universität zu Berlin
Betreuer*in: Daniel Zechlin
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Der immer verfügbare elektrische Strom aus der Wand ist für uns heute das Selbstverständlichste auf der Welt, doch das war noch bis Mitte des 20. Jahrhunderts nicht der Fall gewesen. Unsere heute hochtechnisierte Welt beruht nicht zuletzt auf den physikalischen Erkenntnissen des 19. Jahrhunderts und im Fall des immer verfügbaren el. Stromes auf den Entdeckungen von Michael Faraday. Erst die Induktion hat die Gewinnung und den Transport des el. Stromes für jeden Haushalt und die Industrie möglich gemacht und ist in so manchen Gegenständen des täglichen Lebens zu finden, wie etwa in Fahrraddynamos, el. Zahnbürsten, Stromkabeln von Laptops und Spielekonsolen und ist unerlässlich für alle Steckdosen.
Und trotzdem haben viele Schülerinnen und Schüler keine Motivation sich mit dem Thema Induktion im Physikunterricht zu beschäftigen, ja mitunter sogar große Schwierigkeiten es zu verstehen.
Die vorliegende Experimentierreihe eignet sich für die Einführung in das Thema "Induktion" und soll den Schülern einen Einblick darüber verschaffen, wie Michael Faraday und seine Zeitgenossen mit Hilfe von Experimenten Erkenntnisse gewonnen und welche Schwierigkeiten sie dabei überwunden haben.


Didaktischer Teil

Schülerinnen und Schülern werden im Physikunterricht so manche Definitionen, Formeln oder auch Hauptsätze gegeben, die ihnen die Physik erklären und beim lösen von Aufgaben oder Problemstellungen helfen sollen. Dabei werden die Namen von großen Forschern (Physikern und Mathematikern) wie von Helden oder Göttern vorgebetet und nur wenige Schüler verstehen dabei die tatsächlichen physikalischen Gesetzmäßigkeiten hinter den Formeln, Definitionen und Sätzen sofort, oder sind gar in der Lage hinter den "ach so großen Namen" echte Menschen zu sehen, die damals nicht einfach so mit dem Finger schnipsten und ihre Lösung präsentierten, sondern zahlreiche Stunden an Arbeit und Überlegungen für diese Erkenntnisse investierten.
Mit der vorliegenden Versuchsreihe soll das Thema der Induktion und mit ihr auch der große Michael Faraday entmystifiziert werden. Dabei soll er weder herabgewürdigt, noch seine bahnbrechenden Forschungen kleingeredet werden. Es soll eher ein Einblick in die Zeit, in welcher Faraday lebte, und in seine Vorgehensweise und Motivation, sich mit diesem Thema zu beschäftigen, gegeben werden. Vielleicht ist es sogar für viele Schüler eine Erleichterung zu wissen, dass M. Faraday nur rudimentäres Wissen über die Mathematik besaß und dennoch zu den größten Forschern der Physik gehörte. Während seiner ganzen Forschungen in der Physik oder Chemie benutzter er nie mathematische Formeln, oder entwickelte sie gar. Im Gegenteil, Faraday unterhielt mit Ampère einen regen Briefwechsel, in dem er die Richtigkeit oder Interpretation der von Ampère aufgestellten Mathematik infrage stellte und um Erklärung bat.
An dieser Stelle sollte erwähnt werden, dass Faraday aus armen Verhältnissen stammte und somit nur eine sehr einfache und kurze Schulbildung genossen hatte und schon mit 13 Jahren ein Probejahr (heute würde man Praktikumsjahr sagen) als Buchbinder begonnen hatte. Mit 14 Jahren begann er seine Ausbildung zum Buchbinder, die 7 Jahre dauerte und währenddessen er die Bücher lieber las als sie zu binden. Was Faraday auszeichnete, waren sein Wissensdurst und seine Hartnäckigkeit. Indem er sich Wissen aus Büchern aneignete, einfache Experimente nachbaute und in Vorlesungen ging, die er mitschrieb und zu Hause ausarbeitete, erwarb er sich die Anerkennung von Sir Humphry Davy und wurde mit 22 Jahren dessen Assistent. So war er an Forschungen beteiligt, bereiste Europa und begann schließlich selbst seine Forschungen.
Die 6 hier beschriebenen Experimente bilden die chronologischen Eckpunkte von Michael Faraday´s Forschungen zur Induktion und erstrecken sich etwa über 20 Jahre. Zudem stammen nicht alle Versuchsaufbauten von Faraday selbst, sondern von anderen Forschern und Zeitgenossen, die diese publizierten. Seine Neugierde und der Drang des Verstehens veranlassten ihn, die Beobachtungen und Erkenntnisse von anderen mit seinem Wissen aus seinen eigenen Forschungen, der Buchbinderei und dem Beruf seines Vaters, der Grobschmid war, zu verbinden.Daraus erschlossen sich für ihn neue Experimente, die schließlich zu seinen bis heute bekannten Ergebnissen führten.
Für die Schüler soll anhand dieses Beispiels gezeigt werden, dass Physik nicht „trocken, langweilig und mathematisch“ ist, sondern dass das Verstehen der Physik mit einem Phänomen beginnt, welches zu einem Problem führt. Mit Neugierde beginnt die Problemlösung: Das Recherchieren, Nachfragen und das Zusammenfügen von allem was man weiß. Und erst im Zusammenspiel mit der eigenen Fantasie werden daraus die Ideen für Versuche und Lösungsansätze geboren. Hartnäckigkeit und Wille lässt einen nicht aufgeben, auch wenn einmal etwas nicht so funktioniert, wie man sich das vorstellt und bringt schließlich den Erfolg der Erkenntnis.


Versuchsanleitung

Die nachfolgenden 6 Versuchsaufbauten sind nur eine kleine Auswahl aus dem umfangreichen Experimentierkatalog von Michael Faraday, welche aber einen chronologischen Überblick über die Entdeckung der Induktion bieten.
Diese Experimente können so als Lehrerexperimente für eine Einführungsstunde verwendet werden, oder einzeln für Schülerexperimente bzw. mit weiteren Versuchen für das Arbeiten an Stationen benutzt werden. [1] [2] [3] [4]


Volta Element

Bevor Alessandro Volta im Jahre 1800 seine Voltasche Säule vorstellte, war man bei der Erforschung der Elektrizität auf Naturphänomene und einige wenige Versuchsanordnungen mit Bernstein und Tierfällen angewiesen. Die Voltasche Säule, oder auch Volta Element genannt, war die erste Batterie und somit zum ersten Mal zuverlässige Quelle für elektrische Energie, die jedoch zeitlich begrenzt war. [5].
William Cruickshank entwickelte das Voltasche Element weiter und brachte 1802 die Trog-Batterie auf den Markt, welche von Michael Faraday für seine Experimente zur Elektrizität und Induktion genutzt wurden. Hierbei verwendete er Trog-Batterien mit 10, 100 oder 120 Kupfer- und Zinkplattenpaaren, welche eine Größe von 4 Quadratzoll hatten (Kupfer doppelt genommen) und die mit Schwefel- und Salpetersäure betrieben wurden. [6]


Aufbau

Abb.2: Versuchsaufbau des Voltaelements
Abb.3: schematischer Versuchsaufbau des Voltaelements

Für den Aufbau des Experiments werden die folgenden Materialien benötigt:

  • (1): 5 Bechergläser
  • (2): 6 Experimentierkabel
  • (3): 10 Krokodilklemmen
  • (4): 1 Digitalmultimeter
  • (5): 5 Kupferplatten (aus dem Elektrolyse-Experimentierkoffer)
  • (6): 5 Zinkplatten (aus dem Elektrolyse-Experimentierkoffer)
  • (7): 1 Becherglas mit gesättigter Salzlösung
  • (8): Isoliermaterial


Mit Hilfe der (3) Krokodilklemmen werden in jedem (1) Becherglas je eine (5) Kupfer- und (6) Zinkplatte so befestigt, dass sich die Platten nicht berühren können und auch keinen Berührungspunkt mit dem Glas selbst haben ((8) Isoliermaterial verwenden).
Alle (1) Gläser werden dann mit (2) Experimentierkabeln so in Reihe geschaltet, dass jedes (2) Kabel je eine (5) Kupferplatte mit einer (6) Zinkplatte verbindet.
Die erste (5) Kupferplatte und die letzte (6) Zinkplatte werden nun mit (2) Experimentierkabeln an das (4) Digitalmultimeter angeschlossen.
In einem (7) separaten Becherglas wird Speisesalz in Leitungswasser aufgelöst, bis eine gesättigte Salzlösung entstanden ist.


Durchführung

Abb.4: geschlossener Stromkreis des Voltaelements

Das Digitalmultimeter wird auf die Messung von Gleich-Spannung im einstelligen Voltbereich eingestellt. Bei trockener Luft sollte das Messgerät nun 0V anzeigen. Als nächstes werden die Bechergläser so mit der Salzlösung aufgefüllt, dass die Plattenpaare immer gleich tief in der Lösung hängen, wobei das Messgerät bei den ersten 4 Gläsern keine Veränderung des Messwertes anzeigen sollte. Wird nun auch das fünfte Glas mit der Lösung aufgefüllt, erkennt man eine Messwertveränderung sobald der Füllstand die Platten erreicht.


Ergebnisse

Zunächst beobachten die Schülerinnen und Schüler, dass beim Auffüllen der ersten 4 Bechergläser kein Ausschlag am Voltmeter zu erkennen ist. Erst wenn im fünften Glas die Metalplatten von der Salzlösung umspült werden schließt sich der Stromkreis und es ist ein Ausschlag am Voltmeter zu beobachten. Der angezeigte Wert bleibt eine gewisse Zeit erhalten, bis er schließlich langsam abfällt. Wird der Versuch nun mit nur einem Becherglas durchgeführt, zeigt das Voltmeter nur ein Fünftel der zuerst gemessenen Gleichspannung an. Zudem erhöht sich der Wert mit jedem Glas wieder um etwa den Wert eines Becherglases.


Auswertung

In der Salzlösung lösen sich Metalle langsam auf und setzen dabei positive Ionen und negative Elektronen frei, wobei deren Anzahl je nach Metall unterschiedlich ist. Einige der Ionen wandern in die Salzlösung, die dadurch positiv geladen wird, was zu einer Potenzialdifferenz zwischen Lösung und Metallplatte führt, da die Platte einen Elektronenüberschuss aufweist und somit negativ geladen ist. Werden nun zwei verschiedene Metalle, wie hier Kupfer und Zink, in die Lösung getaucht, kann man durch die verschiedenen Potenzialdifferenzen eine Spannung zwischen den Platten messen.
Durch die Reihenschaltung der einzelnen Bechergläser, welche mit Experimentierkabel leitend verbunden sind, addieren sich die Spannungen der einzelnen Plattenpaare auf. Jedoch kommt es erst zu einem elektrischen Stromfluss, wenn ein Lastwiderstand angeschlossen wird. Zudem ist je nach Größe und Qualität der Kupfer- und Zinkplatten sowie der verwendeten Flüssigkeit mit unterschiedlichen Messwerten zu rechnen.


Sicherheitshinweise

Wird der Versuch mit Salzlösung durchgeführt ist auf eine wasserfeste und ebene Arbeitsfläche ohne Steckdosen oder andere Stromquellen zu achten. Zudem kann Salzwasser zu Verfärbungen oder Schäden an Textilien führen.
Sollte mit Säuren gearbeitet werden, müssen unbedingt die Sicherheitshinweise auf den Säurebehältern eingehalten werden! Zudem ist dann auf die Verwendung des Experiments als Schülerexperiment zu verzichten (Sek 1).


Auslenkung einer Kompassnadel an einem stromdurchflossenen Leiter

Die Veröffentlichung der Ergebnisse von Hans Oersted am 21.07.1820, die er aus dem Experiment der Ablenkung einer Kompassnadel an einem Stromdurchflossenen Leiter gemacht hatte, brachte auch andere Physiker, darunter Ampère, Arago und Davy dazu, diese Ergebnisse weiter zu untersuchen. Das Ergebnis war die Theorie der „Magnetfeldlinien“, jedoch konnte noch niemand genau sagen warum und durch was diese erzeugt wurden bzw. wie sie genau verlaufen. Ein befreundeter Redakteur bat Michael Faraday 1821 um einen Übersichtsartikel aller Erkenntnisse, die es zum damaligen Zeitpunkt über die Elektrizität gab. Dazu nahm er sich die Veröffentlichungen von 20 Forschern, rekonstruierte deren Experimentieraufbauten und brachte deren Entdeckungen und Ergebnisse zusammen. Nach mehreren Monaten konnte er schließlich die Gestalt der Magnetfeldlinien beschreiben und hatte auch eine Theorie zu deren Entstehung.

Abb.5: Bauelemente des Versuchs

Historischer Aufbau nach Hans Oersted: Ein Volta-Element mit ca. 20V wird mit einem waagerecht gespannten Draht verbunden, unter dem eine Kompassnadel steht. [7]


Aufbau

Abb.6: Versuchsaufbau
Abb.7: Versuchsaufbau Deteil

Aufbau des Experiments werden die folgenden Materialien benötigt:

  • (1): 4 Experimentierkabel
  • (2): 2 Stativfüße
  • (3): 2 Stativstangen (unterschiedlicher Länge)
  • (4): 0,5m Kupferdraht (ohne Isolierung)
  • (5): 2 Kompassnadeln mit Halterung
  • (6): 1 12V Gleichspannungsquelle (max. 5A)
  • (7): 2 isolierte Halter für Drahtleitungen
  • (8): 1 Steckbrettchen
  • (9): 1 Schalter
  • (10): 1 Glühlampe 6V mit Halterung für eine Steckplatte
  • (11): Unterleg-Holtz
  • (12): 2 Halterzwingen
Abb.8: schematischer Versuchsaufbau


Es werde je ein (7) isolierter Halter, mit einer (12) Halterzwinge, an einer (3) Stativstange befestigt und in einen (2) Stativfuß gestellt. Der (4) Kupferdraht wird zu einer "Stufe" gebogen und horizontal in die (7) isolierten Halter eingespannt, so dass ein Teilstück senkrecht und mindestens eines waagerecht verläuft. Die (5) Kompassnadeln werden so positioniert, dass eine direkt unter dem waagerechten Teilstück und eine nahe am senkrechten Teilstück steht (für die richtige Höhe hier das (11) Unterleg-Holtz verwenden), aber den (4) Draht nicht berühren! Die (7) isolierten Halter werden mit je einem (1) Experimentierkabel an der (6) 12V Gleichspannungsquelle und der (10) Glühlampe, welche auf dem (8) Steckbrettchen sitzt, angeschlossen. Die (10) Glühlampe muss nun mit dem (9) Schalter über ein (1) Experimentierkabel verbunden werden, welcher seinerseits ebenfalls mit einem (1) Experimentierkabel an der (6) Gleichspannungsquelle angeschlossen ist und so den Stromkreis schließt. Es ist bei der Ausrichtung des (4) Drahtes darauf zu achten, dass die (5) Kompassnadeln im Erdmagnetfeld mit dem (4) Draht ausgerichtet sind, heißt: Die Spitzen der Kompassnadel unter dem Draht liegen direkt unter diesem und am senkrechten Teilstück zeigt eine Spitze direkt auf den Draht und die Andere davon weg.


Durchführung

Zu Beginn des Versuches ist der Schalter geöffnet und die Spannungsquelle eingeschaltet. Schließt man nun den Schalter und schließt den Stromkreis, beginnen sich die Kompassnadeln zu drehen. Zudem zeigt die Glühbirne durch aufleuchten, den Stromfluss an. Sind die Kompassnadeln zur Ruhe gekommen, wird der Schalter wieder geöffnet und die Nadeln kehren zu ihrer Anfangsposition zurück.
Zudem kann man bei geschlossenem Stromkreis die Kompassnadeln um den Draht herumbewegen und so eine Rotationbewegung beobachten.


Ergebnisse

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Video 2: Versuchsdurchführung
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Video 1: Groß-Ansicht der sich bewegenden Kompassnadel

Die Schülerinnen und Schüler können beim Schließen des Stromkreises beobachten, wie die Kompassnadeln eine sich langsam verringernde Pendelbewegung ausführen, bis sich die Nadel unter dem waagerechten Drahtteilstück senkrecht zur ursprünglichen Ausrichtung im Magnetfeld der Erde und somit zum Draht selbst sowie die Nadelspitze am senkrechten Teilstück weg positioniert haben. Bewegt man nun die Nadel am senkrechten Teilstück langsam um den Draht herum, dreht sich die Nadelspitze immer mit und bleibt etwa im selben Abstand vom Draht entfernt. Öffnet man den Schalter wieder, setzt eine erneute Pendelbewegung ein und die Kompassnadeln nehmen ihre ursprüngliche Position wieder ein. Werden nun die Kabel an der Spannungsquelle getauscht, also der Stromfluss im Stromkreis umgekehrt, können die Schüler beim Schließen des Schalters eine Pendelbewegung der Nadeln in die andere Richtung beobachten. Bewegt man die Kompassnadeln jedoch zu weit vom Draht weg, ist eine Abschwächung der Auslenkung bis hin zu keiner Reaktion der Nadeln auf den Stromfluss im Draht zu beobachten.


Auswertung

Die Schülerinnen und Schüler wissen, dass sich Kompassnadeln am Magnetfeld der Erde ausrichten und somit Nord und Süd anzeigen. Da ohne geschlossenen Schalter kein Stromfluss existiert und die Kompassnadeln sich nur an dem Erdmagnetfeld ausrichten, muss die Bewegung der Nadeln beim Schließen des Stromkreises auf das Entstehen eines anderen Magnetfeldes zurückgeführt werden. Dieses Magnetfeld lässt sich in Ausdehnung und Richtung durch Verschieben der Nadeln verdeutlichen und so die Abhängigkeit des Magnetfeldes von der räumlichen Distanz bestimmen. Zudem lässt sich bei der Stromflussänderung auch die Richtungsänderung des entstandenen Magnetfeldes beobachten. Damit kann man mit den Schülerinnen und Schülern die Entstehung von Magnetfeldern in stromdurchflossenen Leitern und deren Einfluss auf die nähere Umgebung diskutieren.


Sicherheitshinweise

!ACHTUNG! Nicht isolierter Draht! Die Gefahr eines Stromschlages ist gegeben und erfordert Umsicht beim Experimentieren. Daher nur bedingt als Schülerexperiment geeignet, jedoch gibt es auch fertige Versuchsaufbauten aus dem Handel welche sich mitunter für Schüler eignen. Man sollte zudem den Kontakt der Kompassnadeln mit dem Draht vermeiden. Die separaten Sicherheitshinweise und die Gebrauchsanleitung der Spannungsquelle sind zu beachten und einzuhalten!


Aragos Rad Teil 1

Im Jahre 1824 machte Dominique Francois Aragos während geomagnetischer Messungen mit seinem Förderer Alexander von Humboldt Beobachtungen die für ihn zwar interessant, aber deren Zusammenhang mit Elektrizität für ihn nicht zu erkennen waren. Er beschrieb die Rotation einer Magnetnadel unter einer Metallscheibe, welche schneller gestoppt wurde als ohne. Zudem wurde die Magnetnadel bei Rotation der Metallscheibe abgelenkt. Diese Beobachtungen sollten Jahre später für M. Faraday von Bedeutung werden.
Historischer Aufbau: Es hängt eine Magnetnadel an einem Faden dicht über einer Metallscheibe, wobei Kupfer besser ist als Eisen, die rotierbar ist. [8]


Aufbau

Abb.9: Versuchsaufbau
Abb.10: schematischer Versuchsaufbau

Für den Aufbau des Experiments werden die folgenden Materialien benötigt:

  • (1): 6 Stativstangen (keine magnetisierbaren Metalle, am besten Alu)
  • (2): 2 Stativfüße
  • (3): 7 Halterzwingen
  • (4): 2 Winkelhalterzwingen
  • (5): 1 Riemenscheibe mit Handkurbel (54855)
  • (6): 1 Drehlager, groß Phywe
  • (7): 1 Treibriemen (54855)
  • (8): 1 kleiner Stabmagnet
  • (9): 0,3m Angelsehne
  • (10): Klebeband
  • (11): 1 Spitze mit Schraubenkopf
  • (12): 1 Halterung für die Nadel
  • (13): 1 Kupferscheibe (mit zentralem Bohrloch für die Nadel)


Zwei lange (1) Stativstangen werden in die (2) Stativfüße gespannt und je eine (3) Halterzwinge über den (2) Füßen befestigt. Eine weitere lange (1) Stativstange wird waagerecht in die (3) Halterzwingen für einen festen Abstand gespannt. Über diesen ersten (3) Halterzwingen werden wieder je (3) Eine mit jeweils einer kurzen (1) Stativstange befestigt. An die Enden der kurzen (1) Stangen werden mit (3) Halterzwingen die (5) Kurbel und die (6) Drehlager befestigt, welche mit dem (7) Übersetzerriemen verbunden sind, der auf Spannung gebracht wird. Zudem ist für einen stabileren Aufbau eine weitere (1) Stativstange, welche mit den (4) Winkelhalterzwingen an den kurzen (1) Stangen befestigt wird, notwendig. In der (6) Drehlager sollte nun die (11) Spitze eingespannt werden (sollte die Feststellschraube aus Eisen bestehen kann man die (11) Spitze auch mit Pappe sicher befestigen) und zwar so, dass sie senkrecht steht sowie eine Drehbewegung ausführen kann und nicht in einem Kreis rotiert. Auf der (11) Spitze befestigt man die (13) Kupferscheibe, welche waagerecht austariert sein sollte. Zuletzt bringt man den (8) Stabmagneten mit dem (10) Klebeband so an die (9) Angelsehne an, dass er waagerecht über der Mitte der (13) Kupferscheibe (Spitze der (11) Spitze) hängt, indem das Ende (9) Angelsehne an eine weitere (1) Stativstange geklebt wird, welche wieder mit einer (3) Halterzwinge am oberen Ende der langen waagerechten (1) Stativstange befestigt wird, an der sich auch die (6) Drehlager befindet.


Durchführung

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Video 3: Versuchsdurchführung

Um aufzuzeigen, dass der gesamte Aufbau keinen Einfluss auf den Magneten hat, wird nur die Kupferplatte von der Nadel entfernt und die Kurbel gedreht. Der Magnet sollte in seiner Ausrichtung am Erdmagnetfeld nicht gestört werden.
Nachdem die Kupferplatte nun wieder auf der Nadel platziert wurde, dreht man die Kurbel erneut und der Magnet beginnt sich nach einigen Pendelbewegungen zu drehen. Je nachdem wie schnell die Kurbel gedreht wird, also wie schnell sich die Kupferplatte dreht, setzt die Drehbewegung des Magneten schneller ein.


Ergebnisse

Die Schülerinnen und Schüler sollten sich erst davon überzeugen, dass es allein die Kupferscheibe ist, welche den Magneten zur Auslenkung bringt. Dazu wird der Versuch ohne Kupferplatte durchgeführt, also die Kurbel betätigt.
Setzt man die Platte wieder auf die Nadel und dreht die Kurbel langsam (also auch die Kupferplatte) können die Schülerinnen und Schüler nach den ersten Umdrehungen der Platte eine Schwingbewegung des Magneten um seinen Aufhängungspunkt beobachten, welche nach weiteren kontinuierlichen Drehungen der Platte zu einer Drehbewegung wird. Je schneller die Drehbewegung der Platte aber ist, umso schneller tritt der Effekt ein, aber es kommt auch vermehrt zu Pendelbewegungen des Magneten an der Angelsehne, so dass der Magnet unkontrolliert über der Kupferplatte schwingt.


Auswertung

Der Stabmagnet hat sich an der Angelsehne wie ein Kompass nach dem Erdmagnetfeld ausgerichtet und beeinflusst mit seinem eigenen Magnetfeld die direkt unter ihm befindende Kupferplatte. Wird nun die Kupferplatte in Rotation versetzt, bewegt sie sich im Magnetfeld des Stabmagneten und es wird ein elektrisches Feld erzeugt, welches die Kupferelektronen in Bewegung versetzt. Wobei die Elektronen sich im Kreis um die Pole des Magneten bewegen, jedoch in entgegengesetzter Richtung. Es fließt also ein elektrischer Strom.
Dieser Strom erzeugt selbst ein Magnetfeld und beeinflusst den Magneten über der Kupferplatte. Je nachdem wie rum der Strom im Kreis fließt, zieht er den Nordpol des Magneten an, oder stößt ihn ab. Ist die Drehbewegung der Platte ausreichend schnell, wird das elektromagnetische Feld der Platte so stark, dass der Magneten sich anfängt zu drehen.
Hält man die Platte an, ist es der Magnet, der ein sich bewegendes Magnetfeld erzeugt und somit wieder einen el. Strom in der Kupferplatte. Das so entstandene elektromagnetische Feld bremst die Drehbewegung des Stabmagneten an der Angelsehne.


Sicherheitshinweise

Der gesamte Versuchsaufbau sollte standfest sein und nicht beim Drehen der Kurbel wackeln oder gar kippen. Da hier weder mit Stromquellen noch mit Chemikalien experimentiert wird, eignet sich der Aufbau gut für Schüler oder Gruppenexperimente.


Eisenring mit Kupferdrahtspulen

Abb.11: Nachbau der Faraday-Spule

Aus den Experimentaltagebüchern von M. Faraday ist nicht ersichtlich, warum er nach Jahren der chemischen Forschungen am 29.08.1831 ein Experiment durchführte, mit dessen Hilfe er die volta-elektrische Induktion entdeckte. Jedoch war dies der Anfang von monatelangen Forschungen zu diesem Thema. An dieser Stelle ist anzumerken, dass das einzige Messgerät der damaligen Zeit das Galvanometer war. Dieses Messgerät ist jedoch träge und kann schnelle und kurzzeitige Änderungen in den zu messenden Werten nur bedingt anzeigen. Dies hatte zur Folge, dass Experimente, die heute mit modernen Messgeräten funktionieren, damals als Fehlversuche ohne Ergebnis angesehen wurden.

Abb.12: Bauelemente des Versuchs

Historischer Aufbau: Geschmiedeter Eisenring, der in 2 Seiten aufgeteielt ist, Seite A: 3 Kupferdrähte verbunden mit einem Volta-Element und Seite B: 2 Kupferdrähte verbunden mit einem Galvanometer in 3 Fuß Abstand. Die Kupferdrähte waren auf jeder Seite zu Spulen aufgewickelt, welche einzeln oder zusammen verwendet werden konnten. Damit sich die Drähte bzw. die einzelnen Drahtwindungen nicht berühren konnten, verwendete Faraday lackierten Stoff (aus der Buchbinderei) und Garn, so dass auf den Eisenring der Stoff befestigt wurde. Auf diesen Ring wird ein Draht als Spule aufgewickelt, wobei jede Windung von der Nächsten mit dem Garn getrennt ist. Auf die so entstandene Spule wurde erneut Stoff aufgebracht auf den wiederum eine weitere Spule mit Garn gewickelt wurde.[9]


Aufbau

Abb.13: Versuchsaufbau
Zum Aufbau des Experiments werden die folgenden Materialien benötigt:
  • (1): 1 Kochring mit Halterzwinge
  • (2): 1 Stativfuß
  • (3): 1 Stativstange
  • (4): Kupfer-Lackdraht 0,25mm mit 2x5m und 2x6,25m
  • (5): 1 Digitalmultimeter
  • (6): 4 Experimentierkabel
  • (7): 4 Krokodilklemmen
  • (8): 1 Spannungsquelle für Wechsel- und Gleichspannung (12V, max 5A, mit Drehregler)


Die (3) Stativstange wird in den (2) Stativfuß eingespannt und der (1) Kochring am oberen Ende waagerecht befestigt. Der zugeschnittene (4) Kupfer-Lackdraht wird nun an den (1) Kochring angebracht und zwar so, dass erst auf einer Seite mit einem 5m langen Stück, welches eng und ohne Überlappungen gewunden ist, eine Spule gewickelt wird. Auf diese Spule wird das zweite 5m (4) Drahtstück im selben Wicklungssinn zu einer zweiten Spule gewickelt. Die Drahtenden sollten dabei genügend lang sein, um beide Spulen zu einer verbinden zu können. Auf der anderen Seite werden die (4) 6,25m langen Drahtstücke genauso und im selben Wicklungssinn zu zwei aufeinander liegenden Spulen gewickelt. Die Spulen beider Seiten dürfen sich dabei nicht berühren. Um die (8) Spannungsquelle mit den Spulen der einen Seite zu verbinden, nimmt man zwei (6) Experimentierkabel, welche an einem Ende mit (7) Krokodilklemmen ausgestattet sind. Die (7) Klemmen dienen als Halterung der (6) Experimentierkabel an den (4) Drahtenden (eine am Anfang der Spule, eine am Ende) welche entweder zu den Wechsel- oder Gleichspannungsbuchsen der (8) Spannungsquelle führen. Auf der anderen Seite werden die Spulen mit (7) Klemmen und (6) Experimentierkabeln mit dem (5) Digitalmultimeter verbunden.

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Video 4: Versuchsdurchführung für die Gleichspannungsquelle


Durchführung

Die Spannungsquelle wird auf Gleichstrom eingestellt und der Versuchsaufbau an die entsprechenden Buchsen angeschlossen. Auch das Messgerät ist für die Gleichspannung einzustellen. Zu Beginn wird auf beiden Seiten des Ringes nur je eine Spule, die Unterste, mit der Stromquelle und dem Messgerät verbunden. Nun den Drehregler auf 0V einstellen und die Stromquelle einschalten. Für den Versuch muss der Drehregler schnell gedreht werden, erst die Volt-Zahl hoch drehen, 5 Sekunden warten und wieder schnell auf 0V drehen.
Für den zweiten Teilversuch wird sowohl die Spannungsquelle, als auch das Messgerät auf Wechselspannung einstellt und gegebenenfalls die Anschlussbuchsen gewechselt. Den Drehregler auf 0V einstellen und die Stromquelle einschalten. Beim langsamen Hochdrehen der Volt-Zahl das Messgerät beobachten, man braucht nicht die maximale Spannung einzustellen.
Als dritten Teilversuch können die Spulen auf beiden Seiten in unterschiedlichen Konstellationen an die Wechselspannungsquelle und das Messgerät angeschlossen werden, um den Transformator mit den Schülern diskutieren zu können. (Wurde in dieser Versuchsreihe nicht verwendet, da die verwendeten Materialien keine guten Messergebnisse zuließen)

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Video 5: Versuchsdurchführung für eine Wechselspannungsquelle


Ergebnisse

Die Schülerinnen und Schüler können im ersten Teilversuch beobachten, dass beim schnellen Hochdrehen der Voltzahl an der Gleichspannungsquelle das Messgerät nur für einen kurzen Augenblick einen Ausschlag anzeigt und dann wieder auf Null fällt, die Spannung an der Spannungsquelle aber weiterhin hoch eingestellt bleibt. Wird die Spannung dann wieder schnell runtergedreht, kommt es erneut zu einem kurzen Ausschlag der Messanzeige.
Im zweiten Teilversuch beobachten die Schüler jedoch, dass beim langsamen Hochregeln der Voltzahl die Messanzeige ebenfalls langsam steigt und dauerhaft einen Wert anzeigt, sobald an der Spannungsquelle der Regler auf einen Wert eingestellt bleibt.


Auswertung

Teilversuch 1:.
Durch das Hochdrehen der Spannung baut sich in der Spule ein Magnetfeld auf, welches durch den Kochring auch auf die zweite Spule wirkt. In dieser Spule werden dadurch die Elektronen in Bewegung versetzt, was zum Ausschlag der Messanzeige führt. Ist die Spannung an der ersten Spule jedoch konstant, ist auch das Magnetfeld konstant und die Elektronen in der zweiten Spule führen keine Bewegung aus. Wird die Spannung nun wieder schnell auf Null abgesenkt, verändert sich auch das Magnetfeld im Kochring und die Elektronen in der zweiten Spule bewegen sich zurück. Die Messanzeige zeigt einen negativen Wert.

Teilversuch 2:.
Wie der Name es sagt, gibt uns die Wechselspannungsquelle nun eine ständig wechselnde Spannung und verhält sich automatisch so, wie im Teilversuch 1 per Drehregler bekannt. Durch die sich ständig ändernde Spannung entsteht ein sich ständig änderndes Magnetfeld in der ersten Spule und wirkt durch den Kochring auf die zweite Spule. Die Elektronen in dieser Spule bewegen sich deshalb immer hin und her, was als konstante Anzeige auf dem Messgerät abzulesen ist. Hierbei gibt das Messgerät uns den Scheitelwert der Wechselspannung an und nicht die sich immer von negativ zu positiv wechselnden Werte.

Beim Aufbau und der Durchführung dieses Versuches gab es auf Grund der verwendeten Materialien große Probleme. Der verwendete Kochring war weder homogen geformt (an drei Stellen war das Material verformt, um als Auflagefläche zur besseren Stabilität zu dienen) noch war das Material durchgehend (Luftspalt an der Stelle, wo die Stabenden zum Ring zusammengebogen wurden) und statt aus Eisen war er aus Edelstahl gefertigt. Bei einem Nachbau empfiehlt sich ein homogener Eisenring, welcher sauber verschweißt ist, um gute Ergebnisse zu erzielen.


Sicherheitshinweise

ACHTUNG SPANNUNG UND FREILIEGENDE DRÄHTE! Schüler sollten diesen Versuch nur unter Aufsicht selber durchführen.


Zylinderspule mit Stabmagneten

Nachdem Faraday mit einer Batterie, einer Drahtspule und Eisen als Medium, in einer zweiten Spule einen Strom induzieren konnte, überlegte er, ob dies nicht auch ohne eine Batterie umsetzbar wäre.

Abb.14: Versuchsaufbau

Historischer Aufbau: Über einen Weicheisenzylinder wurde eine Papprolle mit Drahtspulen (8 Kupferdrähte, zusammen 220 Fuß, ca. 67m) geschoben und 2 Stabmagnete (24 zoll lang, also 0,61m), oben einer mit Südpol und unten einer mit Nordpol, an den Zylinder gelegt. Die Spule wurde er mit einem Galvanometer in 3 Fuß (0,91m) Entfernung verbunden.


Aufbau

Abb.15: Bauelemente des Versuchs

Zum Aufbau des Experiments werden die folgenden Materialien benötigt:

  • (1): 5 Experimentierkabel
  • (2): 1 Stativfuß
  • (3): 2 Stativstangen (eine aus Eisen eine aus Aluminium)
  • (4): 2 große Stabmagnete
  • (5): 1 Digitalmultimeter
  • (6): 3 Reagenzglasklemme


Drei (1) Experimentierkabel werden zu einem Kabel zusammengesteckt und als Spule um die (3) Eisenstange gewickelt. Um ein Abwickeln zu verhindern wird die (3) Eisenstange mit zwei (6) Reagenzglasklemmen an der (3) Alustange, welche im (2) Stativfuß eingespannt ist, befestigt. Mit einer (6) Reagenzglasklemme wird nun ein (4) Stabmagnet am unteren Ende der (3) Alustange so befestigt, dass der Südpol am unteren Ende der (3) Eisenstange anliegt (das Foto zeigt zwei, da hier versucht wurde das Magnetfeld zu verstärken). Die beiden Enden der (1) Experimentierkabelspule verbindet man mit den zwei restlichen (1) Experimentierkabeln die an dem (5) Digitalmultimeter angeschlossen sind, welches auf Gleichspannung eingestellt sein sollte.


Durchführung

Der zweite Stabmagnet wird mit dem Nordpol von oben an die Eisenstange herangeführt, berührt diese und wird nach 15 Sekunden wieder entfernt. Nach drei Durchläufen kann das Berühren und Entfernen in schneller Abfolge durchgeführt werden.


Ergebnisse

Die Schülerinnen und Schüler erkennen beim Beobachten des Versuches, dass ein einzelner Magnet, welcher die Eisenstange mit der Spule berührt, wohl keinen Einfluss hat, es also keine Anzeige auf dem Multimeter gibt. Wird der zweite Stabmagnet mit dem Nordpol von oben an das obere Ende der Eisenstange herangeführt, ändert sich die Anzeige des Multimeters und die Schüler können einen kurzen Ausschlag erkennen, der jedoch gleich wieder auf Null fällt, sobald der Magnet die Eisenstange berührt und nicht mehr bewegt wird. Es ist auch solange keine Veränderung in der Messanzeige zu beobachten, bis der Magnet von der Eisenstange wieder entfernt wird und so ein erneuter kurzer Ausschlag, dieses Mal allerdings mit negativem Vorzeichen, zu beobachten ist. Wiederholen die Schülerinnen und Schüler den Vorgang des Heranführens, des Berührens und des Entfernens des Magneten von der Eisenstange mit der Spule, so ist auf der Anzeige des Multimeters eine ständige Änderung der Spannung von positiv zu negativ für sie zu erkennen.

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Video 6: Versuchsdurchführung


Auswertung

Da der Magnet die Eisenstange am unteren Ende berührt und Eisen magnetisierbar ist, hat sich ein Magnetfeld in der Eisenstange eingestellt. Dieses Magnetfeld hat wiederum Einfluss auf die Spule welche um die Stange herumgewickelt ist. Indem man nun den zweiten Magneten an den Aufbau annähert, stört er dieses Magnetfeld. Hier liegt am unteren Ende der Südpol am Eisen an und am oberen Ende wird ein Nordpol angelegt, was zur Folge hat, dass das Magnetfeld in der Eisenstange verstärkt wird. Das Magnetfeld bewegt sich also kurzzeitig, was zur Folge hat, dass sich Kupferelektronen in der Spule kurzzeitig bewegen. Diese Bewegung induziert einen Strom (Spannungsdifferenz), welcher mit Hilfe eines Spannungsmessgerätes angezeigt werden kann. Sobald der zweite Magnet sich nicht mehr bewegt, bewegt sich auch das Magnetfeld und damit auch die Elektronen nicht mehr und die Anzeige fällt wieder auf Null. Wird der Magnet am oberen Ende wieder entfernt, wird auch das Magnetfeld in der Eisenstange schwächer und die Elektronen in der Spule bewegen sich in die andere Richtung zurück. Dieses "Zurückrichten" wird als negative Anzeige auf dem Messgerät sichtbar.


Sicherheitshinweise

Es ist auf einen festen Stand des Versuchsaufbaus zu achten. Da für diesen Versuch starke Magnete verwendet werden, sollten technische Geräte wie Mobiltelefone, Festplatten etc. vom Versuchsplatz entfernt werden und Schüler mit Herzschrittmacher, Hörgerät oder ähnlichem den Versuch nur unter Aufsicht durchführen.


Aragos Rad Teil 2

Durch das Experiment mit der Zylinderspule und den Stabmagneten hatte Faraday Elektrizität erhalten und hoffte nun aus dem Versuch "Aragos Rad Teil 1" eine Elektrizitätsquelle erhalten zu können. Dazu wollte er mit Hilfe erdmagneto-elektrischer Induktion eine neue Elektrisiermaschine bauen.
Historischer Aufbau: Ein Magazin mit 450 Magnetstäben (jeder Stab 15 Zoll lang (38cm), 1 Zoll breit (2,54cm) und 0,5 Zoll dick (1,27cm)) mit erhöhten Polen, auf die 2 Eisenstäbe zum Zentrieren angebracht wurden. Eine Kupferplatte (12 Zoll (30,48cm), 1/5 Zoll dick (0,5cm)) auf einer Messingachse wurde zwischen die Eisenstäbe positioniert. Der Rand und die Mitte der Scheibe war amalgamiert (Amalgam aufgetragen zur Abnahme des Stromes). [10] Ein Stromabnehmer zwischen den Polen der Batterie und einer in der Mitte der Platte, welche mit einem Galvanometer verbunden waren.


Aufbau

Abb.16: Kupferscheibe mit Stromabnehmern
Abb.17: Aufbau der Scheibe mit Stromabnehmern
Abb.18: Schematische Skizze des Aufbaus

Für den Aufbau des Experiments werden die folgenden Materialien benötigt:

  • (1): 6 Stativstangen (keine magnetisierbaren Metalle, am besten Alu)
  • (2): 2 Stativfüße
  • (3): 10 Halterzwingen
  • (4): 2 Winkelhalterzwingen
  • (5): 1 Riemenscheibe mit Handkurbel (54855)
  • (6): 1 Drehlager, groß Phywe
  • (7): 1 Treibriemen (54855)
  • (8): 1 Spitze mit Schraubenkopf
  • (9): 1 Halterung für die Nadel
  • (10): 1 Kupferscheibe (mit zentralem Bohrloch für die Nadel)
  • (11): 2 Stromabnehmer (Litzendraht mit Verbindungsstück für die Experimentierkabel)
  • (12): 2 Experimentierkabel
  • (13): 1 Digitalmultimeter
  • (14): 1 Hufeisenmagnet mit zwei Eisenstiften zum zentrieren
  • (15): 1 Klemmhalterung für den Magneten


Zwei lange (1) Stativstangen werden in die (2) Stativfüße gespannt und je eine (3) Halterzwinge über den (2) Füßen befestigt. Eine weitere lange (1) Stativstange wird waagerecht in die (3) Halterzwingen, für einen festen Abstand, gespannt. Über diese ersten (3) Halterzwingen wird wieder je (3) Eine mit jeweils einer kurzen (1) Stativstange befestigt. An die Enden der kurzen (1) Stangen werden mit (3) Halterzwingen die (5) Kurbel und die (6) Drehlager befestigt, welche mit dem (7) Übersetzerriemen verbunden sind, der auf Spannung gebracht wird. Zudem ist für einen stabileren Aufbau eine weitere (1) Stativstange, welche mit den (4) Winkelhalterzwingen an den kurzen (1) Stangen befestigt wird, notwendig. In der (6) Drehlager sollte nun die (8) Spitze in der (9) Halterung eingespannt werden (sollte die Feststellschraube aus Eisen bestehen, kann man die (8) Spitze auch mit Pappe sicher befestigen) und zwar so, dass sie senkrecht steht sowie eine Drehbewegung ausführen kann und nicht in einem Kreis rotiert. Auf der (8) Spitze befestigt man die (10) Kupferscheibe, welche waagerecht austariert sein sollte. Der (14) Hufeisenmagnet wird in die (15) Klemmhalterung eingespannt und diese mit einer (3) Halterzwinge an der senkrechten (1) Stativstange mit der (5) Kurbel fest gemacht. Es ist darauf zu achten, dass der äußerste Rand der (10) Kupferscheibe sich zwischen den Polen des (14) Magneten befindet. Die beiden Eisenstifte sollten je an einen der Pole gelegt und so positioniert werden, dass der Abstand zwischen Stiften und (10) Kupferscheibe möglichst gering ist, sie sich aber sich nicht berühren! Unter der (15) Klemmhalterung wird mit einer (3) Halterzwingen eine (1) Stativstange befestigt, an der mit je einer (3) Halterzwinge die (11) Stromabnehmer montiert werden. Hier ist darauf zu achten, dass ein (11) Stromabnehmer nahe der (8) Spitze die (10) Kupferscheibe (aber nicht die Spitze) von unten berührt und der Zweite nahe der (14) Eisenstifte. Die (10) Kupferscheibe muss bei diesem Versuch fest auf die (8) Spitze geschraubt werden (sie muss fest sitzen)! Zuletzt werden die (11) Stromabnehmer mit den (12) Experimentierkabeln an das (13) Digitalmultimeter angeschlossen, welches zur Messung von Gleichstrom eingestellt ist.


Durchführung

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Video 7: Versuchsdurchführung

Indem man die Kurbel betätigt, dreht sich die Kupferscheibe zwischen den Polen des Hufeisenmagneten und die Stromabnehmer unter der Scheibe schleifen dabei über deren Oberfläche.

Ergebnisse

Sobald sich die Kupferscheibe beginnt zu drehen können die Schülerinnen und Schüler beobachten, wann das Messgerät einen Stromfluss anzeigt. Wobei der Bildschirm des Digitalmultimeters einen Anstieg der Stromstärke anzeigt, je schneller sich die Scheibe dreht und sich diese minimiert, je langsamer sie dreht.


Auswertung

Indem ein kleiner Teil des Randes der Kupferscheibe sich zwischen den Polen des Magneten befindet, wirkt sein Magnetfeld am stärksten auf diesen Punkt ein. Beginnt sich die Scheibe nun zu drehen, bewegt sich das Magnetfeld immer am Rand der Scheibe entlang und erzeugt so einen Wirbelstrom in der Platte, da sich die Kupferelektronen durch das wechselnde Magnetfeld bewegen. Dieser Strom kann mit den Stromabnehmern und dem Multimeter nachgewiesen werden. Da hier die Kupferscheibe immer nur in eine Richtung gedreht wird, erhält man Gleichstrom. Auf diese Art funktioniert ein Fahrraddynamo.


Sicherheitshinweise

Es ist auf einen festen Stand des Versuchsaufbaus zu achten. Da für diesen Versuch ein starker Magnet verwendet wird, sollten technische Geräte wie Mobiltelefone, Festplatten etc. vom Versuchsplatz entfernt werden und Schüler mit Herzschrittmacher, Hörgerät oder ähnlichem den Versuch nur unter Aufsicht durchführen.


Literatur

  1. Schütz, W. 1982: Michael Faraday (aus der Reihe: Biographien hervorragender Naturwissenschaftler, Techniker und Mediziner); 4. Auflage, BSB B.G. Teubner Verlagsgesellschaft, Leipzig
  2. Lemmerich, J. 1991: Michael Faraday 1791-1867, Erforscher der Elektrizität; 1. Auflage, Verlag C.H. Beck, München
  3. Tricker, R.A.R. 1974: Die Beiträge von Faraday und Maxwell zur Elektrodynamik; 1. Auflage, WTB-Texte, Akademie-Verlag, Berlin
  4. Oettinger, A.J.v.1920: Experimental-Untersuchungen über Elektrizität von Michael Faraday (aus der Reihe: Ostwalds Klassiker der exakten Wissenschaft); 1. Auflage, Akademische Verlagsgesellschaft M.B.H., Leipzig
  5. Wikipedia: Voltasche Säule; https://de.wikipedia.org/wiki/Voltasche_S%C3%A4ule [26.09.2016]
  6. Wikipedia: Trog-Batterie; https://de.wikipedia.org/wiki/Trog-Batterie [26.09.2016]
  7. theguardian:Hans Christian Ørsted: what does he have in common with Stephen Hawking?, https://www.theguardian.com/news/datablog/2009/aug/14/hans-christian-orsted-science [26.09.2016]
  8. Sächsischer Bildungsserver - Serviceportal:Die historischen Experimente Faradays zur elektromagnetischen Induktion, http://www.sn.schule.de/~physik/induktion/i1b.php [26.09.2016]
  9. Sächsischer Bildungsserver - Serviceportal: Historisches Experiment Faradayscher Ring, http://www.sn.schule.de/~physik/induktion/i1c.php[26.09.2016]
  10. Sächsischer Bildungsserver - Serviceportal: Historisches Experiment rotierende Kupferscheibe Hufeisenmagnet, http://www.sn.schule.de/~physik/induktion/i1d.php [26.09.2016]

Siehe auch

Entdeckung der elektromagnetischen Induktion mit Hilfe der historischen Ringkernanordnung


Für Anwendungsbeispiele geeignet:.
Was war vor der Batterie:Ladungstrennung durch das Katzenfell.
Wo wird die Induktion verwendet:.
Grundlagen des Elektromotors anschaulich verstehen – Die Abhängigkeiten des Magnetfelds der endlichen Spule bestimmen.
Elektrische Zahnbürste als Anwendung der elektromagnetischen Induktion.
Modellexperiment zum Stromtransport.