Lernzirkel: Induktion: Unterschied zwischen den Versionen
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Version vom 17. September 2012, 21:55 Uhr
Inhaltsverzeichnis
- 1 Technische Geräte verstehen
- 2 Veranschaulichung des Induktionsgesetzes
- 3 Rechnerische Anwendung des Induktionsgesetzes (magnetische Feldkonstante)
- 4 Energieübertragung mit Induktion
- 5 Energiehalt des magnetischen Feldes und magnetisierter Gegenstände
- 6 Ein elektrisches Wirbelfeld / Elektrodenlose Ringentladung / 2. Maxwellsche Gleichung
Technische Geräte verstehen
- Machen Sie zu den Geräten je eine Zeichnung und erklären Sie das Funktionsprinzip mit dem Induktionsgesetz.
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
- Notieren Sie bei allen Versuchen Ihre Beobachtungen und erklären Sie diese.
Eine Tabelle mit Bildern
- Spiegelbild einer Lampe in einer Seifenhaut
Hier das Video des Versuchs
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 Induktonskochplatte 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
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".
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
Bild 1
Rückseite der Geräte
