Über dieses Experiment
Schiebe einen Magneten in eine Drahtspule, und es fließt Strom, obwohl keine Batterie angeschlossen ist. Hältst du den Magneten an, hört der Strom auf; ziehst du ihn heraus, fließt der Strom in die andere Richtung. Michael Faraday entdeckte 1831, dass ein sich änderndes Magnetfeld durch eine Spule eine Spannung induziert. Bewege den Magneten von Hand, an einer Feder oder gerade hindurch und beobachte, wie Messgerät, magnetischer Fluss und induzierte EMK von der Geschwindigkeit, der Windungszahl und der Stärke des Magneten abhängen.
Lernziele
- Beschreibe, wie ein sich ändernder magnetischer Fluss durch eine Spule eine EMK induziert.
- Erkläre, wie die Größe der induzierten EMK von der Geschwindigkeit, der Windungszahl und der Stärke des Magneten abhängt.
- Nutze die Lenzsche Regel, um die Richtung des induzierten Stroms vorherzusagen
- Setze die EMK mit dem Gradienten des Graphen der Flussverkettung über der Zeit in Beziehung.
- Erkläre, wie Generatoren und Dynamos Strom erzeugen.
Anleitung
- 1Wähle „Von Hand“. Schiebe den Magneten in die Spule, halte ihn ruhig und ziehe ihn dann wieder heraus. Wann bewegt sich die Nadel?
- 2Bewege den Magneten schneller. Was passiert mit der Stromstärke?
- 3Wähle „An einer Feder“. Vergleiche die beiden Graphen. Wann ist die EMK am größten: wenn der Fluss am größten ist oder wenn er sich am schnellsten ändert?
- 4Verdopple die Windungszahl und danach die Stärke des Magneten. Wie verändert sich jedes Mal die maximale EMK?
- 5Wähle „Durchschieben“ und beobachte die Buchstaben N und S an den Spulenenden. Drückt die Spule den Magneten weg oder zieht sie ihn zurück?
- 6Drehe den Magneten um und wiederhole den Versuch. Was passiert mit der Stromrichtung?
Das Modell
Annahmen
- Der Magnet wird als magnetischer Dipol auf der Achse der Spule behandelt. Das ist eine gute Näherung, wenn der Magnet nicht viel größer als die Spule ist; sehr nahe am Magneten ist das tatsächliche Feld schwächer.
- Die Spule ist 4 cm lang und hat einen Radius von 2 cm; ihre Windungen sind gleichmäßig über die Länge verteilt.
- Die magnetische Bremswirkung wird vernachlässigt: Der Strom in der Spule bremst den Magneten nicht ab. Auch die Selbstinduktivität der Spule wird vernachlässigt.
- Von Hand bewegt sich der Magnet gleichmäßig mit dem Zeiger mit, sodass seine Geschwindigkeit davon abhängt, wie schnell du ihn bewegst.
Im Unterricht ausprobieren
- Q1Warum erzeugt ein ruhender Magnet in einer Spule keinen Strom, egal wie stark er ist?
- Q2Wenn der Magnet durch die Spule hindurchgeht, hat die elektromotorische Kraft zwei Spitzen mit entgegengesetztem Vorzeichen. Erkläre, warum.
- Q3Erkläre mithilfe des Lenz’schen Gesetzes, warum mehr Kraft nötig ist, um einen Magneten in eine Spule zu schieben, wenn die Spule an eine Lampe angeschlossen ist.
- Q4Eine Fahrraddynamo lässt die Lampe heller leuchten, wenn du schneller fährst. Warum?
- Q5Warum liefert eine Spule mit doppelt so vielen Windungen, die aber aus dünnerem Draht besteht, nicht unbedingt den doppelten Strom?
Häufig gestellte Fragen
Was ist der Unterschied zwischen magnetischem Fluss und Flussverkettung?
Der Fluss ist die Menge des Magnetfelds, die durch eine Windung der Spule tritt. Die Flussverkettung ist der Fluss multipliziert mit der Anzahl der Windungen, NΦ, da jede Windung ihre eigene EMK in Reihe hinzufügt.
Warum ist die EMK null, wenn sich der Magnet in der Mitte der Spule befindet?
In diesem Moment ist der Fluss am größten, ändert sich aber nicht: Wenn man sich ein wenig in die eine oder andere Richtung bewegt, ändert er sich kaum. Die EMK hängt davon ab, wie schnell sich der Fluss ändert, nicht davon, wie groß er ist.
Woher kommt die elektrische Energie?
Durch die Arbeit, die du beim Bewegen des Magneten verrichtest. Nach dem Lenz’schen Gesetz erzeugt der induzierte Strom stets eine Magnetkraft, die der Bewegung entgegenwirkt. Deshalb musst du schieben, damit sich der Magnet weiterbewegt. In diesem Modell ist diese Kraft zu gering, um den Magneten merklich abzubremsen.