Handout - Didaktik der Physik!

Demonstrationsexperimente
WS 2005/06
Wirbelstrombremse
(Waltenhofensches Pendel)
Susanne Hoika
02. Dezember 2005
1
Versuchsbeschreibung
1.1
Materialliste
• 1 Dreifuss ”PASS”
• 1 Stativstange
• 1 T-Muffe
• 1 Verlängerungsstab
• 1 Muffe mit Stift
• 1 Pendelstange
• Pendelkörper (Blech, Blech mit Schlitzen (=
b Kamm), Scheibe, Ring, Ring mit
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Schlitz (∈ R ) aus Aluminium z. B.)
• 1 Eisenkern (U-förmig)
1
• 2 Spulen mit 300 Windungen (je 0,8 Ω, max. 4 A)
• 1 Paar Polschuhe
• 3-4 Kabel
• für die Stromversorgung gibt es 2 Möglichkeiten:
1. 1 Batterie (12 V) und ein Potentiometer (Schiebewiderstand bis 10,5 Ω)
2. 1 DC-Netzteil (Gleichstrom-Netzteil mit folgender Leistung: 30 V, 10 A)
1.2
Versuchsaufbau und Versuchsvorbereitung
Auf einem Dreifuß wird eine Stativstange montiert und darauf ein Verlängerungsstab
mit einer T-Muffe befestigt. Die Pendelstange und eine Muffe werden mit einem Stift
drehbar verbunden. Die Muffe selber wird in den Verlängerungsstab gesteckt und
festgedreht. Auf dem U-förmigen Eisenkern werden die 2 Spulen gesetzt und in Reihe
geschaltet (Elektromagnet). Auf den Spulen wird jeweils ein Polschuh befestigt.
An die Pendelstange wird ein Pendelkörper geklemmt. Das Pendel muss man so
einstellen, dass es parallel zum Spalt zwischen den zwei Polschuhen schwingt.
Abbildung 1: Versuchsaufbau mit Batterie und Potentiometer
Für die Stromversorgung gibt es zwei Möglichkeiten:
1. Das Potentiometer sollte vorsichtshalber auf maximalen Widerstand gestellt
werden, bevor etwas angeschlossen wird. Der Pluspol der Batterie wird mit
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dem Potentiometer, der Minuspol mit der einen Spule und das Potentiometer
mit der anderen Spule verbunden (Reihenschaltung) (Abb. 1).
UBatterie = 12V
RSpule1 = RSpule2 = 0, 8Ω
Da bei der Reihenschaltung die Stromstärke konstant ist, gilt aufgrund der
Spulen:
I = 4A
Beide Spulen vertragen somit jeweils eine Spannung von:
R=
U
⇒ USpule1 = USpule2 = RSpule · I = 0, 8Ω · 4A = 3, 2V
I
Also muss folgende Spannung am Potentiometer abfallen:
UP otentiometer = 12V − 2 · 3, 2V = 5, 6V
Das Potentiometer darf keinen kleineren Widerstand haben als:
RP otentiometer =
5, 6V
UP otentiometer
=
= 1, 4Ω
I
4A
2. Beim DC-Netzteil sollte man vorsichtshalber die Strombegrenzung auf die maximale Stromstärke stellen, die die Spulen noch vertragen (hier: 4 A). Dazu
muss man den Plus- und den Minuspol des Ausgangs mit einem Kabel verbinden. Danach kann man den Pluspol mit der einen und den Minuspol mit der
anderen Spule verbinden (Abb. 2).
Abbildung 2: Versuchsaufbau mit DC-Netzteil
3
1.3
Versuchsdurchführung
Zuerst wird ein Blech als Pendelkörper verwendet. Dieses schwingt bei abgeschalteten Magnetfeld relativ ungedämpft hin und her. Schaltet man das Magnetfeld ein,
so wird es stark gebremst, weil die Leitungselektronen im Pendelkörper durch die
Lorentzkraft auf kreisähnliche Bahnen abgelenkt werden und ein Induktionsstrom
fließt. Nach der Drei-Finger-Regel wirkt auf das im Feld befindliche Leiterstück eine
entgegen der Bewegung des Pendelkörpers gerichtete Kraft, die ihn bremst. Die in
zusammenhängenden Metallstücken hervorgerufenen Induktionsströme nennt man
Wirbelströme.
Zum Vergleich nimmt man das Blech mit Schlitzen. Dieses wird nur schwach gebremst. Das liegt daran, dass sich durch die Schlitze nicht so viele Wirbelströme
ausbilden können. Als nächstes vergleicht man eine Scheibe, einen Ring und einen
Ring mit Schlitz. Man stellt fest, dass je größer die Fläche des Pendelkörpers ist und
je weniger Schlitze bzw. Löcher er hat, desto stärkere Wirbelströme bilden sich aus
und desto schneller wird der Pendelkörper gebremst.
2
Lernvoraussetzungen
• Kenntnis der Drei-Finger-Regel der rechten Hand (UVW-Regel)
• Kenntnis der Lorentzkraft
• Wissen, dass ein stromdurchflossener Leiter im Magnetfeld eine Kraft erfährt
• Wissen, dass durch Bewegung eines Leiters im Magnetfeld an seinen Enden
eine Induktionsspannung entsteht
• Wissen, dass ein Induktionsstrom fließt, falls der Stromkreis außerhalb des
Magnetfeldes geschlossen ist.
• Kenntnis der Regel von Lenz
3
Lernziele dieses Versuches
3.1
Grobziele
• Vertiefung der Regel von Lenz
• Wissen, was Wirbelströme sind
4
3.2
Feinziele
• Bewusstsein, dass je größer die Fläche des Pendelkörpers ist und je weniger
Schlitze bzw. Löcher er hat, desto schneller wird der Pendelkörper gebremst
• Wissen, dass die Leitungselektronen des Pendelkörpers beim Hineinschwingen
in das Magnetfeld durch die Lorentzkraft auf kreisähnliche Bahnen abgelenkt
werden und somit ein Induktionsstrom fließt
• Wissen, dass in zusammenhängenden Leiterstücken hervorgerufene Induktionsströme Wirbelströme genannt werden.
• Modellvorstellung von Wirbelströmen
• Wissen, dass nach der Drei-Finger-Regel auf das im Feld befindliche Leiterstück eine entgegen der Bewegung des Pendelkörpers gerichtete Kraft wirkt,
die ihn bremst.
• Wissen, dass der Induktionsstrom immer so fließt, dass er der Bewegung, durch
die er entsteht, entgegenwirkt (Vertiefung der Lenzschen Regel)
• Kenntnis der Anwendungsgebiete der Wirbelstrombremse
4
Bezug zu einem übergeordneten Unterrichtsthema
Induktion in bewegten Leitern, Lenzsche Regel
5
5
Experimentelle Alternativen
Zur Vertiefung der Lenzschen Regel und Erklärung von Wirbelströmen bietet sich
auch ein Wechselstromzähler an.
Abbildung 3: Wechselstromzähler aus PHYWE-Katalog
6
Mögliche bzw. notwendige Modifikation des Gruppenexperiments
bei Einsatz als Demonstrationsexperiment
Da die für diesen Versuch benötigten Geräte zu teuer sind und die Schule nicht
genug davon haben, ist ein Gruppenexperimtent nicht möglich.
6
7
Unterrichtsverfahren
Modifiziertes Normalverfahren
7.1
Sozialformen
Unterrichtsgespräch
7.2
Lehrform(en) und Lernformen (= Aktionsformen)
Erarbeitende bzw. darbietende Lehrform
7.3
Motivationssituation oder Einstiegssituation
Da dieser Versuch ein weiteres Beispiel zur Lenzschen Regel ist, bietet es sich an,
den Versuch einfach zu zeigen, ohne zu verraten, wie dieser heißt. Die Schüler sollen
versuchen zu beschreiben, was passiert und was es mit dem bisher Gelernten zu tun
haben könnte.
7.4
Problemfragen und Hypothesen
Wie funktioniert eine Wirbelstrombremse und wo wird sie angewendet?
7
8
Sicherung der Lernziele (Arbeitsblatt)
Wirbelstrombremse
(Waltenhofensches Pendel)
Ein massiver Pendelkörper pendelt bei abgeschalteten Magnetfeld zwischen den Polschuhen eines Elektromagneten relativ ungedämpft. Schaltet man das Magnetfeld
ein, so ändert sich beim Hineinschwingen des Pendelkörpers in den Elektromagneten
das Magnetfeld. Der Pendelkörper wird stark abgebremst, weil die Leitungselektronen in ihm durch die Lorentzkraft auf kreisähnliche Bahnen abgelenkt werden, und
eine Spannung in ihm induziert wird, die einen Induktionsstrom verursacht. Nach
der Drei-Finger-Regel wirkt auf das im Feld befindliche Leiterstück eine entgegen
der Bewegung des Pendelkörpers gerichtete Kraft (Lenzsche Regel ), die ihn bremst.
Die in zusammenhängenden Metallstücken hervorgerufenen Induktionsströme nennt
man Wirbelströme.
8
Modellvorstellung der Wirbelströme:
Messung der Bremszeit:
Pendelkörper
massives Blech
Blech mit Schlitzen
massive Scheibe
Ring
Ring mit Schlitz
Bremszeit in s
Man stellt fest, dass je größer die Fläche des Pendelkörpers ist und je weniger
Schlitze bzw. Löcher er hat, desto stärkere Wirbelströme bilden sich aus und desto
schneller wird der Pendelkörper gebremst.
Befindet sich der Ring vollständig im Magnetfeld, so wirkt auf ihn keine Kraft, da
sich das Magnetfeld nicht ändert.
Beispiele, wo die Wirbelstrombremse eingesetzt wird: ICE, Fahrgeschäfte auf dem
Volksfest, Fitnessgeräte
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Lernzielkontrollen
Die Schüler sollen den Lückentext (Lücken kursiv geschrieben) als Hausaufgabe
ausfüllen, falls es nicht bereits im Unterricht getan wurde. Zudem sollen sie sich über
weitere Beispiele informieren, wo überall Wirbelstrombremsen eingesetzt werden. In
der nächsten Stunde sollen sie den Versuch erklären können und am Versuch zeigen,
was passiert.
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