Thomsonscher Ringversuch

Hierbei handelt es sich um ein sehr anschauliches Experiment zum Aufzeigen der Lenz'schen Regel. Durch ein starkes Magnetfeld wird ein Aluminiumring in die Luft geschossen.

Thomsonscher Ringversuch
Aufbau des Thomsonschen Ringversuchs
Kurzbeschreibung
Hierbei handelt es sich um ein sehr anschauliches Experiment zum Aufzeigen der Lenz'schen Regel.
Kategorien
RUB
Einordnung in den Lehrplan
Geeignet für:	Sek. II
Basiskonzept:	Wechselwirkung, Energie
Sonstiges
Durchführungsform	Lehrerexperiment
Anspruch des Aufbaus	schwer
Informationen
Name:	Robin Decker
Kontakt:	${\text{robin.decker}}$@${\text{rub.de}}$
Uni:	Ruhr-Universität Bochum
Betreuer*in:	Irene Neumann, Hanno Michel

Didaktischer Teil

Dieses Experiment eignet sich zum Motivieren der Schülerinnen und Schüler oder als "Belohnung" nach einem eher trocken gehaltenen Theorieteil über die Lenz'sche Regel. Alternativ wäre auch eine Verwendung als "Knobelaufgabe" am Ende einer Unterrichtsreihe denkbar.

Nötiges Vorwissen der Schülerinnen und Schüler

Das richtet sich stark nach dem Einsatz des Versuchs in der Unterrichtsreihe. Wird es zu Beginn zur Motivation der Unterrichtsreihe zur Induktion in der Oberstufe eingesetzt, so sind keine speziellen Vorkenntnisse nötig, da alles zur Erklärung des Phänomens Nötige (Induktionsgesetz, Lenz'sche Regel, etc.) im Verlauf der Unterrichtsreihe erarbeitet wird. Knüpft man mit dem Experiment hingegen als Knobelaufgabe an die Unterrichtsreihe an, so sollten sowohl die Vorkenntnisse aus der Sekundarstufe I aufgefrischt als auch die aktuellen Inhalte (Induktionsgesetz, Lenz'sche Regel) vermittelt worden sein. Möglicherweise könnte das Experiment sogar schon in der Sekundarstufe I im Rahmen einer Wochenarbeit eingesetzt werden, zum Beispiel am Ende der 9. Klasse. Eine mögliche Hausaufgabe dazu wäre dann die Internetrecherche über die Erklärung des Experiments.

Versuchsanleitung

Geräte und Aufbau

Folgende Komponenten werden benötigt:

• Netzgerät (250 V, max. 0,1 A)
• Widerstand (2 kΩ, 45 mA)
• Spule (ca. 46 Windungen)
• Eisenkern
• Schalter
• Kondensator (4300µF, 250V)
• Voltmeter
• Aluminiumring

Aufbau

Zunächst wird die Spule mit Eisenkern mittels einer Schraubzwinge am Tisch fixiert. An den (noch kurzgeschlossenen) Kondensator wird das Voltmeter angeschlossen und der Messbereich bis 300 Volt ausgewählt. An den Ausgang des Netzgerätes wird der Widerstand angeschlossen und dieser wird dann an den ersten Kontakt des Schalters angeschlossen (in der Skizze die untere Schalterstellung). Der Kondensator wird an den mittleren Anschluss des Schalters gesteckt (in der Skizze der rechte Anschluss des Schalters). Die Spule wird mit dem dritten Kontakt des Schalters verbunden (in der Skizze die obere Schalterstellung). Zuletzt wird der Aluminiumring auf den Eisenkern gelegt.

Durchführung

Generell sollte dieses Experiment vor der eigentlichen Durchführung mehrmals geprobt werden, um die Spannung am Kondensator zu finden, die den gewünschten Effekt bringt. Der Schalter wird in Stellung 1 gebracht (in der Skizze die untere Schalterstellung), um das Netzgerät mit dem Kondensator zu verbinden. Der Kondensator wird solange aufgeladen, bis die gewünschte Spannung (in meinem Fall etwa 100 Volt) erreicht ist. Dann wird der Schalter möglichst rasch umgelegt (in der Skizze in die obere Schalterstellung). Die vollständige Durchführung des Experiments wird in folgendem Video gezeigt:

Beobachtung

Beim Umlegen des Schalters springt der Ring vom Eisenkern aus hoch.
Der Effekt bei hoher Ladung des Kondensators ist auf diesem Video gezeigt:

Ein Video des Effektes bei niedriger Ladung ist hier zu sehen:

Interpretation/Erklärung

Durch den Stromfluss durch die Spule baut sich ein magnetisches Feld auf, dieses durchsetzt den Ring. Dadurch wird im Ring ein Strom induziert. Da zunächst ein Kondensator aufgeladen worden ist, der dann durch das Umlegen des Schalters über die Spule kurzgeschlossen wurde, ist die Änderung des magnetischen Flusses in und um die Spule sehr hoch und der Effekt wird verstärkt. Der in dem Aluminiumring induzierte Strom ist nach der Lenz'schen Regel so gerichtet, dass er der Ursache seiner Entstehung entgegen wirkt, also so, dass das durch diesen Strom entstandene Magnetfeld dem ursprünglichen Magnetfeld entgegen gerichtet ist. Dadurch kommt es zur Abstoßung. Da die Spule fixiert ist, bewegt sich lediglich der Ring von der Spule weg, in diesem Fall springt er nach oben.

Sicherheit

offener Kontakt am Schalter

Achtung! Der Schalter ist nicht isoliert. Es ist darauf zu achten, nicht die Metallteile zu berühren. Wenn vorhanden, kann natürlich ein isolierter Schalter verwendet werden.

springender Ring

Die Höhe des Sprungs ist schwer vorhersehbar, da Aspekte wie die Liegeposition und die Bediengeschwindigkeit des Schalters eine Rolle spielen. Es sollte darauf geachtet werden, dass man einen geeigneten Sicherheitsabstand einhält und sich keine empfindlichen Geräte in der Nähe befinden (z.B. nicht direkt unter einem an der Decke montierten Dia-Projektor durchführen).

landender Ring

Es ist theoretisch möglich, dass der Ring direkt auf dem Schalter landet und somit einen Kurzschluss verursacht (wenn jener nicht isoliert ist). Es sollte also nicht versucht werden, den Ring aufzufangen, sondern lieber ein Schritt zur Seite gemacht und dann zügig das Netzgerät ausgeschaltet werden.

Kondensator

Der Kondensator sollte bei der Lagerung kurzgeschlossen (also einfach beide Enden mit einem Kabel verbinden) sein, um ein unbemerktes Aufladen zu verhindern.