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Grundlagen des Elektromotors anschaulich verstehen – Die Abhängigkeiten des Magnetfelds der endlichen Spule bestimmen

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Grundlagen des Elektromotors anschaulich verstehen – Die Abhängigkeiten des Magnetfelds der endlichen Spule bestimmen
Vermessungsaufbau Spule.jpg

Titelbild: Versuchsaufbau zur Untersuchung der Abhängigkeiten des Magnetfeldes einer endlichen Spule

Kurzbeschreibung
Die Abhängigkeit des Magnetfeldes einer endlichen Spule von Stromstärke, Windungszahl und Spulenlänge sollen experimentell untersucht werden, um die Bedeutung der Spule im Elektromotor verstehen zu können.
Kategorien
Elektrizitätslehre, Magnetismus
Einordnung in den Lehrplan
Geeignet für: Klasse 9-10, Sek. I
Basiskonzept: Wechselwirkung, Energie
Sonstiges
Durchführungsform Demoexperiment, Gruppenexperiment
Anzahl Experimente in dieser Unterkategorie 1
Anspruch des Aufbaus schwer
Informationen
Name: Michael Meyer
Kontakt: meyerphy@physik.hu-berlin.de
Uni: Humboldt-Universität zu Berlin
Betreuer*in: Dr. Ulrike Gromadecki-Thiele
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Der Elektromotor ist aus der modernen technisierten Welt nicht mehr wegzudenken. In nahezu jedem elektrisch betriebenen Gerät ist er mehr oder weniger offensichtlich verbaut. Die Einsatzmöglichkeiten von Elektromotoren sind so vielfältig wie ihre technischen Realisierungsmöglichkeiten.[1] Daher kann es im Schulunterricht der Klassenstufe 9/10 nur darum gehen, das grundlegende Funktionsprinzip des Elektromotors verständlich zu machen: die Wechselwirkung zwischen zwei Magneten. Im einfachsten Fall der technischen Realisierung ist dies die Wechselwirkung zwischen einem drehbar gelagerten Stabmagneten (Rotor) und dem Magnetfeld einer endlichen Spule (Stator).

Im vorliegenden Experiment steht die endliche, stromdurchflossene Spule als steuerbares Element des Elektromotors im Mittelpunkt. Inhaltlich wird die Abhängigkeit der Kraftwirkung ihres Magnetfeldes von den Größen Stromstärke I, Windungszahl N und Wicklungsdichte  N/L erarbeitet. Methodisch wird das Experimentieren mittels analogem Federkraftmesser geübt.

Dafür ist die Kenntnis des magnetischen Kraftgesetzes

 F=p\cdot H \qquad \mathrm{(I)}

nötig, wobei p die magnetische Probe symbolisiert, auf die das Magnetfeld der Spule H wirkt. Das Magnetfeld der endlichen Spule wird im Allgemeinen durch

H_z(z) = \frac{I\,N}{2\,L} \left[\frac{(\frac{L}{2} -z) }{\sqrt{\left(\frac{L}{2} - z\right)^2 + R^2}}+\frac{(\frac{L}{2} +z) }{\sqrt{\left(\frac{L}{2} + z\right)^2 + R^2}}\right] \qquad \mathrm{(II)} [2]

beschrieben. Diese Gleichung ist nur für die Lehrkraft im Hinterkopf zu behalten und lässt sich durch die Näherung  L \gg z,R in die für Schülerinnen und Schüler handhabbare Form

H = I \cdot \frac{N}{L} \qquad \mathrm{(III)}

bringen, aus der sich die zu untersuchenden Abhängigkeiten ergeben.


Didaktischer Teil

Der Elektromotor ist ein technisches Gerät, dass die Schülerinnen und Schüler in ihrem Alltag häufig unreflektiert nutzen. Dieses Unbewusstsein kann als Einstieg aufgegriffen und überwunden werden, indem den Schülerinnen und Schülern die vielfältigen Verwendungsorte des Elektromotors vor Augen geführt werden – in Form von Bildern oder anfassbaren Geräten. Daraus kann die Frage entwickelt werden, warum der Elektromotor so vielfältig eingesetzt wird bzw. werden kann, was wiederum zur Problemfrage seiner Funktionsweise führt. Durch Untersuchung des Inneren eines Elektromotors können die Schülerinnen und Schüler schnell dessen wesentlichen Bestandteile benennen: Permanentmagnet und Spule(n). Während der Permantmagnet den Schülerinnen und Schülern aus ihrem Alltag bekannt ist, sollte ihnen nicht ersichtlich sein, warum dieser mit der Spule wechselwirkt. Dies macht schließlich die nähere Untersuchung der stromdurchflossenen Spule notwendig.

Am Ende der Einheit sollen die Schülerinnen und Schüler einen Eindruck von der Verknüpfung zwischen dem durch die untersuchten Größen regelbaren Magnetfeld der Spule und der mechanischen Leistung des Elektromotors in Form der Drehzahl herstellen, die sich wiederum aus der Wechselwirkung zwischen Rotor (Permanentmagnet) und Stator (Spule) ergibt. Eben diese Energieumwandlung – elektrische in mechanische Energie – mach den vielfältigen Einsatz von Elektromotoren als Antriebsaggregat so attraktiv.

Mittels des Heranziehens des Elektromotors kann die Behandlung des magnetischen Feldes der endlichen, stromdurchflossenen Spule als physikalischem Phänomen innerhalb eines kontextorientierten Unterrichts eingebettet werden. Dieser „sinnstiftende“ Kontext weckt nach Heinz Muckenfuß[3] das Interesse der Schülerinnen und Schüler und motiviert sie zur Auseinandersetzung mit den fachlichen Inhalten. Weiterhin wird ihnen auf diese Weise „die technische Umsetzung naturwissenschaftlicher Erkenntnisse mit ihrer persönlichen oder gesellschaftlichen Bedeutung“[4] deutlich.

Der vorgestellte Versuch kann die Unterrichtsreihe „Bewegung durch Strom - Strom durch Bewegung“ eröffnen, in welcher nach dem Berliner Rahmenlehrplan für die Sekundarstufe I, Doppeljahrgangsstufe 9/10 der Elektromotor explizit behandelt und als Energiewandler interpretiert werden soll. Neben der Erarbeitung neuer Kenntnisse über das Magnetfeld der endlichen, stromdurchflossenen Spule kann am Versuch auch das Vorwissen der Schülerinnen und Schüler aufgenommen und wiederholt werden, die für das Verständnis des Versuches im Speziellen und die Funktionsweise des Elektromotors im Allgemeinen nötig sind. So sollten den Schülerinnen und Schülern nach dem Berliner Rahmenlehrplan der Sek. I aus der Doppeljahrgangsstufe 7/8 Grundkenntnisse der Magnetostatik über die Eigenschaften eines Permanentmagneten (Magnetpole, Magnetfeld) und der magnetischen Wechselwirkung (abstoßende bzw. anziehende Wirkung gleichnamiger bzw. ungleichnamiger Magnetpole) sowie der magnetischen Wirkung elektrischer Ströme bekannt sein.

Bei dem vorgestellten Versuch handelt es sich um ein Demonstrationsexperiment, dass auf zweierlei Weise genutzt werden:

  1. Durch Beobachten der Ausschläge des Kraftmessers bei Veränderung der verschiedenen Variablen kann der Versuch dazu dienen, den Schülerinnen und Schülern eine qualitative Vorstellung von der Abhängigkeit der Stärke des Magnetfeldes einer Spule zu vermitteln. Der Fokus liegt auf der Vermittlung physikalischen Fachwissens.
  2. Der Versuch bietet zudem die Möglichkeit der quantitativen Auswertung. Mittels des Kraftmessers können Messdaten über die vom Magnetfeld der Spule auf die magnetische Probe ausgeübte Kraft in Abhängigkeit der verschiedenen Variablen protokolliert und in Tabellen und Diagrammen dargestellt werden. Aus diesen kann dann die Näherungsgleichung \mathrm{(I)} abgeleitet werden. Neben der Vermittlung des physikalischen Fachwissens liegt der Fokus in diesem Fall auf dem methodischen Aspekt der Kompetenz Erkenntnisgewinnung, d.h. im Besonderen protokollieren, darstellen und mathematisieren.

Während die erste Variante die physikalischen Inhalte aus der Beschreibung der Beobachtung gewinnt, wird in der zweiten Variante an die Schülerinnen und Schüler die anspruchvolle Aufgabe der Interpretation der Messergebnisse gestellt, um daraus eine Gesetzmäßigkeit in mathematischer Form zu formulieren. Dies erfordert auch einen fächerübergreifenden Transfer mathematischer Kenntnisse über lineare Funktionen in den physikalischen Kontext. Daher können beide Varianten auch als Form der Leistungsdifferenzierung – bezogen auf eine ganze Klasse oder einzelne Schülerinnen und Schüler – verstanden werden. Variante b bietet jedoch den Vorteil, dass die Schülerinnnen und Schüler die kritische Analyse von Informationen einüben. Dies ist eine Kompetenz, die sie in allen Lebensbereichen angesichts einer Flut von Informationen der modernen Mediengesellschaft benötigen.


Versuchsanleitung

Aufbau[5]

Für den Versuchsaufbau werden die folgenden Materialien benötigt:

Abb. 1: Übersicht der verwendeten Materialien
Abb. 2: Schaltplan zum Versuchsaufbau
Abb. 3: Rückseite des im Aufbau verwendeten Widerstandes (16)
(1) 1 großer Stativfuß
(2) 1 kleiner Stativfuß
(3) Spulen, verschiedener Windungszahl und Spulenlänge
(4) 1 Tisch, höhenverstellbar
(5) 1 Amperemeter (3 A – )
(6) 1 Stromversorgungsgerät (20 V – )
(7) 1 Netzstecker
(8) 1 Federkraftmesser ( 1 N)
(9) 1 Stativstange (ca. 100 cm)
(10) 1 Stativstange mit Stativmuffe (ca. 20 cm)
(11) 1 Stativhaken
(12) 1 kleiner Rundstabmagnet
(13) 1 Schalter
(14) 1 Universalklemme
(15) 5 Verbindungsleitungen (1 rot, 1 blau, 3 schwarz)
(16) 1 Widerstand, stufenlos regelbar (ca. 25 Ohm)
Schnur und Klebestreifen

Gemäß dem Titelbild wird zunächst die Stativstange (9) im Stativfuß (1) befestigt. Daraufhin wird der Stativhaken (11) mit der kleineren Stativstange (10) verbunden, welche wiederum mit Hilfe der Stativmuffe an der zuvor aufgestellten Stativstange angebracht wird.

Nun kann an den Stativhaken (11) der Federkraftmesser (8) und an diesen wiederum der Rundstabmagnet (12) gehängt werden. Hierfür ist es zuvor erforderlich, am Magneten (12) mittels Klebestreifen eine Öse, die aus der Schnur geformt wird, zu befestigen. Bei diesem Aufbau ist darauf zu achten, dass der Federkraftmesser (8) sicher im Stativhaken (11) hängt, um das Abfallen während des Experimentierens zu vermeiden.

Der Schalter (13) wird im kleineren Stativfuß (2) befestigt. Ziel dieser Konstruktion ist die gute Beobachtbarkeit des Ein- und Ausschaltvorgangs für die Schülerinnen und Schüler. Eine Spule (3) wird nun gemäß des Schaltplans in Abb. 2 über den Gleitwiderstand (16), dem Demonstrationsmessgerät (5) und dem Schalter (13) an das Stromversorgungsgerät (6) angeschlossen. Um den Stromfluss zu visualisieren, führt gemäß technischer Konvention die rote Verbindungsleitung (15) vom + - Ausgang des Stromversorgungsgeräts (6) weg und die blaube Verbindungsleitung (15) zum – - Eingang hin. Da unklar ist, an welcher Stelle das „Zurückfließen“ des Stroms beginnt, werden für die Verbindung der übrigen Bestandteile des Stromkreises (Abb. 2) die schwarzen Verbindungsleitungen (15) genutzt.

Daraufhin wird die Spule so auf den Tisch (4) gelegt, dass eine Öffnung nach oben zeigt und so unter den aufgehängten Federkraftmesser (8) platziert, dass der aufgehängte Rundstabmagnet (12) etwa 1 cm in das Spuleninnere taucht. Hierfür bietet es sich an, am Ende des Magneten (12) 1 cm abzumessen sowie zu markieren und die Eintauchtiefe dann mit dem höhenverstellbaren Tisch (4) sicherzustellen (entweder nach Augenmaß oder mit Hilfe eines auf die Spule gelegten Lineals). Es ist schließlich darauf zu achten, dass die Polung des Magnetfelds der Spule (3) so orientiert ist, dass der Probemagnet (12) auch in das Spuleninnere gezogen wird.

Je nach Größe des Widerstandes (16) und dem Widerstand der verwendeten Spule ist es möglich, dass die Stromstärke nicht genullt ist. Dies lässt sich duch Hinzuschaltung (in Reihe) eines zusätzlichen Widerstandes korrigieren oder indem der Zeiger des Amperemeters (5) auf Null gesetzt wird.


Durchführung

Grundsätzlich wird wie folgt vorgegangen: Das Stromversorgungsgerät (6) wird auf 15 V eingestellt und der Stromkreis über den Schalter (13) bei maximal eingestellten Widerstand (16) geschlossen. Nun wird der Widerstand (16) langsam soweit verringert, bis die gewünschte Stromstärke erreicht ist.

Eine Messreihe lässt sich hierbei leicht aufnehmen, indem der angezeigte Wert des Federkraftmessers (8) von der Lehrkraft oder einer Schülerin bzw. einem Schüler abgelesen und laut angesagt wird, woraufhin die anderen Schülerinnen und Schüler sich diesen Wert notieren. Alternativ können die Messwerte auch zentral an der Tafel festgehalten werden.

Bei der Aufnahme der Messwerte ist vom Experimentator jedoch auf eine konstante Eintauchtiefe des Probemagneten (12) in das Spuleninnere zu achten. Gleichung \mathrm{(II)} zeigt die Abhängigkeit des Magnetfeldes vom Abstand z zur Mitte der Spulenlänge. Dies bedeutet, dass die Kraft steigt, die das Magnetfeld im Inneren der Spule (3) auf den Probemagneten (12) ausübt, je tiefer dieser in das Spuleninnere eintaucht. Die Messergebnisse würden verfälscht. Die Eintauchtiefe lässt sich jedoch durch Verstellen der Tischhöhe (4) leicht korrigieren. Bei jeder Veränderung des Aufbaus – andere Stromstärke , Windungszahl oder Spulenlänge – muss also die Tischhöhe angepasst werden, sodass der Probemagnet (12) konstant ca. 1 cm in das Spuleninnere eintaucht.

Anmerkung: Dass bei dem Versuch auf die Eintauchtiefe des Probemagneten (12) in das Spuleninnere zu achten ist, kann für die Schülerinnen und Schüler relativ unerwartet sein, denn aus Gleichung \mathrm{(III)} ist dies nicht zu ersehen. Diese Irritation kann aber zum Anlass genommen werden, um mit den Schülerinnen und Schülern über Näherungen und Modellbildung in der Physik zu sprechen. Denn die für den Versuch zugrundegelegte Gleichung \mathrm{(III)} ist ein Modell, da sie aus der Betrachtung einer unendlich langen Spule hergeleitet wird. Dass die Stärke des Magnetfeldes vom Abstand zum magnetfelderzeugenden Objekt abhängt, sollte bei den Schülerinnen und Schülern als Vorwissen vorhanden sein. An dieses kann demnach angeknüpft und die Abstandsabhängigkeit als generelle Eigenschaft von Magnetfeldern verallgemeinert werden.

Ergebnisse und optionale Auswertungsmöglichkeiten

Die Schülerinnen und Schüler beobachten, dass z.B. bei steigender Stromstärke der Probemagnet (12) immer tiefer in die Spule hineingezogen wird. Wird die Stromstärke durch Vergrößern des Widerstandes wieder verringert, so zieht die Federkraft des Kraftmessers (8) den Magneten in die Ausgangslage zurück. Qualitativ wäre damit die Abhängigkeit der Stärke des Magnetfeldes von der Stromstärke dargestellt.

Durch Verwendung von Spulen verschiedener Windungszahl sowie Länge und damit verbunden unterschiedlicher Windungszahldichten lässt sich weiterhin darstellen, dass die Stärke eines Magentfeldes auch mit größerer Windungszahl und Windungszahldichte wächst bzw. mit größerer Länge sinkt. Durch Verwendung von Spulen mit Kernen aus unterschiedlichen Materialien lässt sich zusätzlich die Abhängigkeit der Stärke des Magnetfeldes von der magnetischen Permiabilität der verwendeten Kernmaterialien untersuchen. Hierbei ist jedoch die Wechselwirkung zwischen Probemagnet (12) und Kernmaterial zu beachten.

Wird der Versuch quantitativ behandelt und ausgewertet, ergeben sich die in den Tab. 1 bis 3 aufgeführten Messreihen und die in den Abb. 4 und 5 dargestellten Messkurven. Bei den Versuchsdurchläufen der Tab. 1 und 3 wurden Spulen mit N=1000 bzw. N=600 verwendet. Bei dem Versuchsdurchlauf der Tab. 2 wurde mit einer Stromstärke von I=(0,6\pm 0,01)\mathrm{A} gearbeitet. Es empfiehlt sich, je Einstellung mindestens drei Werte vom Federkraftmesser (8) aufzunehmen. Die gemessene Kraft wurde mit qtiplot – ein Programm zur Analyse und Visualisierung von Daten – jeweils über die zu untersuchende Variable aufgetragen, sodass die jeweilige lineare Abhängigkeit deutlich ablesbar ist. Diese wurde weiterhin mit einer Ausgleichsgeraden verdeutlicht.

Abb. 4: Grafische Darstellung der Messwerte aus Tab. 1
Tab. 1: Messwerte zur Untersuchung der Abhängigkeit des Spulenfeldes von der Stromstärke
I [A] F [mN] <F> [mN]
0,1 40 30 40 37
0,2 80 80 70 77
0,3 110 100 100 103
0,4 140 140 150 143
0,5 190 180 180 183
0,6 210 220 220 217
0,7 260 250 260 257
0,8 290 290 300 103
0,9 330 320 320 323
1,0 360 360 370 363
Tab. 2: Messwerte zur Untersuchung der Abhängigkeit des Spulenfeldes von der Wicklungszahldichte[6]
N F [mN] <F> [mN]
250 60 50 60 57
500 100 100 110 103
750 150 140 140 143
100 220 220 210 217
1200 280 270 280 277
1500 310 310 300 307
Tab. 3: Messwerte zur Untersuchung der Abhängigkeit des Spulenfeldes von der Spulenlänge
L [mm] F [mN] <F> [mN]
30 250 260 260 257
57 140 150 140 143
Abb. 5: Grafische Darstellung der Messwerte aus Tab. 2


Die gelbe Zeile in Tab. 2 ist in Abb. 5 als Ausreißer markiert. Hier wurde eine Spule eines anderen Herstellers genutzt. Wie zu sehen ist, hat dies massive Auswirkungen auf die Messung, denn theoretisch müsste auch dieser Wert innerhalb seines Unsicherheitsbereichs auf der Geraden liegen. Es ist bei dem Einsatz unterschiedlicher Spulen daher streng darauf zu achten, dass nur Spulen eines Herstellers zum Einsatz kommen.

Einzig bei der Auswertung der Abhängigkeit von der Spulenlänge hat sich eine grafische Auswertung als unpraktikabel erwiesen, da im Rahmen der zur Verfügung stehenden Lehrmittel zu einer bestimmten Wicklungszahl nur zwei Spulen verschiedener Länge zur Verfügung standen (Abb. 6).[7] Hier bietet sich demnach die folgende mathematische Auswertung an:

Abb. 6: Die für die Untersuchung der Längenabhängigkeit des Spulenfeldes verwendeten Spulen

Nach den Gleichungen \mathrm{(I)} und \mathrm{(III)} gilt die Proportionalität

F\sim H\sim \frac{1} {L} \qquad \mathrm{(IV)}

Dies muss natürlich auch für die einzelnen Kraft-Längen-Paare gelten, sodass sich die Verhältnisgleichung

\frac{F_{L=57}}{F_{L=30}}=\frac{L_{30}}{L_{57}} \qquad \mathrm{(V)}

ergibt.

Mit den entsprechenden mittleren Kräften <F> aus Tab. 3 und einer gauß'schen Fehlerfortpflanzung gemäß

{u_F}=\sqrt{\left (\frac{1}{F_{L=30}} \cdot u_{F_{L=57}} \right)^2 +\left (-\frac{F_{L=57}}{{F_{L=30}}^2} \cdot u_{F_{L=30}} \right)^2}\qquad \mathrm{(VI)}

sowie

{u_L}=\sqrt{\left (-\frac{L_{30}}{{L_{57}}^2} \cdot u_{L_{57}} \right)^2 +\left (\frac{1}{L_{57}} \cdot u_{L_{30}} \right)^2}\qquad \mathrm{(VII)}

ergibt sich

(0,56\pm 0,07)=(0,526\pm 0,001)

und damit die Gleichheit innerhalb der Unsicherheitsbereiche. Dies bestätigt den linearen Zusammenhang zwischen der Stärke des magnetischen Feldes einer Spule und dem Kehrwert der Spulenlänge.

Optional kann in Klassen mit ausgeprägtem mathematischen Verständnis dieser Versuch auch genutzt werden, um die Stärke des verwendeten Probemagneten zu bestimmen. Hierzu muss in die jeweilige Messkurve eine Ausgleichsgerade gelegt werden. Dies kann nach Augenmaß geschehen oder es wird die lineare Ausgleichsfunktion f(x)=A \cdot x des Programms qtiplot genutzt. Der Vorteil bei der Nutzung des Computerprogramms ist es, dass der Anstieg der Geraden A automatisch und mit hoher Genauigkeit angegeben wird. Dieser kann aber auch näherungsweise per Hand ausgerechnet werden; z.B. zwischen dem kleinsten und größten Wert gemäß der allgemeinen Form

A=\frac {F_2-F_1}{I_2-I_1} \qquad \mathrm{(VIII)}

Als Beispiel wird im Folgenden der Graf aus Abb. 3 behandelt:

Aus dem Vergleich der Ausgleichsfunktion f(x)=A \cdot x mit Gleichung \mathrm{(III)} und identifiziert die Stromstärke I als Variable x, so ergibt sich für den Anstieg

A=p\cdot\frac {N}{L} \qquad \mathrm{(IX)}

und damit für die Feldstärke des verwendeten Probemagneten (12)

p=A\cdot\frac {L}{N} \qquad \mathrm{(X)}

Nach demselben Vorgehen kann für alle drei in Tab. 1 bis 3 vorgenommenen Messreihen ein Wert für die Feldstärke des verwendeten Probemagneten (12) gewonnen, miteinander verglichen und mögliche Abweichungen untereinander bzw. zu einem Referenzwert in der Klasse diskutiert werden. Diese Übung stärkt bei den Schülerinnen und Schülern das fächerübergreifende Denken und verdeutlicht den Nutzen von graphischen Darstellungen in der Physik. Zudem regt es das Nachdenken über Messunsicherheiten und Fehlerquellen des Versuchsaufbaus an.


Messunsicherheiten

Die in den Abb. 4 und 5 eingezeichneten Unsicherheitsbereiche ergaben sich bei den Kraftwerten als Summe aus Standardabweichung der Einzelmesswerte (6 mN) und Ablesefehler des Federkraftmessers, welcher mit einem halben Skalenteil abgeschätzt wurde (10 mN). Der Unsicherheitsbereich der Stromstärke ergab sich ebenfalls aus dem Ablesefehler des Amperemeters (5), der mit 10 mA abgeschätzt wurde.

Abweichungen der Messwerte können durch das Folgende entstehen :

  1. Die Eintauchtiefe kann nicht vollständig konstant gehalten werden. Sie wird letztlich durch Augenmaß mit Hilfe des Tisches (4) korrigiert, was mit Hilfsmitteln (z.B. einem Lineal) mehr oder weniger genau erfolgen kann. Dies hat Einfluss auf die wirkende Kraft.
  2. Die Eingangsspannung variiert. Wird z.B. der Widerstand (16) verringert, um die Stromstärke einzustellen, wird aber auch der Gesamtwiderstand des Stromkreises verändert, was widerum in die Spannungsquelle (6) zurückwirkt und die Eingangsspannung verändert.
  3. Bei Gleichung \mathrm{(III)} handelt es sich um eine Idealisierung. Reale Beobachtungen müssen sich mit dieser nicht vollständig decken.


Sicherheitshinweise

  • Bei dem Versuch ist zu beachten, dass die Spulen nicht bei höheren Stromstärken betrieben werden, wie auf ihnen angegeben werden. Eine starke Temperaturerhöhung innerhalb der Spule und ihre evtl. Beschädigung wären die Folge.
  • Besonders beim Wechseln der Spulen ist darauf zu achten, dass jedes Mal der Generator ausgeschaltet ist. Zwar liegt nur eine geringe Spannung an, aber die Schülerinnen und Schüler sollen dennoch zu einem aufmerksamen und sicheren Umgang mit elektrischen Geräten erzogen werden.
  • Bei der Arbeit mit dem regelbaren Widerstand (16) ist darauf zu achten, dass auf dessen Rückseite (Abb.3) die Drähte offen liegen. Bei eingeschaltetem Netzgerät (6) fließt durch diese ein Strom. Das Berühren ist daher zu vermeiden.
  • Um die Kippsicherheit des Versuchsaufbaus zu gewährleisten, ist darauf zu achten, dass die Ausläufer des Stativfußes (1) mit der Ausrichtung der waagerecht angebrachten Stativstange (10) übereinstimmen (siehe Abschnitt Aufbau).


Literatur und Anmerkungen

  1. Zur Vertiefung hierfür siehe Meschede, Dieter (Hrsg.): Gerthsen Physik, 25. Aufl., Berlin Heidelberg 2015, S. 437-441, Handbuch des Physikunterrichts. Sekundarstufe I, Bd. 6: Elektrizitätslehre II/ Elektronik, hrsg. v. Rainer Götz, Helmut Dahncke u. Fritz Langensiepen, Köln 1996, S. 133-139 sowie Rossmann, Axel: Struktur und Simulation technischer Systeme, Bd. 4: Elektrische Maschinen und Transformatoren, Berlin 2014.
  2. Zur genauen Herleitung siehe Demtröder, Wolfgang: Experimentalphysik 2. Elektrizität und Optik, 6., überarb. u. akt. Aufl., Berlin Heidelberg 2013, S. 93f.
  3. Muckenfuß, Heinz: Lernen im sinnstiftenden Kontext. Entwurf einer zeitgemäßen Didaktik des Physikunterrichts, Berlin 2006.
  4. Berliner Rahmenlehrplan Physik für die Sekundarstufe I, Jahrgangsstufe 7-10, S. 32. Zu finden unter https://www.berlin.de/sen/bildung/unterricht/faecher-rahmenlehrplaene/rahmenlehrplaene/ [letzter Zugriff: 05.08.2016, 13.30 Uhr].
  5. Die Idee zum Versuch wurde entnommen aus Physikalische Schulversuche, Bd. 9: Elektrizitätslehre II, hrsg. v. Sprockhoff, Georg, 8. Aufl., Berlin 1988, S. 49. Auf S. 67-71 finden sich weitere Möglichkeiten der Kraftmessung (mittels Balkenwaage, Magnetometer, magnetischen Zeiger).
  6. Bei der Aufnahme der hier vorgestellten Messwerte wurden DDR-Lehrmittel-Spulen genutzt. Durch verschiedene Steckmöglichkeiten konnten in einem Gerät drei unterschiedliche Wicklungszahlen realisiert werden. Allerdings waren diese Wicklungen nicht über die gesamte Länge des Gerätes verteilt. Über welche Länge die jeweiligen Wicklungen verteilt waren, konnte nicht mehr festgestellt werden. Daher wurde nicht allein die Wicklungszahl variiert, sondern effektiv die Wicklungszahldichte, die in Abb. 5 aufgetragen wurde.
  7. Stehen mehr als nur zwei Spulenpaare zur Verfügung, so kann selbstverständlich ebenfalls eine grafische Auswertung erfolgen.