Arbeitsblatt: Werkstatt Magnetimus und Elektrizität

Orientierungsstufe Hergiswil Werkstatt: Magnetismus und Elektrizität Fach: Naturlehre Schultyp: Untergymnasium, Sekundar- und Realschule, Orientierungsstufen mit Niveaukursen Klasse: 8. Schuljahr Bearbeitungsdauer: 10 Lektionen (inkl. Prüfungen) Autor: Xaver Marty und Ernst Mathis, Hergiswil Fassung: Dezember 1998 Schulerfahrung: 1999 Naturlehre\Magnetismus und Elektrizität Lösungen 2. Orientierungsstufe Hergiswil NW My/em Orientierungsstufe Hergiswil Inhaltsverzeichnis Übersicht 3 Werkstattpass 4 Werkstattposten Posten 1: Natürliche Magnete 5 Posten 2: Künstliche Magnete 6 Posten 3: Die Pole 7 Posten 4: Gegenseitiges Verhalten der Pole 8 Posten 5: Die magnetischen Kraftfelder 9 Posten 6: Wie funktioniert ein Kompass? Das Magnetfeld der Erde 10 Repetitionsfragen 1 13 Posten 7: Elementarmagnete 14 Posten 8: Magnetische Influenz (Beeinflussung) 15 Posten 9: Der Elektromagnet 16 Posten 10: Wie verhält sich das Feld eines elektromagnetischen Leiters? 17 Repetitionsfragen 2 18 Zusatzposten: Elektromagnetismus – Anwendungen 19 Übersicht Naturlehre\Magnetismus und Elektrizität Lösungen My/em Orientierungsstufe Hergiswil Thema Magnete haben etwas Faszinierendes. Wahrscheinlich hast du schon als Kleinkind gerne mit einem Magneten gespielt und dabei festgestellt, dass nur bestimmte Gegenstände angezogen werden. Im Alltag begegnen uns Magnete fast täglich. Wir nehmen sie kaum mehr wahr. In allen Elektromotoren sind Magnete versteckt. Ohne sie würden die Motoren überhaupt nicht funktionieren. In einem ersten Teil befassen wir uns vor allem mit den künstlichen Magneten, überprüfen ihr gegenseitiges Verhalten, zeichnen ihre Kraftlinien mit Bildern und wollen auch den Kompass kennenlernen. Im zweiten Teil ist der Elektromagnet unser Hauptthema und in einem Zusatzangebot weisten wir auf die Anwendung des Elektromagnetismus hin. Lektionsablauf Wir haben das Thema „Magnetismus in Form einer Werkstatt zusammengestellt. Zuerst stehen sechs verschiedene Posten zur Verfügung, danach folgen Repetitionsfragen. Erst wenn diese korrekt beantwortet und vom Lehrer korrigiert sind, können die nächsten Posten in Angriff genommen werden. Es folgen erneut Repetitionsfragen und am Schluss steht für Schnellarbeiter ein Zusatzposten zur Verfügung. Der Ablauf sieht wie folgt aus: 1. Partnergruppen bilden. 2. Die Gruppe wählt einen Posten aus. (Es können auch mehrere Gruppen am gleichen Posten arbeiten.) 3. Die Wahl der Postenfolge ist frei. 4. Bei jedem Posten befinden sich Arbeitsblätter. Die Gruppe studiert das Thema, die Ziele und die Arbeitsanweisungen. Danach folgt die Ausführung der Arbeitsanweisungen. 5. Meistens ist auf den Arbeitsblättern freier Platz. Die Ergebnisse können direkt auf das Arbeitsblatt geschrieben und gezeichnet werden. 6. Jeder Posten wird sauber und geordnet verlassen. 7. Die Lösungen der Postenaufträge stehen beim Lehrer zur Verfügung. Die Gruppe überprüft ihre Ergebnisse mit den Lösungen. 8. Auf dem Blatt „Werkstattpass und beim Kontrollblatt des Lehrers wird eingetragen, welche Posten erledigt sind. 9. Nach zwei Doppelstunden soll der erste Teil (inkl. der Repetitionsfragen) der Werkstatt beendet sein. Die Gruppe soll im Unterricht die Lösungen nur im Entwurf erstellen, die Feinarbeit folgt zu Hause. 10. Selbstverständlich können die Aufgaben auch mit dem PC erledigt werden. 11. Beendete Arbeitsblätter müssen dem Lehrer zur Korrektur abgegeben werden. 12. Bei Unklarheiten kann die Gruppe beim Lehrer nachfragen. Und nun an die Arbeit! Werkstattpass Fülle den Werkstattpass nach Beendigung eines Auftrages aus. Setze das Ausführungsdatum ein. Naturlehre\Magnetismus und Elektrizität Lösungen My/em Orientierungsstufe Hergiswil Po st en Auftrag 1 Natürliche Magnete 2 Künstliche Magnete 3 Die Pole 4 Gegenseitiges Verhalten der Pole 5 Die magnetischen Kraftfelder 6 Wie funktioniert ein Kompass? Das Magnetfeld der Erde Da tu ger au sau sge fü hrt au sge fü hrt nic ht ger au sge fü hrt Bemerkungen Repetitionsfragen 1 7 Elementarmagnete 8 Magnetische Influenz (Beeinflussung) 9 Der Elektromagnet 10 Wie verhält sich das Feld eines elektromagnetischen Leiters? Repetitionsfragen 2 Zu sat zp ost en Elektromagnetismus – Anwendungen Posten 1: Natürliche Magnete Thema: Naturlehre\Magnetismus und Elektrizität Lösungen My/em Orientierungsstufe Hergiswil Gewisse Eisenerze (Gesteinsmaterialien, welche Eisen enthalten) haben die Fähigkeit, Eisenteile anzuziehen. Sie waren schon im Altertum bekannt und stammten hauptsächlich aus der Umgebung der kleinasiatischen Stadt Magnesia (andere Namen: Magnisa, Manisa). Die Kraft, welche in den Eisenerzen wohnt, hat deshalb den Namen Magnetismus oder magnetische Kraft erhalten. Ein Körper, von dem magnetische Kräfte ausgehen, wird als Magnet bezeichnet. Ziel: Wir wissen woher der Begriff „Magnet kommt. Arbeitsanweisungen: 1. Ueberziehe im Text „Natürliche Magnete die wichtigsten Teile. 2. Suche im Atlas die Stadt Magnesia (Magnisa, Manisa). Erstelle eine einfache Skizze und gib die geografische Länge und Breite der Stadt an. Lösungen: 1. Die wichtigsten Teile sind gelb markiert. 2. Naturlehre\Magnetismus und Elektrizität Lösungen My/em Orientierungsstufe Hergiswil Posten 2: Künstliche Magnete Thema: Die in der Natur gefundenen Magnete sind in der Regel sehr schwach. Um die Wirkung der magnetischen Kräfte besser untersuchen zu können, benützt man künstliche Magnete. Ziele: 1. Wir kennen 3 verschiedene Formen von künstlichen Magneten. 2. Wir wissen, welche Stoffe vom Magneten angezogen werden. Arbeitsanweisungen: 1. Im Buch „Welt der Physik S. 102 sind verschiedene Formen von Magneten fotografiert. Zeichne einen Stabmagnet, U-Magnet und eine Kompassnadel. Beschrifte. 2. Ueberprüfte, welche der folgenden Gegenstände vom Magneten angezogen werden: Büroklammer, Spitzer, Nagel, Eisenstück, Kupferblech, Zweifrankenstück, Aluminium- und Nickelbelch, Holzmassstab, Stricknadel, Geodreieck, Kobalt. Erstelle eine Tabelle mit den Spalten „Vom Magnet angezogen und „Vom Magnet nicht angezogen. Lösungen: 1. 2. Vom Magnet angezogen Spitzer Nagel Eisenstück Nickelblech Stricknadel aus Eisen Kobalt Naturlehre\Magnetismus und Elektrizität Lösungen Vom Magnet nicht angezogen Kupferblech Zweifrankenstück Aluminiumblech Holzmassstab Geodreieck My/em Orientierungsstufe Hergiswil Posten 3: Die Pole Thema: Wir überprüfen die Anziehungskraft beim Magneten. Ist diese überall gleich gross? Ziele: 1. Wir wissen wie die magnetische Kraft an einem Stabmagnet verteilt ist. 2. Die Zonen des Magneten sind uns bekannt. 3. Wir kennen Möglichkeiten, die magnetische Kraft abzuschirmen. Arbeitsanweisungen: 1. An diesem Posten stehen Stabmagnete und Schachteln mit Nägeln zur Verfügung. Ueberprüfte, wo die magnetische Kraft beim Stabmagnetenen am grössten ist. Zeichne. 2. Schreibe die verschiedenen Pole und Zonen am Magneten an. 3. Formuliere zwei Sätze über die Verteilung der magnetischen Kraft am Stabmagneten. 4. Wie lässt sich magnetische Kraft abschirmen? Halte dazu verschiedene Materialien (Papier, Glas, Holz, Eisen, Nickel) mit einem kleinen Abstand zwischen den Stabmagneten und die Eisennägel. Lösungen: 1. 2. Nordpol neutrale Zone indifferente Zone Südpol 3. Die Magnetkraft ist nicht an allen Stellen des Magnets gleich gross. Sie ist an den Polen am stärksten, in der Mitte fast nicht feststellbar. 4. Die Wirkung eines Magnetenen lässt sich abschirmen, indem man ein Blech aus Eisen, Nickel oder Kobalt, dazwischen hält. Die Materialien Papier, Holz, Glas lassen die magnetischen Strahlen durchdringen. Naturlehre\Magnetismus und Elektrizität Lösungen My/em Orientierungsstufe Hergiswil Posten 4: Gegenseitiges Verhalten der Pole Thema: Vielleicht ist dir schon Einiges bekannt? Wir wollen das gegenseitige Verhalten der Pole überprüfen. Ziele: Wir wissen wie sich die Pole von Magneten gegenseitig verhalten. Arbeitsanweisungen: 1. Verschiedene Magnete stehen bei diesem Posten bereit. Prüfe, wie sich die Pole der Magnete zueinander verhalten. Erstelle eine einfache Skizze und beschrifte. 2. Notiere zwei Gesetze über das Verhalten der Pole auf. Und so kannst du beginnen: Gleichnamige Pole . Lösungen: 1. Südpol Nordpol 2. 1. Gleichnamige Pole stossen sich ab, ungleichnamige Pole ziehen sich an. 2. Gleichnamige Pole stärken sich, ungleichnamige Pole schwächen sich in ihrer Wirkung. Naturlehre\Magnetismus und Elektrizität Lösungen My/em Orientierungsstufe Hergiswil Posten 5: Die magnetischen Kraftfelder Thema: Mit einem Kompass und mit Eisenfeilspänen versuchen wir die magnetischen Kraftfelder „sichtbar zu machen. Ziele: 1. Wir wissen, wie sich die Kompassnadel in der Nähe eines Stabmagneten bewegt. 2. Wir können die Kraftlinien verschiedener Magnete zeichnen. Arbeitsanweisungen: Dieses Blat genügt nicht. Du musst zusätzlich ein karriertes Reinheftblatt verwenden. Schreibe es an. 1. Lege einen kleinen Stabmagneten auf das Pult. Führe eine Kompassnadel in einiger Entfernung rund um den Stabmagneten. Zeichne und beschrifte. Ergänzungen: Der Stabmagnet übt in seiner Umgebung eine Kraft auf die Kompassnadel aus. Den Raum um einen Magnetenen, in welchem dieser Kräfte auf eine Kompassnadel ausübt, bezeichnet man als sein magnetisches Kraftfeld. 2. Lege einen Stabmagneten flach auf den Tisch und decke in mit einem weissen TZ-Papier ab. Achte darauf, dass zwischen Magnet und Papier ein kleiner Abstand bleibt. Nun streust du aus etwa 10 cm Höhe Eisenfeilspäne dünn und möglichst gleichmässig auf das ganze Papier. Klopfe jetzt vorsichtig mit dem Finger an eine Ecke des Papiers und betrachte die entstandenen Bilder. Zeichne die Beobachtungen auf. 3. Zeichne weitere Feldlinienbilder zu folgenden Situationen: 3.1 Zwei Stabmagnete, die sich anziehen und zwei Stabmagnete, die sich abstossen. 3.2 Hufeisenmagnet Lösungen: 1. Naturlehre\Magnetismus und Elektrizität Lösungen My/em Orientierungsstufe Hergiswil 2. Kraftlinien Eisenfeilspäne Stabmagnet 3. 3.1 3.2 Naturlehre\Magnetismus und Elektrizität Lösungen My/em Orientierungsstufe Hergiswil Posten 6: Wie funktioniert ein Kompass? Das Magnetfeld der Erde Thema: Aus der Geschichte! Wahrscheinlich haben die Chinesen den Kompass erfunden. In einem Buch aus dem Jahr 1085 ist zu lesen: „Wenn Zauberer die nördliche Richtung suchen, greifen sie zu einer Nadel, reiben diese an einem Magnetstein und hängen sie an einem Stück Faden auf. Dann zeigt die Nadel normalerweise nach Norden. Bald darauf war auch den Arabern der Kompass bekannt. Sie benützten ein magnetisiertes, eisernes Fischchen als Kompass; sein Kopf zeigte nach Norden, seine Schwanzflosse nach Süden. In einer Geschichte aus dem Jahr 1230 steht: „Der Meister, der Kapitän war, wurde am Wege irre. Sofort brachte er ein hohles Eisen in Gestallt eines Fisches heraus und warf es in einem Teller mit Wasser. Es wendete sich und gelangte in Richtung nach Süden in Ruhe. Wie das kommt, weiss Gott, und kein Kluger kommt hinter das Geheimnis. Oder doch? Ziele: 1. Wir können einen einfachen Kompass herstellen. 2. Wir wissen, dass die Erde ein riesiger Magnet ist und wo sich die magnetischen Pole der Erde befinden. Arbeitsanweisung: 1. Nimm einen grossen Nagel, magnetisiere ihn mit einem U-Magneten und hänge den Nagel an einem Stück Faden auf. Fahre etwa 20 mal gemäss der Abbildung über den Nagel. Verwende dazu das nötige Stativmaterial. Zeichne und beschrifte. Welche Gruppe hat den besten Kompass? 2. Beschrifte auf Blatt 11 und 12. Naturlehre\Magnetismus und Elektrizität Lösungen My/em Orientierungsstufe Hergiswil Heute weiss man, dass die Erde selbst ein riesenhafter Magnet mit einem Nordpol, einem Südpol und einem magnetischen Kraftfeld ist. Das heisst: Die Erde übt magnetische Kräfte aus. Und im Magnetfeld der Erde wird die Kompassnadel entsprechend abgelenkt. Ganz genau in Nord-Süd-Richtung zeigt die Kompassnadel aber nicht. Wenn nämlich ein Flugzeug von uns aus genau in die Richtung fliegt, die seine Kompassnadel als „Norden anzeigt, kommt es nicht genau im Nordpol an! Es landet auf einer Insel in Kanada, etwa 1670 km vom geografischen Nordpol entfernt. Wir müssen also zwischen den geographischen und magnetischen Polen der Erde unterscheiden. Das sind ganz verschiedene Dinge, die nichts miteinander zu tun haben. Die magnetischen Pole liegen nicht genau auf den geografischen, sondern nur in ihrer Nähe. Wenn die Spitzen der Kompassnadel zu den magnetischen Polen der Erde zeigen, weicht die Richtungsanzeige der Nadel etwas von der eigentlichen Nord-Süd-Richtung ab. Diese Abweichung nennt man Deklination. Sie ist, je nachdem, wo sich der Kompass befindet, unterschiedlich gross. Deklinationswinkel Naturlehre\Magnetismus und Elektrizität Lösungen My/em Orientierungsstufe Hergiswil magnetischer Südpol geografischer Nordpol Grönland Island Skandinavien Deklinationswinkel Zürich Naturlehre\Magnetismus und Elektrizität Lösungen My/em Orientierungsstufe Hergiswil Lösung zu Blatt 10: 1. Faden Stativ Südpol Nordpol Naturlehre\Magnetismus und Elektrizität Lösungen My/em Orientierungsstufe Hergiswil Repetitionsfragen Lösungen: 1. Der magnetische Südpol liegt auf einer Insel von Nordkanada. Der magnetische Nordpol liegt in der Antarktis. 2. Der Deklinationswinkel eines Kompasses für die Schweiz wird in Norwegen wesentlich grösser. Je nördlicher man sich befindet, umso grösser wird der Deklinationswinkel. 3. Hausaufgabe! 4. a) Fernsehgerät, Computer, Musikkassetten, Disketten usw. b) Eisen und Nickel eignen sich als Abschirmung von magnetischen Kraftlinien. c) Bewegt man einen starken Magneten in die Nähe von Disketten, werden sämtliche Daten auf der Diskette zerstört. (Mit Eisenstaub werden die Daten auf der Diskette gespeichert.) 5. Die Kompassnadel ist magnetisch. Wäre das Gehäuse aus Stahl, würde die Nadel sofort auf das Stahlgehäuse gerichtet. Stahl wird vom Magneten angezogen. 6. Westen NordenOst en Osten Südenen Naturlehre\Magnetismus und Elektrizität Lösungen My/em Orientierungsstufe Hergiswil Posten 7: Elementarmagnete Thema: Manchmal ist Eisen magnetisch, manchmal nicht. Wie ist das zu erklären? Jeder Magnet besteht aus kleinsten, unzähligen Elementarmagneten. Diese sind geordnet und wirken an ihren beiden Polen. Jeder ferromagnetisch Körper (Körper, welche Eisenteile enthalten) besteht ebenfalls aus unzähligen Elementarmagneten. Diese sind aber nicht geordnet und wirken deshalb nicht. Ferromagnetische Körper lassen sich durch einen geeigneten Magneten magnetisieren und erhalten so eine magnetische Wirkung. Ziele: 1. Wir wissen, dass jeder Magnet aus geordneten, kleinsten, unzähligen Elementarmagneten besteht. 2. Uns ist bekannt, dass sich ferromagnetische Körper magnetisieren lassen. Arbeitsanweisungen: 1. Nimm einen Eisennagel und magnetisiere diesen mit dem U-Magneten. (Im Posten 6 ist beschrieben, wie man einen Nagel magnetisieren kann.) Jetzt kannst du mit der Nagelschachtel prüfen, ob der Eisennagel tatsächlich magnetisch geworden ist. Zeichne das Magnetisieren und die magnetische Wirkung mit Nägeln. Bestimme die Pole des Nagels mit dem U-Magneten. 2. Nun wird der Nagel mit der Zange geteilt. Eigentlich müssten jetzt die beiden Teilstücke nur einpolig sein. Ueberprüfe dies mit dem U-Magneten oder Kompass. Notiere einen Ergebnissatz. 3. Zeichne den Sachverhalt mit den Elementarmagnetchen im ungeordneten und geordneten Zustand. Schreibe an. Lösungen: 1. Beschrifte die Zeichnung! Naturlehre\Magnetismus und Elektrizität Lösungen My/em Orientierungsstufe Hergiswil 2. Die Pole eines Magneten kann man nicht voneinander trennen. Es entstehen nur immer kleinere Magnete. Die kleinstmöglichen nennt man Elementarmagnete. Auch alle ferromagnetischen Körper enthalten Elementarmagnete. Sie sind aber nicht geordnet und deshalb wirkungslos. 3. Die Elementarmagnetchen sind ungeordnet. Der „Eisennagel ist unmagnetisch. Naturlehre\Magnetismus und Elektrizität Lösungen Die Elementarmagnetchen sind geordnet. Der „Eisennagel ist magnetisch. My/em Orientierungsstufe Hergiswil Posten 8: Magnetische Influenz (Beeinflussung) Thema: Wir wissen, wie Eisennägel zu magnetisieren sind. Ist es möglich, dass wir die magnetische Kraft wieder wegzaubern können? Wir probieren es. Ziele: 1. Wir können eisenhaltige Stoffe magnetisieren und wieder entmagnetisieren. 2. Wir wissen, was magnetische Influenz ist. Arbeitsanweisungen: 1. a) Magnetisiere eine Rasierklinge. Achtung, die Rasierklinge ist sehr scharf und schneidet rücksichtslos. Ueberprüfe die magnetische Kraft der Rasierklinge mit der Nagelschachtel. b) Glühe die Rasierklinge über dem Bunsenbrenner aus. Ueberprüfe die magnetische Kraft der Rasierklinge mit der Nagelschachtel. Notiere einen Ergebnissatz. 2. a) Magnetisiere die Rasierklinge nochmals. b) Klopfe sie auf einer harten Unterlage aus und überprüfe ihre magnetsiche Kraft erneut Ergebnissatz. 3. Montiere mit Stativmaterial einen Stabmagneten und einen Eisennagel so untereinander, dass sich beide nicht berühren. (siehe Skizze). Versuche nun, an den Eisennagel kleine Nägel zu hängen. Was passiert, wenn du den Stabmagneten entfernst? Zeichnung, Ergebnissatz. Für die Lösung brauchst du ein Reinheftblatt. Naturlehre\Magnetismus und Elektrizität Lösungen My/em Orientierungsstufe Hergiswil Lösungen: 1. Die Rasierklinge wird magnetisch. Durch Ausglühen wird die Magnetisierung zerstört. 2. Die magnetisierte Rasierklinge kann durch Ausklopfen (Erschütterungen) entmagnetisiert werden. 3. Jedes Eisenstück, das in das Kraftfeld eines Magneten gebracht wird, wird selber zum Magneten. Entfernt man den Magneten, dann verschwindet die magnetische Kraft beim Eisen nach kurzer Zeit wieder. Naturlehre\Magnetismus und Elektrizität Lösungen My/em Orientierungsstufe Hergiswil Posten 9: Der Elektromagnet Thema: Die Elektromotoren bestehen aus Elektromagneten. Wir bauen einen einfachen Elektromagneten auf. Ziele: 1. Wir wissen, was ein Elektromagnet ist. 2. Den Elektromagneten können wir verstärken. 3. Uns ist die Rechte-Hand-Regel bekannt. (Der Lehrer erklärt dir diese Regel.) Arbeitsanweisungen: Geräte: Trafo, Spulen mit 200 und 400 Windungen, 2 schwarze Kabel, Schachtel mit Eisenkern, Eisenschluss, Eisennägel. 1. a) Verbinde die Spule (200 W) mit der Gleichstromquelle am Trafo und setze 2,5 Volt Spannung an. Am Trafo kannst du die Spannung ablesen. Prüfe jetzt die magnetische Kraft mit den Eisennägeln. b) Vergrössere die Spannung auf 5 Volt. Achtung: die Spule darf nur kurze Zeit an diese Spanung angesetzt werden. Der Kupferdraht wird rasch heiss und könnte durchbrennen. Zeichne die Spule und das magnetisch Kraftfeld. Beschriftung. 2. Die Spule (200 W) wird mit einer andern Spule (400 W) ersetzt. Setze nur für eine kurze Zeit die Spannung von 5 Volt, anschliessend von 10 Volt an. Ueberprüfe die magnetische Kraft. Zeichne. 3. a) Nimm wieder die Spule mit 200 W, verstärke sie mit einem Eisenkern. Setze 2,5 Volt und nachher 5 Volt an. Ueberprüfe die magnetische Kraft. b) Verwende die Spule mit 400 und wähle verschiedene Spannungen. Bitte nicht über 10 Volt aufdrehen! Zeichne die Spule und das magnetische Kraftfeld. Beschriftung. 4. Baue den Versuch gemäss der folgenden Skizze auf. Verwende die Spulen mit 200 und setze 5 Volt Spannung an. Versuche das Eisenstück vom U-förmigen Eisenkern wegzunehmen. Schalte den Strom aus. Halte am Eisenstück fest (etwa 5 cm von der Unterlage entfernt). Du wirst überrascht sein! Notiere alle Ergebnisse aus den vorangehenden Versuchen. Für die Lösung musst du ein Reinheftblatt verwenden. Naturlehre\Magnetismus und Elektrizität Lösungen My/em Orientierungsstufe Hergiswil Lösungen: 1. b) 2. 1 2 3 4 3 1 2 3 4 Gleichstromquelle Spule Eisenkern magnetisches Kraftfeld (Kraftlinien) 4. Eine Spule, die von Strom durchflossen wird, ist magnetisch. Der Eisenkern in der Spule verhält sich wie ein Stabmagnet. Die Stärke des elektromagnetischen Feldes hängt von der Windungszahl der Spule, von der Stromstärke und vom Eisenkern ab. Beim geschlosssenen Kern (Eisenschluss) ist die magnetische Kraft besonders stark. Sie bleibt im Eisen zurück, auch wenn der Strom ausgeschaltet wird. Man spricht von Remanenz (Restmagnetismus). Regel: Wenn ein Elektromagnet mit der rechten Hand umfasst wird und die Finger die StromRichtung anzeigen, liegt der Nordpol auf der Daumenseite. Naturlehre\Magnetismus und Elektrizität Lösungen My/em Orientierungsstufe Hergiswil Posten 10: Wie verhält sich das Feld eines stromdurchflossenen Leiters? Thema: Mit dem Kompass zeigen wir, dass Stromkabel magnetische Kräfte aussenden. Nichtisolierte Leitungsdrähte bauen ein Magnetfeld auf. Ziele: 1. Wir wissen, dass ein stromdurchflossener Leiter von magnetischen Kraftlinien kreisförmig umschlossen wird. 2. Uns ist bekannt, dass sich gleichgerichtete Ströme anziehen und ungleichgerichtete abstossen. 3. Die Richtung der magnetischen Kraft kann mit der rechten Hand gezeigt werden. Arbeitsanweisungen: Geräte: Trafo, Isolatoren, Stromkabel, Kompass, Kupferdrähte, Stativmaterial 1. a) Spanne ein Elektrokabel über einen Kompass und schliesse es an zwei Isolatoren an. Baue von den Isolatoren einen Gleichstromkreis auf. Setze nur ganz kurz eine sehr kleine Spannung an (Kurzschluss) und beobachte die Kompassnadel. b) Stelle den Kompass über das Elektrokabel und setze wiederum ganz kurz eine sehr kleine Spannung an. Was stellst du fest? c) Pole am Trafo um. Zeichne den Versuch und beschrifte. Formuliere die Beobachtungen. Und so kannst du beginnen: Die Kompassnadel wird unter . 2. Stelle gemäss der folgenden Abbildung den Versuch zusammen. Verwende Kupferdraht. Zeichne die Bewegungen der Kupferdrähte in die vorgegebene Abbildung. Formuliere die Beobachtungen. 3. Die Richtung der magnetische Kraft kann mit der rechten Hand gezeigt werden! Wenn der Leiter mit der rechten Hand so umfasst wird, dass der Daumen die StromRichtung angibt, so zeigen die Finger in Richtung der magnetischen Kraft! Probier diese Regel aus und weise sie mit der Kompassnadel nach. Naturlehre\Magnetismus und Elektrizität Lösungen My/em Orientierungsstufe Hergiswil Lösungen: 1. Lösung Stromkabel Isolatoren zur Gleichstromquelle Die Kompassnadel wird unter und über dem Leiter (Stromkabel) in verschiedene Richtungen abgelenkt. Ein stromdurchflossener Leiter wird von magnetischen Kraftlinien kreisförmig umschlossen. Wird die Stromrichtung umgepolt, ändert sich auch die Richtung der Ablenkung der Kompassnadel. 2. Gleichgerichtete Ströme ziehen sich gegenseitig an, ungleichgerichtete stossen sich gegenseitig ab. Naturlehre\Magnetismus und Elektrizität Lösungen My/em Orientierungsstufe Hergiswil Repetitionsfragen 2 Lösungen: 1. Vorteile: Elektromagnete sind abschaltbar. Ihre Stärke ist mit dem Strom regelbar. Nachteile: Man braucht eine Stromquelle. Strom kostet Geld. 2. Man kann die Spannung am Trafo erhöhen, einen Eisenkern in die Spule setzen oder eine Spule mit grösserer Windungszahl verwenden. 3. Die Spule mit dem Eisenkern hat die stärkste magnetische Wirkung. Kupfer und Aluminium sind nicht magnetisch. 4. Die Spule mit 200 Windungen zeigt die grössere magnetische Kraft. Weil sie eine kleinere Windungszahl aufweist, bietet sie dem elektrischen Strom weniger Widerstand. Es fliesst mehr Strom, der wiederum eine grössere magnetische Kraft entstehen lässt. 5. Wir verwenden die Rechte-Hand-Regel: Wenn ein Elektromagnet mit der rechten Hand umfasst wird und die Finger die Stromrichtung anzeigen, liegt der Nordpol auf der Daumenseite. 6. Beim Einschalten des Stroms wird der Nagel schlagartig in die Spulenmitte gezogen. Naturlehre\Magnetismus und Elektrizität Lösungen My/em Orientierungsstufe Hergiswil Zusatzposten: Elektromagnetismus Anwendungen Thema: Der Elektromatnetismus wurde bis vor kurzem vielfältig angewendet: Elektrische Klingel, Gong, Telefongeläut, Relais . Heute wird fast alles elektronisch gesteuert. Trotzdem, wir versuchen mit Hilfe des Elektromagnetismus den Strom zu überlisten! Ziele: 1. Wir wissen wie die elektromagnetische Klingel funktioniert. 2. Wir kennen das Relais – ein elektrotechnisches Gerät (Schaltgerät) in seiner Funktion. 1. Die elektrische Klingel Arbeitsanweisung: 1. Baue die „elektrische Klingel gemäss Abbildung im Buch „Welt der Physik S. 107 (Bild 107.4) auf. 2. Erstelle eine Zeichnung und versuche die Funktionsweise zu erklären. 3. Die folgende Zeichnung zeigt dir einen Profi-Schaltplan der elektrischen Klingel. a) Beschrifte den Schaltplan. b) Ziehe die elektrischen Leitungen mit einer roten Farbe nach. c) Wenn der Klingelknopf gedrückt wird, bewegt sich der Klöppel rasch hin und her. Bei jeder Hin- und Her-Bewegung wird die Glocke einmal angeschlagen. Wie kommt es aber zu dieser Bewegung? Erkläre in einem Text. 1 4 3 5 9 Stromquelle Schalter, Taster Eisenkern Feder Eisenkern Naturlehre\Magnetismus und Elektrizität Lösungen 7 8 2 1 2 3 4 5 6 10 6 Stellschraube 7 Klöppel 8 Spule 9 Elektromagnet 10 Anker My/em Orientierungsstufe Hergiswil Lösungen: 2. Schaltplan Funktionsweise: Beim Einschalten des Stroms zieht der Elektromagnet den Eisenstab (Anker) an. Er bewegt sich nach unten und schlägt auf den Eisenkern in der Spule. Gleichzeitig wird an der Kontaktstelle (Nagel) der Stromkreis unterbrochen. Dadurch verlieren die Spulen die magnetische Kraft. Der Stab wird nicht mehr angzogen. Er federt zurück. Jetzt wird der Stromkreis wieder geschlossen. Das Spiel beginnt von neuem. 3. Wird die Klingeltaste gedrückt, ziehen die Spulen den Anker an. Gleichzeitig schlägt der Klöppel an die Glocke. Dabei wird der Strom unterbrochen. Der Anker federt zurück. Der Klöppel schlägt wieder an die Glocke. Nun wird der Stromkreis an der Stellschraube erneut geschlossen. Die Spulen ziehen wieder an . Naturlehre\Magnetismus und Elektrizität Lösungen My/em Orientierungsstufe Hergiswil 2. Das Relais Aus der Geschichte: Früher war das Wort „Relais allgemein bekannt, denn in sogenannten Relaisstationen nahmen die Postkutschen ihre Pferdewechsel vor. Das Relais im heutigen Sinne erfand man aber erst, als die Postkutsche als Reisefahrzeug längst durch die Eisenbahn ersetzt war. Und das kam so: Wenn damals von einem Bahnhof ein Zug abfuhr, wurde er auf dem nächsten Bahnhof mit einem Klingelzeichen angekündigt. Das machte man folgendermassen: Man verband einfach eine Batterie auf dem ersten Bahnhof mit einer Klingel auf dem zweiten. Da aber die Leitungen von einem Bahnhof zum anderen (und auch wieder zurück viele Kilometer lang waren, reichte die Batterie manchmal nicht aus, um die Klingel auf dem andern Bahnhof in Gang zu setzen. Eine Lösung diese Problems fand der Engländer Charles Wheatstone. Er hatte folgende Idee: Der ankommende schwache Strom müsste dazu genützt werden, eine andere Batterie in Gang zu setzen – und diese müsste dann in der Lage sein, die Klingel zu betätigen. Diese Schaltvorrichtung wurde schliesslich als Relais bezeichnet. Arbeitsanweisungen: 1. Schreibe die Teile in der folgenden Zeichnung an. 2. Ziehe die elektrischen Leitungen mit der roten Farbe nach. 4 2 5 1 3 6 1 Elektromagnet 2 Eisenkern 3 Spule Naturlehre\Magnetismus und Elektrizität Lösungen 4 Feder 5 Kontaktstelle 6 Batterie im Bahnhof 2 My/em