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16. Dynamomaschine und Lenz’sche Regel 1 von 30

23 RAAbits Physik Mai 2011

I/D

Die Dynamomaschine von Siemens und die Lenz’sche Regel

Jürgen Godau, Halle (Saale)

Die Welt der Elektrotechnik ist für viele ein „Buch mit sieben Siegeln“. Wenn es um Strom und Spannung geht, die man ja bekanntlich nicht sieht, sind viele schon am Rand ihrer Vorstellungskraft angelangt. Kommt dann noch der Begriff des Magnet-feldes hinzu, ist die Verwirrung schon vorprogrammiert.

Begeben Sie sich mit Ihren Schülern auf eine historische Entdeckungsreise und bringen Sie ihnen mit diesem Beitrag behutsam die faszinierende Welt der Elektrotechnik näher.

Der Beitrag im Überblick

Klasse: 10 (G8)/11

Dauer: 5 Stunden

Ihr Plus:

• Schülerexperimente

• Biografische Informationen zu verschiedenen Physikern (Ampère, Faraday, Lenz, Siemens und Maxwell)

Inhalt:

• Dynamomaschine von Siemens

• Lenz’sche Regel

• Verschiedene Arten von Strömen: Anlassstrom, Extrastrom, Gegen-strom, Induktionsstrom

• Generator

• Elektromotor

Zeigen Sie den 15-minütigenFilm zum Thema(auf CD-ROM 23)!

Kommutator

mit Bürsten

Doppel-T-Anker

mit Wicklung

Polschuh

www.netzwerk-lernen.de

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http://www.netzwerk-lernen.de/::7920.html

16. Dynamomaschine und Lenz’sche Regel2 von 30


I/D

Fachliche und didaktisch-methodische Hinweise

Ampère, Faraday, Lenz, Siemens und Maxwell – diese fünf Herren sind prominente Vertreter in der Entwicklungsgeschichte der Elektrotechnik. Ihre Namen spielen in der Geschichte, die hier erzählt wird, eine Rolle. Die handelnde Person ist Werner Siemens.

Die Beobachtungen dieses bedeutenden deutschen Erfinders an seiner Dynamomaschine, seine Fragen, seine Schlussketten sowie seine Experimentierreihen sind der rote Faden auf einer Erlebnisreise, auf die sich Ihre Schüler mit diesem Material (M 1 – M 10) begeben sollen. Ziel dieser Reise ist die nach Heinrich Lenz benannte Regel, dass der Indukti-onsstrom seiner Ursache stets entgegengerichtet ist. Auf seinem gedanklichen Weg wird Siemens sich an die Erkenntnisse von Ampère und Faraday erinnern, ohne dass sie zum Vorwissen der Schüler gehören müssen. Das Arbeitsblatt M 11 dient der Verifikation und Festigung der Lenz’schen Regel an einem Sachverhalt aus der Erfahrungswelt der Schüler.

Begleitend zum Beitrag steht auf der CD-ROM 23 ein Film zur Verfügung.

Grundlagen der elektromagnetischen Induktion

Im Magnetfeld erfährt ein stromdurchflossener Leiter eine Kraft. Bewegt man einen Leiter im Magnetfeld senkrecht zu dessen Feldlinien, so wird eine Spannung induziert.

Wenn sich das Magnetfeld, das eine Spule umgibt, ändert, so wird in der Spule eine Spannung induziert.

Die 3. Maxwell’sche Gleichung:

Didaktisch reduziert, beginnt die Kette zur Herleitung der Lenz’schen Regel mit der 3. Maxwell’schen Gleichung:

rot E = – B•

oder K A

dE ds – B dA

dt⋅ = ⋅∫ ∫ ,

setzt sich im Faraday'schen Induktionsgesetz fort:

ind

dU

dt

Φ= −

und endet formalmathematisch beim Minuszeichen in dieser Regel.

Allerdings ist dieses Ende der Bemühungen um didaktische Reduktion lediglich ein vorläu-figes auf Kursstufenniveau (Sek II).

Für die Sekundarstufe I ist eine verbale Formulierung vorzuziehen.

Die Lenz’sche Regel

Der Induktionsstrom ist stets so gerichtet, dass er der Ursache seiner Entstehung entge-genwirkt.

In diesem Merksatz ist der Induktionsvorgang bereits auf den Strom reduziert, obwohl im Regelfall Spannung und Strom gleichzeitig erzeugt werden. Diese bewusste Beschränkung hilft in den folgenden Betrachtungen. Gemeinsam mit Werner von Siemens messen die Schüler gerade Ströme sowie insbesondere Induktionsströme.

Darüber hinaus ist diese Einschränkung auch bei anderen Unterrichtsbeispielen vorteil-haft. Erklärungen zur Lenz’schen Regel werden so verständlicher, da die Schlussketten meist über das vom Induktionsstrom erzeugte Magnetfeld führen. Als Beispiel kann die spektakuläre Induktionskanone genannt werden.


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I/D

M 7 Ab, Info Siemens’ Versuch einer Erklärung

M 8 SV Wir testen! Der Motor – jetzt als Generator!

V: 10 min D: 20 min

1 Stromversorgungsgerät

1 Gleichstrommotor (6 – 12 V)

4 Verbindungsleiter

1 Amperemeter

M 9 SV Siemens prüft weiter! Wir auch!

V: 10 min D: 20 min



4 Verbindungsleiter

1 Amperemeter

M 10 SV Jetzt prüfen wir!

V: 10 min D: 25 min



4 Verbindungsleiter

1 Amperemeter

M 11 LV, Ab Die Lenz’sche Regel am Fahrraddynamo

V: 10 min D: 20 min

1 Fahrraddynamo mit Schnurlaufrolle (z. B. 6 V; 5 W)

1 Hebelumschalter

1 Lampe (z. B. 3,8 V; 0,08 A)

1 Faden (ca. 2 m) mit Massestück 50 g

10 Stoppuhren oder 1 Demo-Stoppuhr

Verbindungsleiter mit Krokodilklemmen

Magnet-Hafttafel (Leybold)

Vertikaldemonstrationsset (Phywe)

Stativmaterial

M 12 Ab Das dynamoelektrische Prinzip – Fragen zum Film

Die Erläuterungen und Lösungen zu den Materialien finden Sie ab Seite 19.

Fortsetzung der Materialübersicht

V = Vorbereitungszeit SV = Schülerversuch Ab = Arbeitsblatt D = Durchführungszeit LV = Lehrerversuch Info = Informationsblatt


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I/D

M 1 Die Telegrafen-Bau-Anstalt von Siemens & Halske

Aufgaben

1. Lies den folgenden Lebenslauf von Werner Siemens und notiere drei Lebensetappen.

2. Welches große Ereignis in der deutschen Geschichte fällt in sein Leben? Wie alt war Siemens zu diesem Zeitpunkt?

3. Wie nennt man in der Geschichte die Epoche vom 18. Januar 1871 bis zum Börsenkrach 1873?

Das Leben von Werner Siemens

Werner von Siemens (bis 1888 Werner Siemens) wurde am 13. Dezember 1816 als viertes von 14 Kindern in Lenthe bei Hannover geboren. Seine Eltern konnten ein Ingenieursstudium nicht finan-zieren, weshalb er sich als Achtzehnjähriger frei-willig zur preußischen Armee meldete und so an der Artillerie- und Ingenieurschule in Berlin Mathematik, Physik und Chemie studieren konnte.

Arbeiten auf dem Gebiet der Telegrafie

Sein erstes Patent bezog sich auf eine galvani-sche Versilberungs- und Vergoldungstechnik. Des Weiteren arbeitete Werner Siemens an der Weiterentwicklung der Telegrafie. Zwei wichtige Erfindungen, die eines Zeigertelegrafen und eines Verfahrens zur nahtlosen Isolierung von Telegra-fenleitungen mit Guttapercha, führten schließlich zur Gründung seines ersten Unternehmens.

Foto: http://de.wikipedia.org

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Gemeinsam mit dem Mechanikermeister Johann Georg Halske gründete Werner von Siemens im Oktober 1847 die „Telegrafen-Bau-Anstalt von Siemens & Halske“.

Das Arbeitsfeld der Firma war der Bau von Tele-grafenleitungen. Unter anderem begann man 1874 mit der erfolgreichen Verlegung von Transatlantik-kabeln zwischen Europa und Nordamerika. 1881 wurde die erste elektrische Straßenbahnlinie der Welt in Berlin eröffnet.

Die Entdeckung des dynamoelektrischen Prinzips

Mit der Entdeckung des dynamoelektrischen Prinzips und dem Bau der ersten Dynamo- maschine schaffte Werner Siemens im Jahre 1866 seine wohl bedeutendste Erfindung − die Grundlage für die Entwicklung der Elektrotechnik.

1888 schließlich erhielt er den Adelstitel für seine Verdienste. Werner von Siemens starb am 6. Dezember 1892 in Berlin-Charlottenburg.

Die erste Straßenbahn


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I/D

M 4 Die Dynamomaschine – Geräteliste

Bild: http://www.deutsches-museum.de/sammlungen/ausgewaehlte-objekte/meisterwerke-iii/dynamomaschine/

dynamomaschine-grossansicht2/

Historische Darstellung:

Der Anker? ... Der Doppel-T-Anker?! ...

Wie absonderlich benimmt sich der Bursche,

wenn er nicht als Generator, sondern als Motor arbeiten soll!

Mit einem Ruck erhebt sich Siemens und geht in den Nachbarraum hinüber, der ihm als Laboratorium dient. Säuregeruch, der von Bunsenelementen herrührt, macht sich hier bemerkbar.

Werner Siemens stellt die Dynamomaschine neben die Elemente, holt aus einem Repo-sitorium Drähte, einen Ausschalter und ein Galvanometer und baut sich wieder einmal

− zum wievielten Male wohl nun schon? −

die wohlbekannte Schaltung auf, um die Erscheinung noch einmal zu beobachten.

Aufgaben

1. Lies noch einmal die historische Darstellung.

2. Schreibe die Originalbezeichnungen der Geräte auf, die Siemens verwendet hat.

Es sind fünf Stück.

3. Übersetze diese Bezeichnungen in unsere heutige Fachsprache.

Lege in deinem Heft eine Tabelle mit folgenden Spalten an:

Geräte von Siemens Heutige Bezeichnung

Kommutator

mit Bürsten

Doppel-T-Anker

mit Wicklung

Polschuh


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I/D

M 6 Experiment zum Anlassstrom der Dynamomaschine

Schülerversuch Vorbereitung: 10 min Durchführung: 15 min

Geräte Versuchsaufbau



1 Amperemeter

4 Verbindungsleiter

Gefahrenhinweis:

Vor dem Einschalten: Lasst die Schaltung von eurer Lehrkraft abnehmen!

Versuchsdurchführung (historische Darstellung):

Werner von Siemens in seinem Laboratorium:

Eine Schalterbewegung danach fließt Strom aus den Elementen (= Batterien) durch den Anker (= Rotor) des Motors und das Galvanometer (= Amperemeter). Weit schlägt der Zeiger des Instrumentes aus, während der Anker sich schnurrend in Bewegung setzt, und dann ... dann geht es ebenso wie auch vorher schon immer.

Der Instrumentenzeiger fällt zurück, während der Anker des Motors immer schneller läuft. Einen hohen singenden Ton lässt der Anker jetzt vernehmen, das Zeichen, dass er auf Höchsttouren gekommen ist. Nur noch einen geringen Bruchteil der früheren Stromstärke zeigt das Galvanometer an.

Mit zusammengekniffenen Lippen steht Siemens davor, fieberhaft arbeitet sein Hirn, formt Gedanken, bildet Schlüsse.

Aufgaben

1. Beobachte deinen Strommesser und deinen Motor beim Einschalten.

Schreibe die Beobachtungen folgendermaßen in dein Heft:

Eigene Versuchsbeobachtung:

• Dein Motor: ……………………………………………………………………….........................…

• Dein Strommesser: ……………………………...........…………………………..………….........

2. Miss die Anfangs- und die Endstromstärke. Ergänze die Ergebnissätze.

Eigene Messungen

Anfangsstrom: IAnfang =

(Anlassstrom) Endstrom: IEnde = (Dauerstrom)

Ergebnis: Der Anlassstrom ist als der Dauerstrom.

„Etwas“ den Stromfluss beim Drehen des Motors.


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I/D

M 9 Siemens prüft weiter! Wir auch!

Schülerversuch Vorbereitung: 10 min Durchführung: 20 min

Geräte



1 Amperemeter

4 Verbindungsleiter

Gefahrenhinweis:

Vor dem Einschalten: Lasst die Schaltung von eurer Lehrkraft abnehmen!

Beim Abbremsen: Verletzungsgefahr!

Siemens testet sich selbst: „Waren meine Überlegungen richtig?“

„In den Windungen eines bewegten Ankers muss ein Extrastrom auftreten, der dieser Bewegung entgegenwirkt ... gleichviel, ob ich den Anker von außen her drehe oder ob ich ihn durch einen hineingesandten Strom antreibe.“

„Wenn das aber so ist ... dann muss … ja ... dann muss, wenn ich den Anker in entge-gengesetzter Richtung drehe, auch der Extrastrom seine Richtung wechseln.“

Erste Prüfung:

1. Miss bei verschiedenen Drehrichtungen den induzierten Strom im Generatorbetrieb.

Drehe mit der Hand nach rechts. Induktionsstrom: ………..

Drehe mit der Hand nach links.Induktionsstrom: ………..

Zweite Prüfung (Gedankenexperiment):

2. Betrachte die folgenden drei Versuchsanordnungen. Vergleiche mit deinen bisherigen Experimenten.

3. Trage die von dir erwarteten Werte ein.

I1 =

(Dauerstrom)

I2 =

(Strom im Stillstand)

I3 =

(Strom bei Gegendrehen)

Schaltung 1

Schaltung 2 Schaltung 3 Schaltung 4


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I/D

M 11 Die Lenz’sche Regel am Fahrraddynamo

Lehrerversuch Vorbereitung: 10 min Durchführung: 20 min

Materialien Geräte

1 Fahrraddynamo mit Schnurlaufrolle (z. B. 6 V; 5 W)

1 Hebelumschalter

1 Lampe (z. B. 3,8 V; 0,08 A)

1 Faden (ca. 2 m) mit Massestück 50 g

Stativmaterial

Vertikaldemonstrationsset (Phywe)

Magnet-Hafttafel (Leybold)

Verbindungsleiter mit Krokodilklemmen

10 Stoppuhren oder 1 Demo-Stoppuhr

Versuchsaufbau

Versuchsdurchführung

Rollt den Faden an der Schnurlaufrolle auf und hängt ein Massestück (50 g) an. Unter dem Einfluss des am Faden herabsin-kenden Massestückes wird der Dynamo in Rotation versetzt. Zehn Schüler erhalten eine Stoppuhr. Untersucht die Sinkzeiten bei unterschiedlichen Einsatzbedingungen.

Aufgaben: Messt die Zeit für das Herabsinken des Massestücks bei folgenden Versuchs-bedingungen:

1. Licht aus (Leerlauf) 2. Licht an (Normalbetrieb) 3. Kurzschluss (Defekt)

Eigene Versuchsbeobachtung [Si =̂ Messwert von Schüler i]

Nr. ⇓ S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 Ø

1 t1 [in s]

2 t2 [in s]

3 t3 [in s]

Eigene Versuchserklärung (legt eine solche Tabelle im Heft an (3 Zeilen)!)

Nr. Versuchsbedingung Induktionsstrom Bremswirkung

Je der Induktionsstrom, desto die Bremswirkung.

für Amperemeter


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I/D

M 12 Das dynamoelektrische Prinzip – Fragen zum Film

Seht euch den Film aufmerksam an. Beantwortet die Fragen jeweils in Partner-arbeit.

Aufgaben

1. Erkläre, was physikalisch abläuft, wenn es bei einem Gewitter blitzt.

Tipp

Es hat etwas mit der elektrischen Ladung zu tun.

2. Gib wieder, welche Entdeckungen für die Entwicklung des Elektromagnetismus besonders wichtig waren. Fülle hierzu den Lückentext aus.

1820: Hans Christian Oersted entdeckt, dass Strom

eine ablenkt.

1825: Michael Faraday erkennt, dass die Bewegung eines in

einer elektrischen Leitung eine erzeugt.

1866: Werner Siemens erzeugt durch die rotierende Bewegung des

im Magnetfeld Strom.

3. Erläutere, was mit dem dynamoelektrischen Prinzip gemeint ist.

Tipp

Einen Permanentmagneten benötigte Siemens in seiner Dynamomaschine nicht.

4. Nenne die wesentlichen Bestandteile der Dynamomaschine.

5. Auch Turbinen dienen der Energiegewinnung. Welche natürliche Energiequelle nutzt man bei Turbinen?

6. Gib an, wie viel Volt etwa Hochspannungs- leitungen haben, um einen verlustarmen Energietransport zu ermöglichen.

7. Siemens entwickelte auch den Zeiger- telegrafen zur Nachrichtenübertragung.

Beschreibe, wie ein Zeigertelegraf funktioniert.

8. Welche Voraussetzung müssen Kabel erfüllen, um auf dem Meeresboden verlegt werden zu können?

Blitz – Ausdruck gewaltiger Energie

Zeigertelegraf von Siemens

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I/D

Erläuterungen und Lösungen

Zeigen Sie zur Motivation den 15-minütigen Film, den Sie auf der CD-ROM 23 finden.

M 1 Die Telegrafen-Bau-Anstalt von Siemens & Halske

Die Lernenden sollen diesen kurzen bebilderten Text selbstständig lesen und die drei Fragen beantworten. Der Text stimmt auf die folgenden Experimente und Erkenntnisse ein, die dem historischen Vorbild nachempfunden sind.

Bieten Sie zur Beantwortung der Fragen Bearbeitungshilfen an: Dies können beispiels-weise Bücher aus der Schulbibliothek sein, in denen die Gründerzeit, die Reichsgründung am 18. Januar 1871 in Versailles, die Industrialisierungsbemühungen im 19. Jahrhundert oder die Ereignisse im Umfeld des Deutsch-Französischen Krieges 1870/71 beschrieben werden. Erweiterungsmöglichkeiten stellen Texte zur Mode, zu Möbeln sowie zur Archi-tektur dieser Epoche dar.

Auch ein oder mehrere Computer mit Internetzugang sind als Bearbeitungshilfe geeignet.

Mögliche Informationsquellen sind:

– Geschichte: http://de.wikipedia.org/wiki/Reichsgründung

– Möbel: http://www.antiques-picaper.de/Stilkunde/stilkunde.html

– Mode: http://www.die-alte-schneiderei.de/gewandungen.htm

– Architektur: http://www.immometer.de/stilmusterbuch/index.html

Lösungen

1. Nach der Kindheit werden drei Lebensabschnitte vorgestellt.

– 1. Etappe: Studium an einer Artillerie- und Ingenieurschule

– 2. Etappe: Siemens als Erfinder

– 3. Etappe: Siemens als Unternehmer

2. 18. Januar 1871: Gründung des Deutschen Reiches

Zu diesem Zeitpunkt war Werner Siemens 54 Jahre alt.

Am 18. Januar 1871, gegen Ende des Deutsch-Französischen Krieges, fand im Spiegelsaal des Schlosses von Versailles die Ernennung des Königs von Preußen, Wilhelm I., zum Deutschen Kaiser statt.

3. Gründerzeit

Als Gründerzeit wird in Deutschland und Österreich die wirtschaftliche Phase im 19. Jahr-hundert von der Reichsgründung (18. Januar 1871) bis zum großen Börsenkrach von 1873 bezeichnet. In dieser Zeit schreitet die Industrialisierung in Mitteleuropa, deren Anfänge in den 1840er-Jahren liegen, beträchtlich voran.

(Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Gründerzeit)

In der Gründerzeit entwickelte sich auch ein relativ eigenständiger Stil in der Mode, bei Möbeln und in der Architektur. In diesen Bereichen wird das Ende der Gründerzeit häufig sogar zur Jahrhundertwende oder danach gesehen.


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