Lernzirkel: Induktion

Technische Geräte verstehen

• Machen Sie zu den Geräten je eine Zeichnung und erklären Sie das Funktionsprinzip mit dem Induktionsgesetz.

Ein Elektromotor als Generator

Aufbau

Generator von Leybold

Veranschaulichung des Induktionsgesetzes

Machen Sie sich noch einmal das Induktionsgesetz klar:

An den Enden einer Leiterschleife wird eine Spannung induziert, wenn sich etwas >verändert<:
die Fläche der Schleife (senkrecht zu den Feldlinien) oder
die durchschnittliche Feldstärke in der Schleife oder
die Magnetisierung in der Schleife.

Wickelt man mehrere Schleifen zu einer Spule, so addieren sich die Spannungen.

Ein Kabel im Magnetfeld

Aufbau und Durchführung

langes Kabel, Messverstärker, Hufeisenmagnet

Ein langes Kabel ist an einen Messverstärker angeschlossen. Messbereich +/- 0,5mV.

Die Kabelschleife kann man nun:

1) In das Feld rein und rausstecken, mit verschiedenen Geschwindigkeiten

2) im Feld verkleinern oder vergrößern

3) im Feld drehen

4) Um eine Eisenstange legen, die magnetisiert wird.

5) Mit dem Kabel kann man auch eine kleine Spule mit 1, 2, 3, ... Windungen wickeln und die Versuche wiederholen.

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]

Ein Wechselstrom-Generator

Material

drehbar gelagerte Spule mit Kurbel, 2Hufeisenmagneten, Oszilloskop, Hall-Sonde, Uhr

Aufbau und Durchführung

Die Spule wird innerhalb des Feldes zweier Hufeisenmagnete gedreht. Die Spule ist an das Oszilloskop angeschlossen.

Die Flussdichte des Feldes kann mit der Hall-Sonde gemessen werden.

• Zeichnen Sie den zeitlichen Spannungsverlauf für langsames und für schnelles Drehen in ein Koordinatensystem.

Wie kann man den Verlauf mit dem Induktionsgesetz erklären?

• Zeigen Sie, dass für die Induktionsspannung gilt:

[math]U_i = \hat U \, \sin(\omega \, t)[/math] mit [math]\hat U = n \, B \, \, A \, \omega[/math]

• Versuchen Sie mit Hilfe einer Messung die Anzahl der Windungen der Spule zu ermitteln.

Überprüfen Sie dazu die Homogenität des Magnetfeldes und messen Sie die Flussdichte. (Vor der Messung sollte die Sonde parallel zum Feld gehalten werden und der Nullpunkt neu gesetzt werden.)

Messen Sie die Scheitelspannung mit einer Drehfrequenz von 1Hz. (Also [math]\omega = 2\,\pi[/math])

Energieübertragung mit Induktion

• Notieren Sie bei allen Versuchen Ihre Beobachtungen und erklären Sie diese.

Eine Tabelle mit Bildern

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  Hier das Video des Versuchs

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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

Aufbau und Durchführung

Ein Stabmagnet hängt an einer elastischen Feder in einer Spule. Der Magnet wird zum Schwingen gebracht und nach einigen Schwingungen die Spule mit einem Kabel kurzgeschlossen.

Die Induktionskochplatte

Aufbau und Durchführung

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

Der zähe freie Fall

Material

1 Kupferrohr, 2 Stahlkugeln, 1 kugelförmiger Neodymmagnet

Aufbau und Durchführung

Den Versuch können Sie als Zaubertrick vorführen: Welche der drei Kugeln fällt wohl am schnellsten: die große, die mittlere oder die kleine?

Dann lassen Sie die Kugeln eine nach der anderen durch das Kupferrohr fallen...

Das angetriebene und gebremste Teelicht

Aufbau und Durchführung

Das Teelicht wird von einer Spitze in der Mitte gehalten. Halten Sie den Magneten dicht darüber und kreisen mit ihm über das Teelicht.

Wenn das Teelicht sich dreht, halten Sie den Magnet dicht an das Teelicht ohne ihn zu bewegen.

Energiehalt des magnetischen Feldes und magnetisierter Gegenstände

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  Einschalten eines Lämpchens

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  Ausschalten mit Glimmlampe

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  Die beiden Schaltpläne

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.

• Beschreiben Sie Ihre Beobachtungen und versuchen Sie sie zu erklären.

Unterbrechen eines Stromkreises

Aufbau und Durchführung

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.

• Beschreiben Sie Ihre Beobachtungen und versuchen Sie sie zu erklären.

• Recherchieren Sie die Begriffe "Selbstinduktion" und "Induktivität".

Die verwendete Spule hat eine Induktivität von 630 Henry. Was bedeutet das?

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.

• Video der elektrodenlosen Ringentladung

• Beschreiben und Erklären Sie Ihre Beobachtungen.

Insbesondere den Begriff "elektrisches Wirbelfeld" und den Zusammenhang zwischen Spannung und elektrischer Feldstärke.

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  Bild 1

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  Rückseite der Geräte