Elektromagnetische Induktion. Experimente für den Unterricht

Inhalt

1. Einführung in das Thema und Auswahl der Experimente
1.1 Sachanalyse
Die elektromagnetische Induktion
Der Generator
1.2 Auswahl der Experimente
1.3 Einordnung in den Lehrplan

2. Experimente
2.1 Leiterschaukelexperiment
Methodische und didaktische Überlegungen zum Experiment
Fiktive Unterrichtsstunde
2.2 Leuchtdiode
Methodische und didaktische Überlegungen zum Experiment
Fiktive Unterrichtsstunde
2.3 Generator
Methodische und didaktische Überlegungen zum Experiment
Fiktive Unterrichtsstunde

4. Literaturverzeichnis

1. Einführung in das Thema und Auswahl der Experimente

In diesem Kapitel wird zuerst eine Einführung in das Thema der elektromagnetischen Induktion gegeben. Die Auswahl der gewählten Experimente und deren Einordnung im Unterricht werden vorgestellt und begründet. Im zweiten Kapitel werden die einzelnen Experimente Leiterschaukel, Leuchtdiode und Generator vorgestellt und die methodische und didaktische Vorgehensweise erläutert.

1.1 Sachanalyse

Die elektromagnetische Induktion

Einer Spule, deren Enden zu einem geschlossenen Stromkreis geschaltet ist, wird ein Magnet genähert. Es wird ein elektrischer Strom beobachtet, solange die Bewegung besteht. Wird die Bewegungsrichtung umgekehrt, so wechselt auch der Strom seine Richtung. Wird der Magnet festgehalten und die Spule ihm genähert, so wird der gleiche Effekt beobachtet. Daraus folgt, dass nur die Bewegung eine Rolle spielt. Dieser Effekt wird als elektromagnetische Induktion bezeichnet. Der auftretende Strom wird Induktionsstrom genannt. Diese Entdeckung der elektromagnetischen Induktion wurde 1831 von Michael Faraday bekannt gegeben.

Falls die Enden der Spule mit einem Elektrometer verbunden sind, wird eine Spannung gemessen. Die Spannung wird Induktionsspannung bzw. induzierte Spannung genannt. Der Induktionsstrom ist eine Folge der Induktionsspannung bzw. der induzierten Spannung. Die Spannung tritt auf, wenn sich das Magnetfeld zeitlich ändert.¹

Alle Induktionserscheinungen können durch ein gemeinsames Gesetz beschrieben werden. Die magnetische Flussdichte B ist der Quotient aus dem magnetischen Fluss Φ und der Windungsfläche A.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die an den Enden einer Spule entstehende Induktionsspannung ist die Änderungsgeschwindigkeit des magnetischen Flusses. Wenn sich während der Zeitspanne Δt der magnetische Fluss Φ von Φ1 auf Φ2 ändert, kann folgendes für die Induktionsspannung geschrieben werden:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Da in einer Spule n Windungen bzw. n Spannungsquellen hintereinandergeschaltet sind, folgt für die induzierte Spannung:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Dies ist das Faraday´sche Induktionsgesetz.

Der Vorgang der Induktion kann in bewegten und unbewegten Leitern stattfinden. Die Versuche basieren auf der Induktion in bewegten Leitern. Wird ein gerader Leiter mit der Geschwindigkeit v in einem Magnetfeld bewegt, so übt das Magnetfeld auf die mitbewegten Ladungsträger die Lorentzkraft aus.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Lorentzkraft steht senkrecht zur Feld- und Bewegungsrichtung. Unter dem Einfluss der Lorentzkraft werden die Elektronen nach einer Seite verschoben. Dadurch werden die Enden des Leiters ungleichmäßig aufgeladen. Es entsteht eine Potentialdifferenz, also eine Spannung. Diese Spannung ist die sogenannte Induktionsspannung bzw. die induzierte Spannung. Die induzierte Spannung ist abhängig von der Zahl der Windungen, der magnetischen Flussdichte und der Geschwindigkeit der Bewegung. ²

Der Generator

Beim Generator wird mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Das Wort Generator ist lateinisch und bedeutet Erzeuger. Es wird eine Spule im Magnetfeld bewegt oder ein Magnet in einer oder mehreren Spulen. Bei Generatoren wird zwischen Gleichstrom-, Wechselstrom- und Drehstromgeneratoren unterschieden. Im Experiment wird ein Gleichstromgenerator (Abb. 1) verwendet. Beim Gleichstromgenerator befindet sich zwischen einer rotierenden Leiterschleife ein Magnetfeld. An den Enden der Leiterschleife ist ein Voltmeter angeschlossen. Aufgrund der Rotation entsteht eine Wechselspannung bzw. Wechselstrom, sodass diese über einen Transformator in Gleichspannung bzw. Gleichstrom umgewandelt werden muss. Dies geschieht im folgenden Experiment mit einem Kommutator. Ein Kommutator ist ein Ring, das aus zwei Halbringen aufgebaut ist. Diese polt die Stromrichtung um. Es entsteht ein pulsierender Gleichstrom (Abb. 2).³

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: Gleichstromgenerator

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2: pulsierender⁴ Gleichstrom⁵

1.2 Auswahl der Experimente

In dieser Ausarbeitung werden drei Experimente zur elektromagnetischen Induktion vorgestellt. Das erste Experiment ist das Leiterschaukel Experiment. Dieses Experiment basiert auf der Induktion in bewegten Leitern. Es wird gezeigt, dass bei der Bewegung eines stromdurchflossenen Leiters im Magnetfeld Strom bzw. Spannung induziert wird. Das nächste Experiment ist das Experiment mit der Leuchtdiode. Hier wird eine Leuchtdiode mit einer Spule parallelgeschaltet und ein Magnet schnell durch die Spule bewegt. Es wird gezeigt, wovon der Betrag der Induktionsspannung abhängt. Das letzte Experiment ist der Generator. Hierbei wird ein Gleichstromgenerator verwendet. Es wird gezeigt, dass mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird. Die Experimente wurden so ausgewählt, dass sie eine Einführung in die Thematik geben und die Grundlage für das Verständnis des Generatorprinzips bilden. Sie bauen aufeinander auf.

1.3 Einordnung in den Lehrplan

Im Hessischen Kerncurriculum wird die elektromagnetische Induktion in folgende Jahrgangsstufen eingeordnet:

Q1 Grundkurs: Elektrisches und magnetisches Feld

- Ladungsträger in elektrischen und magnetischen Feldern - Lorentzkraft, Bewegung von Ladungsträgern in den Feldern, Induktion.⁶

8 G.2: Elektrizitätslehre 2 (G8 & G9)

- Fakultative Unterrichtsinhalte - Technische Anwendungen: Generator⁷

In der 8. Jahrgangsstufe wird der Generator als eine Maschine zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie behandelt. Auf seine genaue Funktionsweise wird nicht eingegangen. Es wird Wert darauf gelegt, dass die SuS⁸ erkennen, dass Energie nicht vernichtet werden kann. Die Energieformen werden ineinander umgewandelt. Der Unterschied eines Generators und Elektromotors wird ebenfalls dargestellt. In der Q1 dagegen sind die elektrischen und magnetischen Felder den SuS soweit bekannt. Somit können Grundversuche zur Induktion vorgestellt werden, um die Thematik der Induktion und des Generators zu verstehen. Das Thema „elektromagnetische Induktion – Generatorprinzip“ wird daher in den Grundkurs der Q1 eingeordnet, weil für das Verständnis des Themas die Inhalte „elektrisches und magnetisches Feld“ und „Bewegung von Ladungsträgern in Feldern“ relevant sind.

2. Experimente

2.1 Leiterschaukelexperiment

Materialien: Leiterschaukel (Kupferrohr mit 2 Verbindungen), 2 Kabel, Stativmaterial, Leiterschaukelhalterung, Multimeter, Hufeisenmagnet

Aufbau

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3: Leiterschaukel-Experiment⁹

Der Aufbau besteht aus einer Leiterschaukel, das aus einem Kupferrohr besteht, welches an den Enden mit einem Kabel an einer Leiterschaukelhalterung befestigt ist. Die Leiterschaukel ist mit einem Multimeter verbunden. Um die Leiterschaukel herum befindet sich ein Hufeisenmagnet. Der Südpol des Magneten zeigt nach oben.

Alternativ könnte im Versuchsaufbau noch ein Oszilloskop verwendet werden, damit die Spannung direkt sichtbar gemacht wird. Das Problem ist hierbei, dass die Anzeige des Oszilloskops klein ist und eventuell von SuS aus der letzten Reihe nicht genau beobachtet werden kann.

[...]

¹ Herbert A. Stuart, G. K. (2010). Kurzes Lehrbuch der Physik. Mainz: Springer, S. 171 ff.

² Harten, U. (2017). Physik. Eine Einführung für Ingenieure und Naturwissenschaftler. Mannheim: Springer, S. 250 ff.

³ http://www.exphys.jku.at/Skripten/Unterricht/Stoffgebiete/Motor%20Generator/17%20Motor%20- %20Generator%20Zoepfl%20und%20Eibensteiner.PDF, S. 4.

⁴ Vgl. ebd., S. 4.

⁵ Vgl. ebd., S. 4.

⁶ Hessisches Kultusministerium 2010, S. 24.

⁷ Hessisches Kultusministerium 2010, S. 14.

⁸ Im weiteren Verlauf wird die Abkürzung SuS für die Schülerinnen und Schüler verwendet.

⁹ Die Bilder der Aufbauten der einzelnen Versuch wurden selbst abfotografiert.