Kapitel 11 Elektrizität und Magnetismus

Kap.11 Elektrizität und Magentismus

Kapitel 11Elektrizität und Magnetismus

11. Elektrizität und Magnetismus

11.1 Magnetismus

Wiederholung der bereits bekannten Phänomene des Magnetismus.

Magnetische Stoffe: Eisen, Kobalt, Nickel.

Magnetpole; Anziehung und Abstoßung

Gleichnamige stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an.

Untersuchung der Pole

Versuch: Wir bringen zwei Ringmagnete auf zwei verschiedene Arten zusammen.

Ergebnis: Ungleichnamige Pole ziehen sich an, gleichnamige Pole stoßen sich ab.

Die Pole heißen Nordpol (rot) und Südpol (grün)

Magnetische InfluenzVersuch:

Eisen Magnet

In der Nähe eines Magneten wird ein Eisenstück selbst magnetisch. = Magnetische Influenz

Bringt man eine Stricknadel in die Nähe eines Magneten, bleibt ein Restmagnetismus (Remanenz)

Weitere Untersuchungen:

Versuch:

1. Laubsägeblatt magnetisieren, anschließend mit Kompass untersuchen.

Ergebnis: Es entsteht Nord- und Südpol.

2. Laubsägeblatt teilen:

Ergebnis:

Teilt man einen Magneten immer wieder, erhält man stets wieder Magneten mit Nord- und Südpol.

Dies kann man fortsetzen bis zu einer Größe von 0,01 bis 1 µm. (Größe der Elementarmagnete)

Diese Elementarmagnete sind in jedem ferromagnetischen Stoff vorhanden.

Magnetisieren bedeutet also das Ausrichten der Elementarmagnete.

Ein Magnet kann durch Erschüttern oder durch Erhitzen über eine bestimmte Temperatur wieder unmagnetisch werden.Curietemperatur (Fe 769°C, Ni 356°C, Co 1075°C)

Versuch:

versch. Stoffe

Magnet

Ergebnis: Magnetismus geht durch Papier, Glas etc.. Durch Eisen lässt sich der Magnetismus abschirmen.

11.2 Wirkungsbereich eines Magneten – Magnetfeld

http://www.zum.de/dwu/depotan/apma005.htm

Den Raum um den Magneten bezeichnet man als Magnetdfeld.Wirkungsbereich einer magnetischen Kraft.

Darstellung durch Kraftlinien.

Ermittle die verschiedenen Magnetfelder für Stabmagnete (auch zwei mit gleichen Polen einander gegenüber), Hufeisenmagnete

11.3 Magnetfeld der Erde

Das Magnetfeld der Erde gleicht dem eines Stabmagneten. (Stimmt allerdings weiter außerhalb nicht mehr. (Sonnewind)

Kompass zeigt in Nord-Südrichtung.Im geographischen Norden befindet sich ein magnetischer Südpol, im geogr. Süden ein magnetischer Nordpol.

Die Pole befinden sich weit unterhalb der Erdkruste.Ursache des Erdmagnet-feldes liegt in Kreisströmen. Für Permanentmagnet wäre es im Erdinneren zu heiß.

Die Magnetischen Pole stimmen nicht mit den geographischen überein.Im Norden: 73° nö. Breite 100° westl. Länge (nördl. von Kanada)1831 von Kapitän Ross auf Insel Boothia felix entdeckt.Im Süden: 69° südl. Breite, 143° östl. Länge (südl. von Australien) (1909 von Shakleton)Die Pole wandern jährlich um einige (ca. 7,5 km) km

Deklination: Abweichung der Magnetnadel von der geographischen N-S-Richtung.Diese ist ortsabhängig. Bregenz Bregenz 0° 8,2’ westl. Dekl.Inklination: Abweichung der Magnetnadel von der Horizontalen. (Bei uns ca. 60°)

11.4 Magnetische Wirkung elektrischer Ströme11.4.1 Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters

Versuch:

1820 entdeckte Oersted:

Eine Magnetnadel in der Nähe eines stromdurchflossenen Leiters erfährt eine Auslenkung.

Ein stromdurchflossener Leiter ist von einem Magnetfeld umgeben.

Die magnetischen Feldlinien bilden konzentrische Kreise um den Leiter.

Die Richtung der Feldlinien wird mit der Rechtsschraubenregel bestimmt.

11.4.2 Magnetfeld einer Spule

N S Versuch dazu mit kleinen Kompassnadeln auf Overhead oder Eisenfeilspäne

Es gleicht dem Magnetfeld eines Stabmagneten.

Die Richtung des Magnetfeldes wird mit der Rechte-Hand-Regel bestimmt. (Rechte Hand mit Zeigefinger in Stromrichtung, Daumen zeigt dann den Nordpol.)

Wovon hängt die Stärke des Magnetfeldes einer Spule ab?

Versuch 1: Spule mit 600 Windungen ohne Eisenkern Kompassnadel wird in der Nähe aufgestellt.Wir variieren die Stromstärke.

Je höher die Stromstärke, desto stärker das Magnetfeld

Versuch 2: Drei Spulen (300W., 600W., 1200W) werden in Serie geschaltet. Vor alle wird im gleichen Abstand eine Magnetnadel angebracht.

Je höher die Windungszahl, desto stärker das Magnetfeld

11.4.3 Elektromagnete

Versuch:

1. Ohne Eisenkern

2. Wir schieben einen Eisenkern in die Spule

Ergebnis: Mit dem Eisenkern wird die magnetische Wirkung um ein Vielfaches verstärkt.Begründung: Im Weicheisenkern werden die Elementarmagnete ausgerichtet.

Eine stromdurchflossene Spule mit einem Eisenkern wird als Elektromagnet bezeichnet.

Elektromagnete haben den Vorteil, dass sie sich in ihrer Stärke durch Verändern der Stromstärke regeln lassen.

Überlege Aufgaben 7.1 und 7.2 Seite 11

7.1: Antwort: Er muss entgegengesetzt gerichtet sein.7.2: Antwort: Wenn alle Elementarmagnete ausgerichtet sind, kommt es zur Sättigung

Lies Zusammenfassung Seite 11 unten!

11.4.4 Anwendungen von ElektromagnetenStoffsammlung:

Elektr. Türöffner, Weichen, ....

Unterbrechungseinrichtung heißt Wagnerscher Hammer.

Elektrische Klingel• Beim Schließen des Schalters fließt

Strom durch die Spule.• Die Spule wird zum Magneten. • Der Eisenanker wird von der Spule

angezogen, er schlägt auf den Klangkörper.

• Der Kontakt K wird durch die Anziehung des Ankers unterbrochen.

• Durch die Spule fließt kein Strom mehr. • Der Anker wird nicht mehr angezogen

und schwingt zurück. • Der Kontakt K wird wieder geschlossen.

KlingelVersuchsaufbau:

Die Spule steckt auf zwei Doppelsteckerstiften, die direkt in die Schaltplatte eingesetzt werden. Gleichspannung 10V unstabilisiert.Die Blattfeder in der Klemm-buchse mit Schlitz soll den Kontaktstift leicht berühren und dabei etwa 6 - 8 mm vom Eisenkern, der in die Spule eingeschoben wird, entfernt sein.

Versuch: Schalter schließen.An der Kontaktstelle der Blattfeder erkennt man starke ............................Warum ist gutes Kontaktmaterial erforderlich?Wir verfolgen den Weg des Stromes! Warum schwingt die Blattfeder? Fachausdruck für diese Schaltung: .........

Funkenbildung

Wagnerscher Hammer

Schülerversuch zu Klingel

Relais

Kontaktfeder

Elektrisches Relais:

Es enthält zwei getrennte Stromkreise:

Laststromkreis.

SteuerstromkreisMit einem relativ kleinen Strom kann ein großer Stromkreis geschaltet werden.

RelaisWir erkennen zwei Stromkreise:Der Stromkreis für die Relaisspule (800W) wird mit 10V nichtstabilisiert versorgt. Er wird durch den Schalter aus- und eingeschaltet.An den zweiten Stromkreis wird eine Gleichspannung von 6V (stabilisiert) angelegt.

Die Blattfeder wird auf den linken "Ruhe"-kontakt gelegt. Spule wie bei Klingel schalten.Ruhekontakt R und Arbeitskontakt A sind Steckstifte mit ganz oben montierten Muttern in einem Baustein mit Unterbrechung.

Relais

RuhekontaktArbeitskontakt

Versuch: Der in die Spule eingeschobene Eisenkern ist so zu lagern, dass die Blattfeder beim Einschalten auf den rechten "Arbeits" - Kontakt aufschlägt, ohne vom Eisenkern daran gehindert zu werden.

Er muss andererseits aber die Blattfeder auch anziehen können.Mehrmals ein- und ausschalten.

Relais

Steuerstromkreis

Relais

Laststromkreis

Erkenntnis:

Das Relais besteht aus einer Spule, die bei Stromfluss einen beweglichen Anker anzieht und dabei den ................... - Kontakt schließt.Ohne Stromfluss ist der ...................- Kontakt geschlossen.Mit Hilfe des Spulenstromes bzw. seines Magnetfeldes kann man also einen anderen Stromkreis öffnen oder schließen.

Arbeits

Das Drehspulinstrument

Der zu messende Strom wird über die Spiralfedern durch die Spule geschickt.

Dadurch wird ein Magnetfeld erzeugt, das sich im Magnetfeld des Hufeisenmagneten je nach Stromstärke ausrichtet.

Der mit der Drehspule verbundene Zeiger dreht sich.

Das Drehspulinstrument kann als Strommessgerät und als Spannungsmessgerät eingesetzt werden.

11.4.5 Der Elektromotor

Versuch: Leiterschaukel Ergebnis: Auf einen stromdurchflossenen Leiter, der sich in einem Magnetfeld befindet, wirkt eine Kraft. Der Leiter bewegt sich senkrecht zu den magn. Feldlinien.

Die Kraftrichtung ändert sich, wenn man die Stromrichtung umkehrt oder das Magnetfeld umkehrt.

Zur Leiterschaukel:

Die Richtung der Kraft wird mit der U V W - Regel bestimmt.U ... Ursache (Daumen): StromrichtungV ... Vermittlung (Zeigefinger): Richtung des MagnetfeldsW ... Wirkung (Mittelfinger): Richtung der Kraft

Technische Stromrichtung

Richtung des Magnetfeldes(Nord-Süd)

Richtung der Kraft

Ursache

Vermittlung

Wirkung

Der Elektromotor

Wir wollen die Bewegung in eine Drehbewegung verwandeln.

Schülerversuch mit Elektromotor.

Permanentmagnet und eine drehbare Spule (Anker)

1. Wir schließen einen Gleichstrom an die beiden Schleifringe an. Der Anker dreht sich ein Stück und bleibt dann stehen. (Die beiden Magnete (Feldmagnet und Elektromagnet ziehen sich an. ))

Wir erkennen: Man muss die Stromrichtung umkehren.

2. Wir verwenden den Kommutator statt der Schleifringe.

Nun läuft der Motor. ( Vielleicht muss man ihn etwas anwerfen.)

Polwender bei Elektromotor

Wiederholung Elektromotor

Bei welcher Stellung des Ankers muss der Strom durch den Anker umgepolt werden?

Die Zuleitung erfolgt über Kohlebürsten. Diese sind leitend und schmieren gleichzeitig.

Im Anker befindet sich ein Weicheisenkern. Der Anker wird auch als Rotor bezeichnet, während der Feldmagnet als Stator bezeichnet wird.

Häufig wird ein Doppel-T-Anker verwendet.Für einen ruhigeren Lauf verwendet man Vierfach – T – Anker oder Trommelanker. Dementsprechend oft muss die Stromrichtung umgekehrt werden. (Kommutator wird in weitere Segmente unterteilt.

Zur Verbesserung wird der Feldmagnet als Elektromagnet ausgebildet.

Gleichstrommotor mit Elektromagnet

11.4.5.1 Der Wechselstrommotor

Dreht man im Anker die Stromrichtung um, so ändert sich die Drehrichtung des Motors. Dreht man aber gleichzeitig auch die Stromrichtung durch den Feldmagneten um, so dreht sich der Motor in dieselbe Richtung.

Das heißt, wenn wir einen Wechselstrom verwenden funktioniert der Motor auch.Dabei müssen Anker und Feldmagnet Elektro-magnete sein und vom selben Strom betrieben werden.Weil sie mit Gleich- und Wechselstrom betrieben werden können, bezeichnet man sie als Allstrommotoren.

Diese Motoren haben ein großes Anwendungsgebiet:Haushaltsgeräte, Elektrowerkzeuge, ...

Für Motoren mit hohen Leistungen verwendet man meist andere Motoren (Drehstrommotoren).

Lies Zusammenfassung Seite 16.

Führe die Aufgaben 10.1 und 10.2 (Buch S. 16) aus!

11.5 Elektromagnetische Induktion

1.5.1 Prinzip der Induktion

Versuch: Leiterschaukel

Wir erinnern uns:

Auf einen stromdurchflossenen Leiter in einem Magnetfeld wirkt eine Kraft.

Ursache war der Strom. Wirkung war die Kraft.

Können wir Ursache und Wirkung vertauschen?

Versuch: Leiterschaukel

Statt der Batterie bauen wir ein Messgerät ein.

Bewegen wir den Leiter, zeigt das Messgerät einen Ausschlag.

Ergebnis:

Durch die Bewegung eines Leiters in einem Magnetfeld wird eine elektrische Spannung induziert. Sie heißt Induktionsspannung, der von ihr hervorgerufene Strom Induktionsstrom.

Versuch:

Wir bewegen den Leiter parallel zu den magnetischen Feldlinien.

Ergebnis: Kein Ausschlag.

In einer Leiterschleife wird nur dann eine Spannung induziert, wenn sich die Anzahl der umschlossenen magnet. Feldlinien ändert.

Versuch: rascheres Bewegen des Leiters:

Die Induktionsspannung ist umso größer, je schneller sich die Anzahl der umschlossenen Kraftlinien ändert.

300W 600W 1200W

11.5.2 Induktion in einer Spule

Versuch:

Drei Spulen werden in Serie geschaltet.

Wir schieben nacheinander einen Stabmagneten in die Spule.

Induktion in Spulen

Ergebnis: Die induzierte Spannung ist umso größer,

• je größer die Anzahl der Windungen ist,

• je stärker der Magnet ist

• und je rascher der Magnet bewegt wird

11.5.3 Der Generator

PermanentmagnetPermanentmagnet

Schleife

Schleifringe

Abgriff über Kohlebürsten

Bei der Drehung der Schleife ändert sich die Anzahl der umschlossenen Feldlinien.

Der Zeiger des Messgeräts bewegt sich zunächst nach rechts, dann nach links; d. h. die Stromrichtung wird nach einer halben Umdrehung umgekehrt.

AnimationAnimation (Fend)

11.5.3.1 Wechselstromgenerator

Technischer Wechselstrom:

Pro Sekunde erreicht er 50 mal einen Höchst- und einen Tiefstwert (50Hz).Er wird in Kraftwerken durch Generatoren erzeugt, welche durch Turbinen angetrieben werden.

Technische Ausführung:

Da bei den Bürsten hohe Ströme auftreten würden, baut man Innenpolmaschinen. D. h. Das Magnetfeld dreht sich. Der Magnet ist meist ein Elektromagnet, der von einem Gleichstrom gespeist wird. Vergl. Gleichstromgenerator!Die Induktionsspule ist im Stator. Dadurch kann man die Spannung leichter abgreifen.

11.5.3.2 Der Gleichstromgenerator

Der so entstehende Strom wird pulsierender Gleichstrom genannt.

Ersetzt man beim vorigen Generator die Schleifringe durch einen Kommutator, so wird nach einer halben Umdrehung die Stromrichtung umgekehrt.

Simulation

Dynamoelektrisches Prinzip:

Ein kleiner Restmagnetismus reicht aus, dass eine kleine Spannung induziert wird. Der Induktionsstrom verstärkt den Magneten, größere Spannung wird induziert, größerer Strom, stärkerer Magnet ,....

Der Erfinder dieses „dynamoelektrischen Prinzips“ war Siemens 1867.

Dabei wird der Permanentmagnet durch eine Elektromagnet ersetzt.

Heute verwendet man in Kraftwerken oft Gleichrichter um den Erregererstrom für die Elektromagneten bereitzustellen.

Gleichstromgeneratoren verwendet man für die Speisung des Elektro-magneten in einem Wechselstromgenerator.

11.5.4 Der Dreiphasenwechselstrom

Drehstromgenerator

Lies im Buch Seite 22

Dreiphasenwechselstrom

Dreiphasenwechselstromgenerator:

3 Statorwicklungen sind gegeneinander jeweils um 120° versetzt.

L1, L2, L3 ... Phasenleiter

N ... Neutralleiter (Nullleiter)er wird meist geerdet.

In allen 3 Wicklungen wird eine Wechselspannung induziert.

Phasen

Die drei Wechselspannungen sind gegeneinander versetzt.

Dreiphasenwechselstrom

Zwischen Phase und Nullleiter haben wir in Österreich eine Spannung von 230 V.

Zwischen zwei Phasen haben wir eine Spannung von 400 V.

Mit Hilfe des Dreiphasenwechselstromes kann man sehr einfache Motoren betreiben. (Sogenannte Drehstrommotoren)

11.5.5 Induktion durch Elektromagnetismus

Wir haben gelernt:Für die Induktion muss sich das magnetische Feld ändern.

Versuch:

Schließen des Schalters in I → Spannungsstoß in II

Öffnen des Schalters in I → Spannungsstoß in II

I und II sind nicht leitend verbunden.

Beim Ein und Ausschalten des Stromes in I ändert sich die Stromstärke und dadurch die Stärke des Magnetfelds, das auch die Spule II durchsetzt.Fließt ein gleichmäßiger Strom (Gleichstrom), so ändert sich das Magnetfeld nicht keine Spannung wird induziert.

Jede Änderung der Stromstärke in der Primärspule führt zu einer Änderung des Magnetfeldes und damit zur Induktion einer Spannung.

11.5.6 Die Selbstinduktion

Um eine Glimmlampe zum Leuchten zu bringen ist eine Zündspannung von ca. 170 V erforderlich.

Versuch:

Beim Einschalten leuchtet die Lampe nicht, beim Ausschalten schon.

Änderung des Spulenstroms bewirkt eine Induktionsspannung.

Da die Induktion hier in derselben Spule auftritt, spricht man von Selbstinduktion.

Anwendung bei der Zündspule für Mopeds und Autos.

11.5.6.1 WirbelströmeVersuch:

Bei Bewegung eines massiven leitenden Körpers in einem Magnetfeld treten Wirbelströme auf. Nach der Lenzschen Regel sind sie so gerichtet, dass die darauf wirkende Kraft die Bewegung hemmt.

Anwendung: Wirbelstrombremse in E-Motoren. Zusatzbremse bei LKWs

Unangenehme Eigenschaft: Wirbelströme führen zu starker Erwärmung. Bei Eisenkernen von Elektromagneten würde dies zur Schwächung des Magneten führen. Daher Lamellierung des Eisenkerns.

Führe den Schülerversuch zum Transformator durch!

11.5.7 Der Transformator und seine Anwendungen

Wir verwenden einen Wechselstrom !!!Da sich die Stromstärke dauernd ändert, wird in der Sekundärspule ständig eine Spannung induziert.

Führe den Schülerversuch zum Transformator durch!

11.5.7 Der Transformator und seine Anwendungen

Wir verwenden einen Wechselstrom !!!Da sich die Stromstärke dauernd ändert, wird in der Sekundärspule ständig eine Spannung induziert.

Beide Messgeräte sind auf Wechselspannung zu stellen! Messbereich 30V !!!

Eisenkern mit geschlossenem JochVersuch 1:Primärspule: N1 = 1600W Sekundärspule: N2 = 800W

Spannungsverhältnis: U1 : U2 = N1 : N2

Primärspannung U1 6 V 10 V 15 V

Sekundärspannung U2

Versuch 2:Primärspule: N1 = 800W Sekundärspule: N2 = 1600W

Versuch 1:Primärspule: N1 = 1600W Sekundärspule: N2 = 800W

Primärspannung U1 6 V 10 V 15 V

Sekundärspannung U2

Die Spannungen primärseitig und sekundärseitig verhalten sich wie die Windungszahlen.

800W / 1600W

TrafoI II

U1 UL1 U2

Wie funktioniert der Trafo?

Wenn im Primärkreis ein Wechselstrom fließt, entsteht im Eisenkern ein sich dauernd änderndes Magnetfeld. Dieses induziert in der Sekundärspule eine Spannung.

Mit Gleichstrom funktioniert also ein Trafo nicht !!!!

Anwendungen des Transformators:

Mit dem Trafo lassen sich also beliebige Spannungen sekundärseitig erzielen.

Bei einem guten Transformator gilt etwa:

Leistung primärseitig = Leistung sekundärseitig

sspp IUIU

Wird auf der Sekundärseite kein Strom entnommen, fließt auch primärseitig fast kein Strom.

Versuch:

1600W / 800W

TrafoI II

U1 UL1

Ergebnis: Schließt man im Sekundärkreis Verbraucher an, steigt die Stromstärke auch im Primärkreis. Je heller die Lämpchen in II leuchten, desto höher die Stromstärke in I.

Schweisstrafo

600W / 5W

Primärseitig viele Windungen.Sekundärseitig: Wenig, aber dicke Windungen.Die Stromstärke im Sekundärkreis ist sehr hoch.

Rechne mit der Leistungsformel nach!

Ergebnis: Der Nagel kommt zum Glühen und schmilzt dann durch.

Induktionsofen.

Versuch mit der Schmelzrinne:

230VWasser

Die Schmelzrinne kann als eine Windung aufgefasst werden. Die Spannung ist sehr klein, daher I sehr groß.

Modell des Elektroschmelzofens.

Prinzip des Hörnerblitzableiters:

Es lassen sich auch sehr hohe Spannungen herstellen.

500W / 10000W

Bringt man die beiden Hörner nahe zueinander, bildet sich ein Funken der nach oben klettert und abreißt.

Stellt man Kerze unter die engste Stelle, so bildet sich bereits bei größerem Abstand ein Funken.Auf diesem Prinzip beruht der Hörnerblitzableiter.

Anwendung bei Freileitungen. Ein Horn geerdet, das andere am Leiterseil angeschlossen. Bei einem Blitzschlag (Überspannung) springt ein Funke über. Dadurch wird die überschüssige Ladung zur Erde abgeleitet.

Hohe Spannungen benötigt man auch bei Fernsehröhren, Röntgenapparaten. Dort verwendet man Hochspannungstrafos.

Anwendungen des Transformators:

Versuch: Lange Leitung

Die beiden Widerstände simulieren den Leitungswiderstand

Ergebnis:

Der Hochspannungstrafo

Lange Leitung

Lange Leitung500W / 10000W 10000W / 500W

Trafo Trafo

Ergebnis:

Die Lampe leuchtet nicht.

Die Lampe leuchtet.

Berechne jeweils die Stromstärke, wenn die Leistung gleich bleibt!

Spannung U Stromstärke I Leistung P=U∙I

Kraftwerk 10 kV 1000 A

Hochspan-nungstrafo

200 kV "

Umspannwerk 20 kV "

Ortstrafo 230 V "

Spannung U Stromstärke I Leistung P=U∙I

Kraftwerk 10 kV 1000 A 10 MW

Hochspan-nungstrafo

200 kV 50 A "

Umspannwerk 20 kV 500 A "

Ortstrafo 230 V 43478 A "

In Fernleitungen wird die elektrische Energie bei hohen Spannungen und verhältnismäßig geringen Stromstärken übertragen.

11.5.8 Stromversorgung

Arbeite die Arbeitsblätter „Vom Kraftwerk zum Verbraucher“ durch!

11.5.9 Sicherheitsmaßnahmen,

Arbeite die Arbeitsblätter „Sicherheit im Haushalt“ durch!

http://www.zum.de/dwu/depotan/apem111.htm

Wechselstromgenerator

http://www.zum.de/dwu/depotan/apem003.htm

Zur Leiterschaukel:

http://www.zum.de/dwu/depotan/apem105.htmPolwender bei Elektromotor

http://www.zum.de/dwu/depotan/apem110.htmInduktion verschiedene Spulen

Kapitel 11 Elektrizität und Magnetismus

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