Kapitel 11 Elektrizität und Magnetismus

1. Kapitel 11Elektrizität und Magnetismus Kap.11 Elektrizität und Magentismus

2. 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. Kap.11 Elektrizität und Magentismus

3. Untersuchung der Pole Die Pole heißen Nordpol (rot) und Südpol (grün) Versuch:Wir bringen zwei Ringmagnete auf zwei verschiedene Arten zusammen. Ergebnis: Ungleichnamige Pole ziehen sich an, gleichnamige Pole stoßen sich ab. Kap.11 Elektrizität und Magentismus

4. Magnetische Influenz Versuch: Eisen Magnet In der Nähe eines Magneten wird ein Eisenstück selbst magnetisch. = Magnetische Influenz Kap.11 Elektrizität und Magentismus

5. Bringt man eine Stricknadel in die Nähe eines Magneten, bleibt ein Restmagnetismus (Remanenz) Kap.11 Elektrizität und Magentismus

6. Weitere Untersuchungen: Versuch: • 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. Kap.11 Elektrizität und Magentismus

7. Kap.11 Elektrizität und Magentismus

8. 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) Kap.11 Elektrizität und Magentismus

9. Versuch: Magnet versch. Stoffe Ergebnis: Magnetismus geht durch Papier, Glas etc.. Durch Eisen lässt sich der Magnetismus abschirmen. Kap.11 Elektrizität und Magentismus

10. 11.2 Wirkungsbereich eines Magneten – Magnetfeld Den Raum um den Magneten bezeichnet man als Magnetdfeld. Wirkungsbereich einer magnetischen Kraft. Darstellung durch Kraftlinien. http://www.zum.de/dwu/depotan/apma005.htm Ermittle die verschiedenen Magnetfelder für Stabmagnete (auch zwei mit gleichen Polen einander gegenüber), Hufeisenmagnete Kap.11 Elektrizität und Magentismus

11. 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. Kap.11 Elektrizität und Magentismus

12. 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 Kap.11 Elektrizität und Magentismus

13. 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°) Kap.11 Elektrizität und Magentismus

14. 11.4 Magnetische Wirkung elektrischer Ströme 11.4.1 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. Kap.11 Elektrizität und Magentismus

15. Kap.11 Elektrizität und Magentismus

16. 11.4.2 Magnetfeld einer Spule 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.) Kap.11 Elektrizität und Magentismus

17. Kap.11 Elektrizität und Magentismus

18. 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. N S 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 Kap.11 Elektrizität und Magentismus

19. 11.4.3 Elektromagnete Versuch: • Ohne Eisenkern • 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. Kap.11 Elektrizität und Magentismus

20. 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! Kap.11 Elektrizität und Magentismus

21. 11.4.4 Anwendungen von Elektromagneten Stoffsammlung: Elektr. Türöffner, Weichen, .... 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. usw. Unterbrechungseinrichtung heißt Wagnerscher Hammer. Kap.11 Elektrizität und Magentismus

22. Klingel Versuchsaufbau: 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 Kap.11 Elektrizität und Magentismus

23. Schülerversuch zu Klingel Kap.11 Elektrizität und Magentismus

24. Kap.11 Elektrizität und Magentismus

25. Elektrisches Relais: Es enthält zwei getrennte Stromkreise: Laststromkreis. Mit einem relativ kleinen Strom kann ein großer Stromkreis geschaltet werden. Steuerstromkreis Kap.11 Elektrizität und Magentismus

26. Relais Wir 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. Kap.11 Elektrizität und Magentismus

27. Relais 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. Arbeitskontakt Ruhekontakt Er muss andererseits aber die Blattfeder auch anziehen können. Mehrmals ein- und ausschalten. Kap.11 Elektrizität und Magentismus

28. Relais Steuerstromkreis Kap.11 Elektrizität und Magentismus

29. Relais Laststromkreis Kap.11 Elektrizität und Magentismus

30. 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 Ruhe Kap.11 Elektrizität und Magentismus

31. 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. Kap.11 Elektrizität und Magentismus

32. 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: Kap.11 Elektrizität und Magentismus

33. W U V Kap.11 Elektrizität und Magentismus

34. Ursache Technische Stromrichtung Wirkung Vermittlung Richtung der Kraft Richtung des Magnetfeldes(Nord-Süd) Kap.11 Elektrizität und Magentismus

35. 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. Kap.11 Elektrizität und Magentismus

36. 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 Kap.11 Elektrizität und Magentismus

37. Wiederholung Elektromotor Kap.11 Elektrizität und Magentismus

38. Kap.11 Elektrizität und Magentismus

39. Kap.11 Elektrizität und Magentismus

40. Kap.11 Elektrizität und Magentismus

41. Bei welcher Stellung des Ankers muss der Strom durch den Anker umgepolt werden? Kap.11 Elektrizität und Magentismus

42. 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. Kap.11 Elektrizität und Magentismus

43. Gleichstrommotor mit Elektromagnet Kap.11 Elektrizität und Magentismus

44. 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, ... Kap.11 Elektrizität und Magentismus

45. 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! Kap.11 Elektrizität und Magentismus

46. 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? Kap.11 Elektrizität und Magentismus

47. Versuch: Leiterschaukel Statt der Batterie bauen wir ein Messgerät ein. Ergebnis: Bewegen wir den Leiter, zeigt das Messgerät einen Ausschlag. Durch die Bewegung eines Leiters in einem Magnetfeld wird eine elektrische Spannung induziert. Sie heißt Induktionsspannung, der von ihr hervorgerufene Strom Induktionsstrom. Kap.11 Elektrizität und Magentismus

48. 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. Kap.11 Elektrizität und Magentismus

49. 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 Kap.11 Elektrizität und Magentismus

50. 11.5.3 Der Generator Permanentmagnet Permanentmagnet Bei der Drehung der Schleife ändert sich die Anzahl der umschlossenen Feldlinien. Schleife Schleifringe Der Zeiger des Messgeräts bewegt sich zunächst nach rechts, dann nach links; d. h. die Stromrichtung wird nach einer halben Umdrehung umgekehrt. Abgriff über Kohlebürsten Animation (Fend) Animation Kap.11 Elektrizität und Magentismus