Comment Bitte beachten Sie:
  • Alle Autoren akzeptieren mit dem Upload ihres Werkes die PhySX-Nutzungsbedingungen !
  • Sämtliche urheberrechtlich geschützte Medien, d.h. nicht-selbst erstellte Bilder, Medien und Videos werden kommentarlos gelöscht!

Entdeckung der elektromagnetischen Induktion mit Hilfe der historischen Ringkernanordnung

Aus PhySX - Physikalische Schulexperimente Wiki
Wechseln zu: Navigation, Suche
Entdeckung der elektromagnetischen Induktion mit Hilfe der historischen Ringkernanordnung
kurzer Infotext zum Bild

Aufbau zur Darstellung der elektromagnetischen Induktion

Kurzbeschreibung
Nachbau der historischen Ringkernanordnung Faraday´s zur Entdeckung der Induktion
Kategorien
Elektrizitätslehre, Induktion
Einordnung in den Lehrplan
Geeignet für: Doppeljahrgangsstufe 9/10
Basiskonzept: Wechselwirkungen
Sonstiges
Durchführungsform Lehrerdemoexperiment
Anzahl Experimente in dieser Unterkategorie 1
Anspruch des Aufbaus leicht
Informationen
Name: Marcus Seidel
Kontakt: mseidel@physik.hu-berlin.de
Uni: Humboldt-Universität zu Berlin
Betreuer*in: Steffen Wagner
This box: view  talk  edit  

1831 entdeckte Michael Faraday mit Hilfe der Ringkernanordnung die elektromagnetische Induktion. Diese Entdeckung besitzt bis heute eine der größten technischen Bedeutungen, legte sie doch die Grundlage für Generatoren und Transformatoren. Indem folgendem Beitrag soll gezeigt werden, wie man das historische Ringkernexperiment Faraday´s nachbauen kann um den Schülern zu demonstrieren, wie historisch die Induktion entdeckt wurde.


Didaktischer Teil

Es bietet sich, an die elektromagnetische Induktion mit Hilfe der historisch - genetischen Methode einzuführen. Die methodische Absicht dieses Unterrichts ist es, durch "historische Entwicklungen Interesse an Physik entstehen zulassen, indem die Physik als ein menschliches Unternehmen dargestellt wird" (siehe Jung [1] (1988), S. 28). Unter dem Begriff des historisch - genetischen Unterrichts werden Konzepte der Unterrichtsführung verstanden, welche den Lehr - und Lernprozess an der historischen Entwicklung der Erkenntnis zu einem bestimmten Problem orientieren. Dabei sollen Denkwege in der Geschichte der Naturwissenschaften nutzbar für den Unterricht gemacht werden können (vgl. Mothes [2] (1972)).

Diese Denkwege lassen sich an der Entdeckung der elektromagnetischen Induktion durch Michael Faraday sehr gut nachvollziehen. Es kann den Schülern aufgezeigt werden, wie es dazu kam, dass Faraday nach dem Phänomen der Induktion suchte. 1820 entdeckte Ørsted, dass eine Kompassnadel in der Nähe eines stromdurchflossenen Leiters abgelenkt wird. Er erkannte, dass ein stromdurchflossener Leiter ein äußeres Magnetfeld erzeugt. Darüber hinaus stellte Arago im Jahre 1824 fest, dass eine sich drehende Kupferscheibe einen darüber aufgehängten Magneten in Rotation versetzt (vgl. Wilke, Baloi [3] (2000)) . Dieses Phänomen ("Rotationsmagnetismus") konnte mit dem damaligen Wissen nicht erklärt werden (vgl. Wilke [4] (2000)). Diese beiden Versuche waren der Anreiz für Faraday sich mit dem Thema intensiv auseinanderzusetzen. Zum einen wollte er das Arago- Experiment erklären können und zum anderen beschäftigte ihn die Frage, wenn ein stromdurchflossener Leiter ein äußeres Magnetfeld erzeugt, ob auch umgekehrt ein äußeres Magnetfeld einen Strom in einem Leiter induziert (vgl. Faraday [5](1825), S.338). Damit begannen Faradays erste Versuche zur Induktion. Sein Vorwissen, dass im Versuch von Ørsted ein konstanter Strom ein konstantes Magnetfeld zur Folge hatte, führten ihn zu der Annahme, dass ein konstantes Magnetfeld eine solche elektrische Wirkung haben müsste. Dies ist jedoch nicht der Fall. Diese Vorstellung war unter anderem die Ursache, weshalb es etwa 10 Jahre dauerte, bis Faraday die Existenz der elektromagnetischen Induktion nachweisen konnte. Dies zeigt deutlich, dass nicht nur die Schüler von Schwierigkeiten aufgrund von Fehlvorstellungen betroffen sind.

Der erste Aufbau mit der er die Induktion nachweisen konnte, war die Ringkernanorndung aus dem Jahr 1831.

Da sich diese leicht nachbauen lässt, bietet sie eine gute Möglichkeit zu zeigen, mit welchen Mitteln Faraday zu seiner Zeit experimentierte. Auch wird daraus ersichtlich, welche Probleme dieser Aufbau mit sich trug. Es konnten, abgesehen von der Windungszahl, keinerlei Veränderungen an der Konstruktion vorgenommen werden. Daher experimentierte Faraday weiter und ersann weitere Anordnungen, wie die Holzwalzenanordnung, welche dem Grundgedanken heutiger Spulen entsprechen.

Mit dem Durchlaufen dieser Punkte der Historie wird den Schülern deutlich gemacht, wie es zur Entdeckung der Induktion kam. Auch wird gezeigt, dass sich dieser Erkenntnisgewinn über mehrere Jahre und über mehrere Zwischenetappen hinzog.

Versuchsanleitung

Aufbau

Es werden folgende Materialien für das Experiment benötigt:

  • massiver Eisenring mit einem äußeren Durchmesser von ca. 15 cm und einer Dicke von ca. 2 cm (z.B. Kochring)
  • 2 x 5 m isolierter Kupferdraht
  • 4 Krokodilklemmen
  • Verbindungskabel
  • empfindliches Spannungsmessgerät (Messbereich 2 mV, z.B. Mikrovoltmeter - Leybold Didactic GmbH 53213)
  • Netzgerät (z.B. Voltcraft - Labornetzgerät DIGI 40)
  • Klebeband
  • Stativ


Ringkernanordnung

Zunächst muss die Ringkernanordnung gebaut werden. Dafür benötigt man den Eisenring, das Stativ, den Kupferdraht, das Klebeband und die 4 Krokodilklemmen. Zum Anbringen der Kupferdrähte auf den Eisenring, empfiehlt es sich diesen in das Stativ fest einzuspannen. Danach beginnt man auf der einen Seite mit dem Wickeln. Dabei ist anzuraten zunächst die Hälfte eines Drahtes durch den Ring zuziehen. Jetzt wickelt man, von der Mitte beginnend, die erste Hälfte einer Spule mit der halben Länge des Drahtes auf, nachfolgend die andere. Dadurch vermeidet man, dass der ganze Draht bei jeder Windung durch den Ring gezogen werden muss. Dabei wird der Draht aber nur einlagig gewickelt. Um den historischen Kontext zu wahren, sollte zwischen den beiden Wicklungssystemen ein Stück des Eisenringes frei bleiben. An den beiden Enden des Drahtes sollte man ca. 5 cm für die Krokodilklemmen unumwickelt lassen. Den Rest fixiert man mit Klebeband. Die andere Seite wird analog bearbeitet. Zum Schluss werden an die 4 Drahtenden die Krokodilklemmen angeschlossen. Da es sich bei dem verwendeten Draht um isolierten Kupferdraht handelt, muss dieser vorher abisoliert werden.

Um zu überprüfen ob die Klemmen richtig angeschlossen wurden, das heißt das auch wirklich ein Strom fließt, empfiehlt es sich mithilfe des Netzgerätes eine Spannung anzulegen und mit dem Strommessgerät zu verifizieren, ob ein Strom fließt.

Nachdem der Bau des Ringkerns abgeschlossen ist, werden die Klemmen der einen Seite an ein Netzgerät angeschlossen (Feldspule) und die der anderen Seite (Induktionsspule) an ein empfindliches Spannungsmessgerät.

Durchführung

Zur Durchführung des Experimentes wird geraten, die Stromstärke auf ca. 4,5 - 5 A einzustellen. Nun wird das Netzgerät nacheinander kurz ein- und wieder ausgeschaltet.

Ergebnisse

Es zeigt sich, dass beim Einschalten des Netzgerätes der Zeiger des Messgerätes kurzzeitig in die eine und beim Ausschalten in die andere Richtung ausschlägt. Dabei ist der Zeigerausschlag fast gleich groß. Unter den oben genannten Bedingungen entsteht beim Ein- und Ausschalten des Primärstromes eine Induktionsspannung von etwa 1 - 2 mV. Daher ist die Verwendung eines modernen Galvanometers unentbehrlich.

Auswertung

Der von der Feldspule erzeugte magnetische Fluss gelangt durch den Eisenring zur Induktionsspule und durchsetzt diese. Solange er sich ändert, tritt eine Induktionsspannung auf. Im Vergleich zur Induktionsspannung beim Einschalten des Stromes (Zunahme des Flusses), ist die Induktionsspannung beim Ausschalten (Abnahme des magnetischen Flusses) entgegengesetzt gerichtet. Die Ursache für die auftretende geringe Induktionsspannung liegt u.a. in den entstehenden Wirbelströmen im Eisen. Sie verwandeln den größten Teil der elektrischen Energie in thermische Energie. Weitere Ursachen können die Lackierung des Ringes, sowie die Schweisnaht zwischen Ring und Stiel sein. Da Faraday, im Vergleich zur heutigen Zeit, nur ein sehr unempfindliches Messgerät besaß, dürfte dieses Experiment den Schülern deutlich machen, warum er den Effekt der elektromagnetischen Induktion erst nach langem Suchen gefunden hatte.

Mit diesem Experiment kann gezeigt werden, dass mit Hilfe eines äußeren Magnetfeldes ein Strom in einem Leiter induziert werden kann. Jedoch nicht, wie Faraday vermutete, als eine direkte Umkehrung des Ørsted-Versuches (durch konstantes Magnetfeld einen konstanten Strom erzeugen), sondern nur durch eine Änderung des magnetischen Feldes. Dies zeigt, dass auch Faraday sich von seinen eigenen Fehlvorstellungen frei machen musste.

Sicherheitshinweise

Es ist darauf zu achten, dass der Strom nur kurzzeitig angeschaltet wird, da bei längerem Stromfluss die Kupferdrähte sehr heiß werden können.

Literatur

  1. Jung, W. (1988): Das historisch-genetische Prinzip im Physik- und Chemieunterricht; Leuchtturm, Alsbach
  2. Mothes, H. (1972): Methodik und Didaktik der Physik und Chemie, 8. Auflage; Aulis Verlag, Köln
  3. Wilke, H.-J.; Baloi,M. (2000): Physik in der Schule 38, Pädagogischer Zeitschriftenverlag; Verlag Volk & Wissen, Berlin
  4. Wilke, H.-J. (2000): Physik in der Schule 38, Pädagogischer Zeitschriftenverlag; Verlag Volk & Wissen, Berlin
  5. Faraday, M.(1825). Electro-Magnetic-Current. In: Quarterly Journal of Science, Literature and the Arts. Band 19

Siehe auch

Elektromagnetische Induktion