Elektromagnetismus
Inhalt
Kraftwirkung
Elektrischer Strom erzeugt ein Magnetfeld
Elektrischer Strom erzeugt ein Magnetfeld. Darin wird eine Kompassnadel abgelenkt, genauso wie im Feld eines Magneten.
Diese Entdeckung machte im Jahr 1820 der dänische Physiker Hans Christian Oersted.
Strom und Magnet
Stelle eine Magnetnadel (oder einen Kompass) auf den Tisch. Befestige ein Stück Draht so, dass es parallel zur Magnetnadel steht.
Schließe eine Batterie an den Draht an und beobachte die Magnetnadel.
Merke dir, in welche Richtung die Magnetnadel abgelenkt wird.
Ändere die Stromrichtung und beschreibe deine Beobachtung.
Halte die Magnetnadel einmal über und einmal unter den Stromleiter. Beschreibe deine Beobachtung.
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Feldlinien
Führe einen kleinen Kompass mit der Hand um einen stromführenden Leiter herum und beschreibe, wie sich die Magnetnadel jeweils einstellt. Skizziere die Lage der Magnetnadel.
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Kraftwirkung zwischen stromdurchflossenen Leitern
Werden zwei parallel verlaufende Drähte von Strom in gleicher Richtung durchflossen, so wirken sie aufeinander anziehend undbewegen sich zueinander. Fließt in den beiden Drähten der elektrische Strom in entgegengesetzter Richtung, so wirken die Magnetfelder um die Drähte abstoßend aufeinander und die Drähte bewegen sich voneinander weg.
Das Magnetfeld einer Spule
Im Inneren einer stromdurchflossenen Spule verlaufen die Feldlinien parallelzur Spulenachse, außen verlaufen die Feldlinien wie bei einem Stabmagneten.Es entstehen ein Nord- und ein Südpol, deren Lage von der Stromrichtungabhängt. Durch Umpolen der Stromrichtung wechseln Nord- und Südpol. DieStärke des Magnetfeldes ist umso größer, je größer die Stromstärke ist.
Suche nach Informationen zu Hans Christian Oersted.
Schreibe auf, wann und wo er gelebt hat und woran er gearbeitet hat.
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Elektromagnet
Vorteile von Elektromagneten
Die magnetische Wirkung einer Spule wird durch ein Eisenstück in ihrem Inneren verstärkt. Spule und Eisenkern werden bei Stromdurchgang zu einem Elektromagneten. Im Vergleich mit einem Dauermagneten kann man zwei Vorteile eines Elektromagneten erkennen: Der Magnetismus lässt sich ein- und ausschalten, und er kann außerdem in seiner Stärke verändert werden.
Elektromagnet
Wickle einen langen isolierten Draht um eine Eisenschraube. Probiere, ob eine Büroklammer an der Schraube hängen bleibt.
Schließe den Draht an eine Batterie an.
Halte wieder die Büroklammer an die Schraube.
Beschreibe deine Beobachtung.
Öffne den Stromkreis und beobachte die Büroklammer.
Schreibe deine Beobachtung auf.
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Plane ein Experiment
Plane ein Experiment, um einen möglichst starken Elektromagneten zu bauen.
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Relais
Das Relais ist ein elektromagnetischer Schalter, der einen Stromkreis schließt oder öffnet (Arbeitskontakt, siehe die Abbildung). Damit lässt sich z. B. mit einem geringen Strom ein Stromkreis, indem viel Strom fließt, schalten.
Lautsprecher
Mit einem Lautsprecher kann man elektrische Signale in Schallwellen umwandeln. Um einen Dauermagneten befindet sich eine Spule, die sich hin- und herbewegen kann. An der Spule ist die Membran des Lautsprechers befestigt. Durch die elektrischen Signale werden Spule und Membran nach vorne undzurück bewegt. Die Frequenz des Signals entspricht der Höhe des Tons, denman über die Lautsprechermembran hören kann.
Training
Wickle einen Draht um einen Kompass, wie im Bild gezeigt ist. Schließe die Enden des Drahtes an eine Batterie an.
Beschreibe deine Beobachtung und finde eine Erklärung dafür.
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Topfmagnet
Zum Heben schwerer Lasten z. B. auf Schrottplätzen werden meist sogenannte Topfmagnete verwendet. Eine Ringspule ist in einem dickwandigen eisernen Topf fixiert. Fließt Strom durch die Spule, wird die Mitte des Topfes zu einem Pol, der Eisenrand zum anderen Pol.
Eine bestimmte Ausführung eines Topfmagneten kann bei einer Stromstärke von etwa 50 A eine Last von 5 Tonnen heben.
Berechne, welche Last dieser Magnet bei einer Stromstärke von 150 A tragen kann.
Berechne, welche Kraft der Magnet dafür aufbringen muss.
Magnetfeld um eine Spule
Schließe eine Spule an eine Gleichspannung an. Untersuche dann mit einem beweglichen Magneten oder einer Kompassnadel den Bereich um die stromdurchflossene Spule.
Versuche, eine Aussage über die Form des Magnetfeldes zu machen.
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Magnetpole einer Spule
Schließe eine Spule über einen Schalter an eine Gleichspannung an. Stelle eine Kompassnadel vor die Spule.
Schließe den Schalter und beobachte die Kompassnadel.
Schreibe auf, welches Ende der Spule bei Stromdurchgang zu einem Nordpol wurde.
Stelle eine Vermutung an, was sich ändert, wenn du die Stromrichtung umkehrst. Überprüfe deine Vermutung.
Rechte-Hand-Regel
Mit dieser Regel kannst du den Nordpol einer stromdurchflossenen Spule bestimmen: Zeigen die Fingerspitzen der rechten Hand in Stromrichtung (zum Minuspol der Spannungsquelle), so zeigt der Daumen zum Nordpol der Spule.
Überprüfe die Rechte-Hand-Regel durch ein Experiment.
Eisenstifte
Lege in eine Spule nebeneinander zwei Eisenstifte. Schließe die Spule über einen Schalter an eine Gleichspannungsquelle an. Schalte den Stromkreis ein und beobachte die Eisenstifte.
Formuliere deine Beobachtung und suche eine Erklärung dafür.
Wiederhole das Experiment mit einer geringeren Spannung und dann mit Wechselspannung.
Fasse deine Beobachtungen und Schlussfolgerungen zusammen.
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Spule mit Eisenkern
Stelle einen Stromkreis mit einer Gleichspannungsquelle, einem Schalter und einer Spule zusammen. Bringe gegenüber der Spule eine Stahlblattfeder so an, dass sie die Spule nicht berührt.
Schließe den Stromkreis und beobachte die Stahlblattfeder.
Stecke in die Spule einen Eisenkern und wiederhole das Experiment.
Beschreibe die Wirkung des Eisenkerns.
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Stahlblattfeder und Magnet
Stelle die Schaltung, wie im Bild gezeigt, zusammen. Spanne die Stahlblattfeder so ein, dass sie sich zwischen den beiden Kontaktstiften befindet, ohne diese zu berühren.
Schließe die Kontaktstelle mit der Stahlblattfeder mithilfe eines Magneten.
Entferne dann den Magneten wieder.
Beschreibe deine Beobachtung.
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Stahlblattfeder und Elektromagnet
Stelle die Schaltung, wie im Bild gezeigt, zusammen. Spanne die Stahlblattfeder so ein, dass sie sich zwischen den beiden Kontaktstiften befindet, ohne diese zu berühren. In der Spule befindet sich ein Eisenkern. Die Spule ist über einen Schalter an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen.
Der zweite Stromkreis mit der Glühlampe kann ebenfalls an Gleichspannung angeschlossen sein. Er ist jedoch zunächst offen, da die Stahlblattfeder keinen Kontaktstift berührt.
Schließe nun den Schalter im Stromkreis der Spule.
Beschreibe deine Beobachtung. Erkläre den Vorgang deinen Mitschülerinnen und Mitschülern.
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Relais
Suche eine Animation zur Funktionsweise eines Relais.
Beschreibe den Vorgang in einem Protokoll.
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Lautsprecher
Suche eine Animation zur Funktionsweise eines Lautsprechers.
Beschreibe den Vorgang in einem Protokoll.
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Merke
Elektromagnet – Zusammenfassung
Ein stromdurchflossener Leiter ist von einem magnetischen Feld umgeben. Die magnetischen Feldlinien umgeben den Leiter kreisförmig. Wird das Magnetfeld durch elektrischen Strom, der durch eine Spule fließt, erzeugt, so spricht man von einem Elektromagneten. Durch einen Eisenkern in der Spule wird die magnetische Wirkung verstärkt.
