Lernzirkel: Induktion: Unterschied zwischen den Versionen

Version vom 17. September 2012, 11:33 Uhr

Technische Geräte verstehen

Taschenlampe mit Generator

Eine elektrische Zahnbürste

Der Dynamo eines Fahrrades

Ein Elektromotor als Generator

Aufbau

Generator von Leybold

Veranschaulichung des Induktionsgesetzes

Ein Kabel im Magnetfeld

Aufbau

langes Kabel, Messverstärker, Hufeisenmagnet

Mit einer Kabelschleife:

1) In das Feld rein und raus, verschiedene Winkel

2) Schleife im Feld verkleinern oder vergrößern

3) Schleife im Feld drehen

===Drehbare Spule im Magnetfeld=== ?????????

Rechnerische Anwendung des Induktionsgesetzes (magnetische Feldkonstante)

Material

große Feldspule (Primärspule) , kleine Induktionsspulen (Sekundärspule), Speicher-Oszilloskop, Funktionsgenerator, Messgerät

Aufbau und Durchführung

Eine Spule wird an einen Funktionsgenerator angeschlossen. Man kann den zeitlichen Verlauf der Spannung einstellen, die Frequenz und die Amplitude (Maximalspannung).

Innerhalb der großen Primärspule befindet sich eine kleinere Sekundärspule.

Sowohl die Primärspannung des Funktionsgenerators als auch die Sekundärspannung an der inneren Spule werden mit einem Zwei-Kanal-Speicher-Oszilloskop gemessen.

• Verändern Sie zunächst die Primärspannung, indem Sie die Maximalspannung, die Frequenz und den zeitlichen Verlauf variieren. Machen Sie sich mit Hilfe des Induktionsgesetzes Ihre Beobachtungen klar.
• Ziel ist es nun, einige Messungen rechnerisch nachzuvollziehen, um das Induktionsgesetz zu bestätigen.

Zeichnen Sie den Verlauf der Primärspannung U1 (blau) und der Sekundärspannung U2(rot) jeweils in ein Koordinatensystem:

a1) Sinusförmiger Verlauf von U1,    f=100Hz, U1max=1V
a2) Sinusförmiger Verlauf von U1,    f=100Hz, U1max=2V
a3) Sinusförmiger Verlauf von U1,    f=400Hz, U1max=2V
 b) Sägezahnförmiger Verlauf von U1, f=200Hz, U1max=2V
 c) Rechteckförmiger Verlauf von U1, f=100Hz, U1max=1V

• Zunächst soll die Messung des sägezahnförmigen Verlaufs bestätigt werden.

Berechnen Sie dazu die Änderungsrate der Feldstärke der Primärspule [math]\dot H[/math] aus der Änderung der Primärspannung und wenden das Induktionsgesetz an.

Hinweise:

Das Induktionsgesetz lautet hier: [math]U_2(t) = n_2\, A\, \mu_0 \, \dot H(t)[/math]. Dabei ist n2 die Anzahl der Windungen und A die Querschnittsfläche der Sekundär-Spule. Die magnetische Feldkonstante können Sie der Literatur entnehmen (Buch oder Heft).

Für die Stärke des Magnetfeldes innnerhalb der Primärspule gilt: [math]H(t)=\frac{n_1 \, I(t)}{l}[/math]. Dabei ist n1 die Anzahl der Windungen , I die Stromstärke und l die Länge der Primärspule.

Der Zusammenhang zwischen Primärspannung und Stromstärke ist ungefähr:[math]U_1=R\, I[/math]. Dabei ist R der ohmsche Widerstand der Spule.

• Nun, da Ihre Messungen plausibel sind, können Sie daraus die magnetische Feldkonstante [math]\mu_0[/math] bestimmen!
• Zeigen Sie, dass für die Induktionsspannung bei sinusförmigen Velauf gilt: [math]U_i(t) = 2\pi\, f\, n_1\, n_2\, A\, \frac{\hat U_1}{R \, l}\cos(2\pi\,t)[/math]

Hinweise:

Den Spannungsverlauf ist allgemein: [math]U_i = \hat U \, \sin(2\pi\f \, t)[/math]. Der von a1) lautet zB: [math]U_1(t) = 1V \, \sin(2\,\pi\,100Hz\, t)[/math]

Energieübertragung mit Induktion

Der Kurbel-Generator (Dynamot)

Durchführung

Man dreht den Dynamo, um die Lampe zum Leuchten zu bringen und jemand schaltet die Lampe an und aus. (Schließt und öffnet den Stromkreis.)

Schwingender Magnet

Der belastete Transformator

vergrößern

Die Induktionskochplatte

Aufbau und Durchführung

Auf eine Induktonskochplatte wird eine Stück Alufolie gelegt und die Platte eingeschaltet.

Hier das Video des Versuchs

Der zähe freie Fall

Material

1 Kupferrohr, 2 Stahlkugeln, 1 kugelförmiger Neodymmagnet

Der Katapultring

Das angetriebene und gebremste Teelicht

Energiehalt des magnetischen Feldes und magnetisierter Gegenstände

Anschalten einer Lampe

Aufbau und Durchführung

Eine Spule (630Hy/280Ohm), eine Lampe (12V/0,1A) und ein Schalter sind in Reihe an eine Spannung von 30 Volt angeschlossen. Man schaltet ein und aus.

Unterbrechen eines Stromkreises

Aufbau und Durchführung

Ausschalten mit Glimmlampe

Zunächst wird eine Glimmlampe an eine Spannung von 30 Volt angeschlossen.

Danach an eine Spannung von ca. 100 Volt. Danach wird eine Spule (630Hy/280Ohm) über einen Schalter und ein Ampèremeter an die Spannungsquelle angeschlossen. Die Glimmlampe wird parallel zur Spule angeschlossen und der Schalter geschlossen und geöffnet.

Selbstinduktion beim Ein- und Ausschalten des Stroms in einer Spule

Ein elektrisches Wirbelfeld / Elektrodenlose Ringentladung / 2. Maxwellsche Gleichung

Aufbau und Durchführung

Eine Ringspule wird an eine hochfrequente Wechselspannungsquelle angeschlossen ( im MHz-Bereich ) .

In der Spule befindet sich eine Glaskugel, die mit Gas von geringem Druck gefüllt ist. Die Wechselspannung wird eingeschaltet und in die Nähe der Glaskugel wird ein durch Reibung elektrostatisch geladener Stab gebracht. Möglicherweise müssen Sie diesen Vorgang mehrfach wiederholen.

 Beschreiben Sie Ihre Beobachtungen 
 Erklären Sie Ihre Beobachtungen

Eine mit Neon gefüllte Glaskugel ist von einer Ringspule umgeben. Man legt eine hochfrequente (ca.10000Hz) Welchselspannung mit etwa 400 V an die Spule und erzeugt so ein sich schnell änderndes torusförmiges magnetisches Wechselfeld.

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  Bild 1

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  Rückseite der Geräte

Induktionsspule und Permanentmagnet

Material

1 Permanentmagnet, 2 Spulen mit 600 und 10000 Windungen, 1 kleines Messgerät, Kabel

Aufbau

Schließen Sie die Spule mit 600 Windungen an das Messgerät an.

a) Bewegen Sie den Magneten auf die Spule zu oder von ihr weg.

• Wie läßt sich die Beobachtung mit dem Induktionsgesetz erklären?

Drehe den Magneten oder die Spule um 180° und wiederhole den Versuch.

• Von welchen Bedingungen hängt die Polung der induzierten Spannung ab?

b) Untersuchen Sie nun wovon die Höhe der Induktionsspannung abhängt.

Ändern Sie dazu die Geschwindigkeit mit der Sie den Magneten bewegen und die Anzahl der Windungen der Spule. Messen Sie jeweils die Spannungen und tragen Sie sie in die Tabelle ein.

                       600 Windungen                    10000 Windungen
Langsam

Schnell

• Welchen Zusammenhang zwischen Windungszahl und Induktionsspannung vermuten Sie?

Induktionsspule und Elektromagnet

Material

1Trafo, 2 Spulen (600 und 10000 Windungen), Kabel, 1Kompass, 1Permanentmagnet, 1Messgerät

Aufbau

Lassen Sie durch die 600er Spule einen Strom der Stärke 2 Ampére fließen. (Nicht die 10000er, sie verträgt nur kleine Stromstärken!)

Schließen Sie die 1000er Spule an das Messgerät an.

Durchführung

a) Untersuchen Sie mit dem Kompass die Struktur des Magnetfeldes.

• Wie verlaufen die Feldlinien? Können Sie den Verlauf mit der rechten-Hand-Regel erklären?

b) Bewegen Sie den Elektromagneten auf die 10000er Spule zu oder von ihr weg.

Drehen Sie den Elektromagneten und wiederholen Sie den Versuch.

• Von welchen Bedingungen hängt die Polung der Induktionsspannung ab?

c) Untersuchen Sie nun die Höhe der Induktionsspannung. Ändern Sie dazu die Geschwindigkeit mit der Sie den Elektromagneten bewegen, die Stromstärke des Elektromagneten und die Windungszahl der Induktionsspule.

• Notieren Sie Ihre Ergebnisse und erklären Sie diese.

Induktionsspule mit Eisenkern

Aufbau

lange Eisenstange in die Induktionsspule, Permanentmagnet wird der Stange in großem Abstand zur Indunktionsspule genähert oder Entfernt.

Elektromagnet mit Eisenspule

Aufbau

Ein Eisenkern wird in den Elektromagneten geschoben oder herausgezogen.

Elektromagnet mit Wechselstrom (Transformator)

Aufbau

gleiche Windungsanzahl oder unterschiedliche (500 oder 1000)

Primär- und Sekundärspule Eine Primärspule ist an einen Funktionsgenerator angeschlossen, der wahlweise eine Sinus-, Rechtecks- bzw. Dreiecksspannung liefern kann. Diese Spannung kann man mit einem Oszilloskop ( Kanal 1 ) beobachten. Die in der Sekundärspule induziert Spannung beobachtet man mit dem Kanal 2 des Oszilloskops.

 Erstellen Sie eine Schaltskizze 
 Untersuchen und erklären Sie den Zusammenhang der beiden beobachteten Spannungen