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Praktikum Klassische Physik II für Lehramtskandidaten

Trafos, Elektromagnete und Sicherheit An diesem Versuchstag sollen Sie anhand mehrerer Versuche aus der Elektrizitätslehre damit vertraut werden, ab wann Experimente gefährlich sind, welche Vorsichtsmaßnahmen man ergreifen muss bzw. wie man Experimente gestalten kann, damit sie berührungssicher sind.

Nach der RiSU (Richtlinie zur Sicherheit im Unterricht)1 und auch nach entsprechender DIN-Norm gilt als berührungsgefährliche Spannung:

wenn die Spannung 25 V Wechselspannung eff. oder 60 V Gleichspannung überschreitet (gemessen mit einem Spannungsmessgerät mit einem Innenwiderstand von > 50 kOhm) oder bei der bei Spannungen größer als 25 V Wechselspannung eff. oder 60 V Gleichspannung der mögliche Kurzschlussstrom größer als 3 mA Wechselstrom eff. oder 12 mA Gleichstrom ist (gemessen über einen induktionsfreien Widerstand von 2 kOhm)

oder bei der die mögliche Entladungsenergie (bei kurzzeitiger Entladung) größer ist als 350 mJ. Aufgaben zur Vorbereitung:

a) Wie lauten die Transformatorgesetze? b) Was ist ein belasteter bzw. unbelasteter Transformator? c) Wie ist ein Elektromagnet aufgebaut? Wie können Sie die magnetische Flussdichte einer

langen Spule berechnen (mit und ohne Eisenkern)? d) Wie funktioniert ein Hall-Sensor?

Fertigen Sie während der Praktikumsdurchführung Ihr Protokoll an! Notieren Sie übersicht-lich die einzelnen Versuche, Ihr Vorgehen, Ihre Beobachtungen und Ergebnisse!

A) Versuche mit Transformatoren Sie finden in der Sammlung diverse Spulen mit verschiedenen Windungszahlen (Abb. 1a). Achtung: Es gibt auch sog. „Netzspulen“, die Sie direkt ans Stromnetz anschließen können (Abb. 1b) – verwenden Sie die nur für ganz spezielle Versuche (z.B.: „Hörnerblitz“) und dann auch niemals ohne Eisenkern!

Abb. 1a: Einfache Spule Abb. 1b: Netzspule

1 https://www.kmk.org/fileadmin/veroeffentlichungen_beschluesse/1994/1994_09_09-Sicherheit-im-Unterricht.pdf

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Des Weiteren finden Sie Eisenkerne. Sie können daraus nun verschiedene Transformatorvarianten aufbauen. 1. Überlegen Sie sich einen geeigneten Aufbau, mit dem Sie die Transformatorgesetze quantitativ

nachweisen können (inkl. Tabelle, Graphik). D.h., wählen Sie geeignete Spulen. Überlegung zur Sicherheit: Welche Spannungen kann man hierbei am besten verwenden? Welches Netzgerät ist geeignet? a) Verwenden Sie dafür einmal einen idealen, unbelasteten Transformator, um zu zeigen, wie

sich die Spannungen beim Transformieren verhalten. Sie können ihre Transformatoren aus den vorhandenen Spulen mit unterschiedlichen Windungszahlen zusammenbauen. Untersuchen Sie mindestens 2 verschiedene Transformator-Varianten. Fehlerbetrachtung nicht vergessen!

b) Zeigen Sie in einer weiteren Messreihe, wie sich die Stromstärken verhalten. Denken Sie daran,

dass Sie hier einen Verbraucher auf der Sekundärseite benötigen, um einen Stromfluss zu messen, also einen belasteten Transformator. Sie können dafür z.B. ein großes Schiebepotentiometer nutzen. Führen Sie Ihre Versuche mit mindestens 2 verschiedenen Widerstandswerten des Potentiometers durch. Wie wirkt sich der Widerstand auf der Sekundärseite auf die Stromstärke im Primärkreis aus? Auch hier: Fehlerbetrachtung!

2. Führen Sie nun für beide Zusammenhänge ein Anwendungsexperiment durch.

a) „Hörnerblitzableiter/-trafo“, oft auch „Jakobsleiter“ genannt (s. Abb. 2): Mit diesem zeigt man, wie Spannung hochtransformiert wird. Verwenden Sie für die Primärspule eine Netzspule mit 500 Windungen, für die Sekundärspule eine Spule mit 23000 Windungen. Was beobachten Sie und warum? Überlegung zur Sicherheit: Wie gefährlich ist das Experiment? Welche Spannungen treten konkret auf der Primär-/Sekundärseite auf?

Abb. 2: Aufbau Hörnertrafo (Bild: conatex.com)

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b) Beim Versuch zum „elektrischen Schweißen“ wird die Spannung von einer Primärspule mit etwa 500 Windungen zu einer Sekundärspule mit nur 5 Windungen heruntertransformiert, während die Stromstärke hochtransformiert wird, siehe Abb. 3. Überlegung zur Sicherheit: Wie gefährlich ist das Experiment? Welche Stromstärke tritt auf der Sekundärseite auf, wenn Sie davon ausgehen, dass die Primärspule an ihrer Belastungsgrenze betrieben wird (s. Angaben auf Spule)?

Abb. 3: Versuch zum elektrischen Schweißen

(Bild: https://www.leifiphysik.de/elektrizitatslehre/transformator-fernubertragung/versuche)

B) Design und Bau eines Elektromagneten Um einen Elektromagneten zu bauen, benötigen Sie mindestens

Eine Spule (in die zusätzlich ein Eisenkern eingebaut werden kann)

Geeignetes Netzgerät (DC), das höhere Stromstärken zulässt Nun stellen sich die Fragen:

Welche Spulen sind geeignet bzw. welche Kenngrößen sollten diese haben (Windungszahl, Widerstand, zulässige Stromstärken im Dauerbetrieb)?

Mit welcher Spannung sollten Sie diese idealerweise versorgen?

1. Führen Sie zunächst einige Berechnungen zur Planung durch: In der untenstehenden Tabelle finden Sie alle in der Sammlung zur Verfügung stehenden Spulen. Suchen Sie die Spulen heraus und notieren Sie die fehlenden Kenndaten für 𝐼𝑚𝑎𝑥 und R in der Tabelle. Welche Kenngrößen sollten möglichst groß sein (s. Vorbereitungsaufgabe c))?

Gehen Sie nun davon aus, dass Sie die Spulen an ihrer Belastungsgrenze betreiben wollen (𝐼𝑚𝑎𝑥). Wie groß müssten Sie, unter Berücksichtigung des jeweils angegebenen Widerstands, die angelegte Spannung wählen, um diese Stromstärke zu erreichen? Ab wann besteht aber Berührungsgefahr (s. Richtlinien oben)? Finden Sie heraus, welche Spulen aus der Tabelle prinzipiell verwendbar wären. Welche ist die beste Wahl?

Windungszahl Zulässige Stromstärke 𝐼𝑚𝑎𝑥

Widerstand Spannung für 𝐼𝑚𝑎𝑥 berührungssicher?

𝑁 = 1000

𝑁 = 250

𝑁 = 500

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𝑁 = 10000

𝑁 = 23000

2. Berechnen Sie zunächst, welche Werte für die magnetische Flussdichte Sie theoretisch für die als

geeignet betrachteten Spulen erwarten.

3. Bauen Sie nun Ihren Elektromagneten auf. Zeigen Sie Ihrem/-r Betreuer/in Ihre Ergebnisse aus 1, bevor Sie etwas aufbauen!

Wählen Sie zunächst ein geeignetes Netzgerät aus und führen Sie mit jeder Spule, die Sie als

geeignet eingestuft haben, folgendes durch:

Schließen Sie die Spule direkt an das Netzgerät an (zunächst ohne Eisenkern) und betreiben Sie die Spule mit maximal der Spannung, die Sie oben in der Tabelle für 𝐼𝑚𝑎𝑥 berechnet haben (zu hohe Spannungen zerstören die Spulen, die Isolierung schmilzt!). Welche Stromstärke ergibt sich dabei in der Spule?

Messen Sie das Magnetfeld im Inneren der Spule quantitativ mit der Hallsonde und dem Teslameter (s. Abb. 4a). In der Anleitung zum Teslameter können Sie nachschlagen, wie das funktioniert. Vergleichen Sie die gemessenen Werte mit den theoretisch berechneten aus 2a). Wie erklären Sie sich Unterschiede?

Setzen Sie nun einen Eisenkern in die Spule ein und versuchen Sie, mit Ihrem Elektromagneten Nägel, Büroklammern o.ä. anzuziehen.

Verwenden Sie die kleine mechanische Magnetsonde (s. Abb. rechts) und untersuchen Sie qualitativ das Feld.

4. Suchen Sie sich nun eine der Spulen aus und betreiben Sie sie mit dem Eisenkern.

Verwenden Sie dabei als Netzgerät den „Kleinspannungsstelltrafo“ (Abb. 4b)) im Gleichspannungsbetrieb. Halten Sie nun einen Nagel mit der Hand knapp vor den Eisenkern, ohne ihn zu berühren. Was fällt Ihnen auf? Wie erklären Sie sich die Beobachtung? Messen Sie den Spannungsausgang dazu mit einem Oszilloskop.

Abb. 4a) Teslameter

Abb. 4b) Kleinspannungsstelltrafo