Impuls Physik 4, Schulbuch

Lernstoff-Doppelseite Liebe Schülerin, lieber Schüler, auf dieser Doppelseite zeigen wir dir, wie „Impuls Physik“ aufgebaut ist. Das Schulbuch hat zehn große Kapitel, die jeweils aus zwei Lehrstoffdoppelseiten, zwei Übungs- doppelseiten, einer Zusammenfassungsseite und einer Seite zum forschenden Lernen bestehen. Wie arbeite ich mit diesem Buch? Übungs-Doppelseite Zusammenfassung Erforsche selbst 2 Seiten Lernstoff 2 Seiten Übungen 2 Seiten Lernstoff 2 Seiten Übungen 1 Seite Zusammenfassung 1 Seite „Erforsche selbst“ „Impuls Physik“ hat zehn große Kapitel, die jeweils aus 10 Seiten bestehen: Hier kannst du dein Wissen selbst anwenden. Hier kannst du dein Wissen überprüfen und festigen. ElektromagneteundMotoren ElektromagneteundMotoren 1 Erdöl und Erdgas sind fossile Brennstoffe und nicht erneuerbar. 1 15 14 Erforsche selbst Zusammenfassung Neugierig? Hast du das gewusst?Auf Schrottplätzen verwendetman extrem starke Elektromagnete, um damit schwere Lasten, zBAutowracks, hochzuheben. Wie kannman selbst einen Elektromagneten bauen? Finde es selbst heraus! Um einen Elektromagneten zu bauen,brauchst du einenNagel (90mm), ca. 1m Schaltdraht und eineBatterie (4,5V). Umwickle denNagel ca. 30Malmit dem Schaltdraht. Wenn du nun die so entstandene Spule an dieBatterie anschließt, wirst du einemagnetischeKraft feststellen können. Die Spule kann dann zB kleineNägel (2 bis 3 cm) anziehen. Stelle eineVermutung an! Wie könnteman den Elektromagneten stärkermachen? Schreibe ein paarVermutungen auf.Du kannst dem Text imAbschnitt „Wovon ist die Stärke eines Elektromagneten abhängig?“auf Seite 7 ein paar Anregungen entnehmen. DiemagnetischeKraft des Elektromagneten kann verstärktwerden, indem… Mach etwas daraus! Experimentiere nunmit deinem selbst gebauten Elektromagneten und überprüfe so deineVermutungen. Welche deinerVermutungen kannst du experimentell bestätigen? Besprich deine Erfahrungen und Ideen! Tausche deine Erfahrungenmit deinenMitschülerinnen undMitschülern sowie deiner Lehrerin bzw.deinem Lehrer aus undmach dirGesprächsnotizen. Fasse zusammen 1 Unterstreiche in den zusammenfassenden Texten acht Textelemente,die dir besonders aussagekräftig und wichtig erscheinen.Bedenke: Ein Textelement soll nichtmehr als dreiWörter beinhalten. 2 Übertrage die achtwichtigen Textelemente in dieweißen Felder. A B C D 3 Erkläre einerMitschülerin oder einemMitschüler,warum diese Textelemente für dich diewichtigsten sind. 4 Formuliere aus den Textelementen gemeinsammit einerMitschülerin oder einemMitschülerMerksätze in deinem Physik-Heft. A Um einen stromführenden Leiter befindet sich einMagnetfeld.Rollt man einen Leiter zu einer Spule zusammen, erhältman einen Elektro- magneten. Er besitztwie einDauermagnet einenNord- und einen Südpol. B DieKraft des Elektromagneten kann durch einen Eisenkern verstärkt werden.Weiters bestimmen die Stromstärke und dieAnzahl der Windungen die Stärke des Elektromagneten.Die elektrischeKlingel ist eineAnwendungsmöglichkeit des Elektromagneten. C Ein bewegliches Leiterstück,das sich in einemHufeisenmagneten befindet,bewegt sich, sobald esmit Strom durchflossenwird.Das Magnetfeld,das sich um den stromführenden Leiter bildet, trittmit demMagnetfeld desHufeisenmagneten inWechselwirkung. Die Stromrichtung eines Elektromagneten bestimmt dieRichtung seinesMagnetfeldes. D EinKommutator sorgt für ein regelmäßigesUmpolen von Ankerspulen in Elektromotoren. Er besteht aus zwei voneinander isolierten,gebogenenMetallplättchen.Über diese Plättchen streifen bei derDrehbewegungKohlebürsten,diemit der Stromquelle verbunden sind.Durch dieDrehbewegungwird so ein regelmäßiges Umschalten der Stromrichtung erzielt. Kopiervorlage hi343i 9 8 ElektromagneteundMotoren 1 1 Magnetismus nach Bedarf Basis und Plus – Das kann ich! Um einen stromführenden Leiter besteht einMagnetfeld! Wie sieht dasMagnetfeld einermit Strom durchflossenen Spule aus? Wie kannman die Pole eines Elektromagneten verändern? 1 2 Wovon ist die Stärke eines Elektromagneten abhängig? Reihe folgende Elektromagnete nach ihrer Stärke.Vergib dazu dieWertungen 1 (am stärksten), 2, 3 und 4 (am schwächsten). 600Windungen 0,2A 600Windungen 0,3A 400Windungen 0,2A 1000Windungen 5A PraktischeAnwendungen des Elektromagneten Es gibt Türglocken,die beimDrücken des Tasters ein hohes „Ding“und beim Loslassen ein tiefes „Dong“ erzeugen. Solche Türglocken funktionieren nach dem elektromagnetischen Prinzip. BeimDrücken des fließt Strom durch eine Spule.Die Spulewird dabei und zieht einen beweglichen an. Dieser schlägt dabei auf dasKlangblech: „ .“ Beim Loslassen des wird der Stromkreiswieder . Die Spule ist somit nichtmehr .Der bewegliche wird von der zurückgezogen.Dabei schlägt er auf dasKlangblech: „ .“ 3 4 Die Lametta-Schaltung Beobachten+Untersuchen Baue denVersuchwie imBild auf.Wenn du an die parallel geschalteten Lamettafäden eineGleichspannung von 6Volt anlegst,bewegen sich die Fäden aufgrund der elektromagnetischenKräfte aufeinander zu. Weißt du,wie du die Schaltung aufbauenmusst,damit die Lamettafäden nicht parallel, sondern inReihe geschaltet sind? Probiere es aus und beschreibe dieReaktion der Fäden. V2 Materialien 2 Lamettafäden 4Krokoklemmen Kabelmaterial Transformator (6-V-Gleichspannung) EinAmperemeter zumSelbstbauen Beobachten+Untersuchen+Bewerten Du kannst selbst einAmperemeter bauen: Durchbohremit dem Schaschlikspieß die Schalt- drahtrolle in derMitte. ( Vorsicht: Vermeide ein ruckartigesDurchstechen! Du könntest dich dabei verletzen oder dasKabel beschädigen.) Fixiere die Schleifen der Schaltdrahtrollemit Klebeband und isoliere die beiden Enden des Schaltdrahtes ab.Baue nunwie in denBildern rechtsmit jeweils zweiKaugummischachtel- deckeln und einerWäscheklammer zweiAchslager für den Schaschlik- spieß. Stecke die beiden Spitzen des Schaschlikspießes in dieDraht- federspiralen derWäscheklam- mern. Stelle zwei an Trafokernen haftendeRingmagnete an den Seiten der Spule auf. Stecke nun den Trinkhalm an eine Spitze des Schaschlikspießes.DieserHalm dient als Zeiger für dein Amperemeter. DeinDrehspul-Amperemeter ist nun fertig.Du kannst eineGleichstromquelle (max. 6Volt) an die beidenDrahtenden anschließen undwirstmerken,dass sich bei einerVeränderung des Stromes der Zeiger (Strohhalm) entsprechend bewegt. V3 Materialien 1Rolle Schaltdraht 4Kaugummi-schachtel- deckeln 1 Schaschlikspieß oder 1 Stricknadel 2Wäscheklammern 1 Trinkhalm 2 Trafokerne 2Ringmagnete schachtel- 1 Stricknadel Trafokern Ringmagnet Wäscheklammer Schaltdraht Trinkhalm Kaugummischachteldeckel AlsMax seinemVater beimAufrollen der Kabeltrommel zusieht,hat er eine grandiose ldee: „Wennman an dieKabeltrommel zumBeispiel eine Leuchte anschließt,fließt Strom im aufgerollten Kabel“,denkt sichMax. „Dieser Strommüsste dieKabeltrommel doch in einen kräftigen Elektromagneten verwandeln!“ Leider irrt sichMax.Warum ist seine Theorie falsch? 5 13 12 ElektromagneteundMotoren 1 1 Baupläne für Elektromotoren Basis und Plus – Das kann ich! Wie entstehtBewegung durch Elektromagnetismus? Warum bewegt sich einmit Strom durchflossenes Leiterstück in einemMagnetfeld (zB einesHufeisenmagneten)? Was besagt dieDrei-Finger-Regel? Der Elektromotor 1 2 Hier siehst duAusschnitte aus technischen Plänen der vierGeräte vonAufgabe 3. WelcherAusschnitt gehört zuwelchemGerät? Markierewiedermit der entsprechenden Farbe und erkläre deineVermutungen. Nicht alleMotoren sind Elektromotoren. Im folgendenBeispielwird nicht umgepolt, sondern gezündet. Verbrennungsmotoren habenmeistens vier Zylinder. Schnelle Sportwagen können bis zu zwölf Zylinder haben. Was im Zylinder einesBenzinmotors vorgeht, kannst du anhand der folgendenÜbung selbst herausfinden.Ordne dieBilder den entsprechenden Texten zu. Vorgang beginnt von vorne. DerKolben bewegt sich nach oben und drückt dabei die Abgase,die bei der Explosion desBen- zin-Luft-Gemisches entstehen,durch das Auslassventil hinaus. DerKolben bewegt sich nach unten.Das Benzin-Luft-Gemisch wird angesaugt. Ein Zündfunke aus der Zündkerze bringt dasBenzin- Luft-Gemisch zum Explodieren. DerKolbenwird dabei nach unten gedrückt. DerKolben bewegt sich nach oben und verdichtet das Benzin-Luft-Gemisch. Die Temperatur des Gemisches steigt dabei an. Dieselmotoren funktionieren anders. Informiere dich im Internet. 4 5 6 Die folgendenBilder zeigen dir vierAnwendungsbereiche von Elektromotoren.Markiere den zu diesen Geräten passenden Text jeweilsmit der entsprechenden Farbe. Ein Elektromotor treibt über einBandeine Trommel an. Aus derDrehbewegung desMotorswird ein regelmäßigesHin und Her. Je stärker der Elektro- motor dieserMaschine ist, umsomehrDruck kann erzeugtwerden. ZweiMotoren sorgen für ine g zielteBewegung. 3 Di gedrehteSpule Beobachten+Untersuchen Bei den beschriebenen Elektromotoren kommt es durch die ständigeUmpolung desAnkermagneten zu einer Drehbewegung.Wechselt statt demMagnetfeld der Ankerspule dasMagnetf ld der Feldspul laufend seine Ausrichtung, erhältman dieselbeWirkung: Es kommt auch zu einerDrehbewegun .Probiere es selbst aus. Verwende dazu zwei Stabmagnete und eineKompassnadel. In diesem Experimentiermodell dienen die Kompassnadel alsAnkermagnet und die Stabmagnete als Feldmagnete.Durch ständigesWenden der Stabmagnete kannst du eineUmpolung simulieren und dieKompassnadel in einewirreDrehung versetzen.Bei richtigenMotorenwirdmeistens derAnkermagnet umgepolt,da dies technisch einfacher zu verwirklichen ist. V4 Materialien Kompassnadel mit Stativ zwei kleine Stabmagnete Hier kannst du dein Wissen festigen. ElektromagneteundMotoren 1 Elektromagnete sind umso stärker, jemehrWindungen sie besitzen. Der Aufbau einer elektrischen Klingel Elektromagnet BlattfederKontaktfederAnkerKlöppel Glocke Die Funktionsweise eines Relais Elektromagnet schwacherSteuerstromkreis starkerArbeitsstromkreis Schalter Wovon ist die Stärke eines Elektromagneten abhängig? Ein Eisenkern im Inneren der Spule erhöht dieWirkung des Elektromagneten. Weiters spielen Windungsanzahl (Kabelwicklungen) und Stromstärke eine entscheidendeRolle. Die Stärke des Elektromagneten erhöht sich durch den Eisenkern, eine Erhöhung derWindungsanzahl sowie eine Erhöhung des zugeführten Stroms. Dank dieser Eigenschaften kannman Elektromagnete je nach Einsatzgebiet individuell herstellen. PraktischeAnwendungen des Elektromagneten EineAnwendung des Elektromagneten,die du aus demAlltag kennst, ist die elektrischeKlingel .Der Elektromagnet ist sozusagen dasHerzstück jeder elektrischenKlingel. Wird dieKlingelmit Strom versorgt,fließt dieser über dieKontaktfeder desAnkers zum Elektromagneten.Der Elektromagnet erzeugt im selben AugenblickmagnetischeKräfte. DieseKräfte ziehen denAnker samtKlöppel und somit auch die Kontaktfeder nach unten.Der Stromkreiswird sogleich an der Kontaktfeder unterbrochen. Der Elektromagnet verliert durch dieUnterbrechung seineKraft, derAnker federt zurück. Der Prozess beginnt von vorne. Auf den folgenden Seitenfindest duweitereAnwendungsmöglichkeiten von Elektromagneten. Was sind Relais? Angenommen,du bist eine Technikerin oder ein Techniker.Du bekommst dieAufgabe, einen Starkstromkreis für eine große Fabriksmaschine zu installieren.Dabei sollte dieMaschine vom anderen Ende der Fabrikshalle aus (30m Entfernung) zu schalten sein. EswäreMaterialverschwendung,den Starkstromkreis durch die ganze Fabrikshalle zu leiten. Es gibt aber eineMöglichkeit,den Starkstromkreis direkt an derMaschinemit einem zweiten, schwächeren Stromkreis aus weiter Entfernung ein- und auszuschalten. Dazu brauchst du einen Elektromagneten. Eine solche Zweistromkreisschaltung nenntman Relais . Mittels eines schwachen Steuerstromswird ein Elektromagnet gesteuert. Er schaltetmechanisch einen Schalter ein bzw. aus.Der Schalter ist Teil des starkenArbeitsstromkreises. So kannman einen starkenArbeitsstromkreismit einem schwachen Steuerstromkreis ein- bzw. ausschalten. M Magnetfeld eines Stabmagneten (Dauermagnet) Magnetfeld eines Elektromagneten ChristianOersted 1 Magnetismus nach Bedarf Handyladegerät, Fernseher, Computer,Bohrmaschine,Ventilator, elektrische Zahnbürste, Spielkonsole usw.OhneMagnetismuswürde keines dieserGeräte funktionieren. Es handelt sich bei denMagneten in diesenGeräten aber nicht um Dauermagnete, sondern um so genannte Elektromagnete. Elektromagnetewandeln die elektrische Energie inmagnetische Energie um.Die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten von Elektromagnetenmachen sie zu einer derwichtigsten Erfindungen derMenschheit überhaupt. Um einen stromführenden Leiter besteht einMagnetfeld! Du hast bereits gelernt,dass einMagnet auf bestimmte Stoffe anziehendwirkt. Es handelt sich dabei um so genannte ferromagnetische Stoffe (Eisen,Nickel undKobalt). Magnete haben zwei Pole, einenNordpol (N) und einen Südpol (S). Gleichnamige Pole (N-N oder S-S) stoßen einander ab, ungleichnamige Pole (N-S) ziehen einander an. Dauermagnete, so genannte Permanentmagnete, sindMagnete, die ständigmagnetisch sind.Aus ferromagnetischen Stoffen oder aus so genannten Ferritenwerden solcheDauermagnete erzeugt. EinMagnet kann aber auch noch auf ganz andereWeise hergestelltwerden. Um einenmit Strom durchflossenen Leiter herrscht einMagnetfeld.Die magnetischeKraft kannman verdichten (komprimieren), indemman den Leiter zu einer Spule zusammenrollt. Einemit Strom durchflossene Spule nenntman Elektromagnet. Wie bei einemDauermagneten gibt es auch bei einem Elektromagneten einenNord- und einen Südpol.Auch für Elektromagnete gilt: Gleichnamige Pole stoßen einander ab, ungleichnamige Pole ziehen einander an. Man kann die Pole eines Elektromagneten vertauschen, indemman die Stromrichtung ändert.Probiere es selbst beiV1 aus! Das elektromagnetische Prinzip wurde übrigens vom dänischen Physiker ChristianOersted ganz zufällig entdeckt.Als er im Jahr 1820 vor Studenten ein Experiment vorführte,bemerkte er,dass dieNadel eines Kompasses durch ein stromführendesKabel abgelenktwurde. Er entdeckte damit eines der bedeutendsten physikalischen Phänomene aller Zeiten. M M Wiebewegt sichdieKompassnadel? Beobachten+Untersuchen DieKompassnadelwird durch dasMagnetfeld um den Leiter abgelenkt. Vorsicht: Verwende eineGleichspannung von höchstens 6V!Überprüfe,was sich ändert,wenn du die Stromrichtung änderst. V1 Materialien Kompass Kabelmaterial Stromquelle (Batterie) Glühbirne Elektromagnete und Motoren 6 7 Arbeitsblätter 6je4mi ElektromagneteundMotoren 1 1 Einfacher Kommutator Sicher befindet sich an deiner Schule ein solchesMotormodell. Deine Lehrerin bzw. dein Lehrer kann es dir zeigen. Wie gelingt diese automatischeUmpolung? Ein automatischesUmpolen d rAnkerspule führt zu einer regelmäßigenDrehbewegung. DiesesUmpolen übernimmt der so genannteKommutator. Der Kommutator ist an derAnkerwelle fest angebracht. Er besteht aus zwei voneinander isolierten,halbkreisförmigenMetallplättchen.Die Plättchen sindmit den Enden des Spulendrahtes verbunden. Über dieMetallplättchen streifen bei derDrehbewegungKohlebürsten (Grafit),diemit der Stromquelle verbunden sind. Durch dieDrehbewegungwird so ein regelmäßigesUmschalten der Stromrichtung erzielt.DiesesUmschalten vollzieht sich in jenem Mome t, in dem dieAnkerspul parallel zum Feldmagneten steht.Die Ankerspule bewegt sich dabei aufgrund des Trägheitsprinzips ein Stück weiter und ändert gleichzeitig dasMagnetfeld.Ankerspule und Feldma- gnet stoßen einander folglich ab.DieAnkerwelle samtAnkerspulemacht sich auf de Weg zur nächst n halbenUmdrehung.Die folgenden Grafiken h lfen dir,denVorgang zu verstehen. M S N + – Ein stromdurchflossenes Leiter- stück bewegt sich imMagnetfeld einesHufeisenmagneten. Drei-Finger-Regel:Mit derDrei-Fin- ger-Regel kannman die Richtung derBewegung voraussagen. Wo ist derNord- undwo der Südpol?Wenn du deine rechte Hand so auf die Spule legst, dass deine Finger in die technische Stromrichtung (von + nach –) zeigen, gibt dein ausgestreckter Daumen die Richtung desNordpols an (Rechte-Hand-Regel). Wie entstehtBewegung durch Elektromagnetismus? Nimm an,dass sich zwischen den Polen einesHufeisenmagneten ein bewegliches L itertück befindet. Sobald di ses Leiterstück von Strom durchflossenwird,bewegt es sich. DerGrund dafür it,dass sich einMagnetfeld um d s von Strom durchfloss n Leit rstück bild t.Di sesMagnetfeld trittmit dem Magnetfeld desHufeisenmagneten inWechselwirkung. Mit der Drei-Finger-Regel kannst du dieRichtung derBewegung vorhersagen: Dumusst dazu denDaumen deiner rechtenHand in Stromrichtung (technische Stromrichtung, von + nach –) halten. Der Zeigefinger zeigt inRichtung desMagnetfeldes des Hufeisenmag eten (v nN nac S). DeinMittelfinger gibt jeneRichtung an, in die die Leiterschleife ausweichenwird. Die Physik li fert alsoHilfsmittel zurVorhersag von Erscheinungen. Praktisch, oder? Der Elektromotor Dassmanmit einem Elektr magnetenBewegung erzeugen kann,wird im Elektromotor angewendet. Wird dieAnkerspulemit Strom versorgt, entsteht einMagnetfeld.Die Spule richtet sich entsprechend derMagnetfelder der umgebenden Feldmagnete aus. Beim Elektromagneten gilt:Die Stromrichtung entscheidet über dieRichtung desMagnetfeldes. Wenn es gelingt, ieAnkerspule im richtigenMoment umzupolen,wird derAnkerwieder abgestoßen und dreht sichweiter.Bei regelmäßiger Umpolung kann so eineDrehbewegung entstehen. M Baupläne für Elektromotoren Radfahren ganz bequem und ohne vielAnstrengung? Elektrofahrräder, so genannte E-Bikes,machen diesmöglich. E-Bikes haben einen Elektromotor,der über einen starkenAkkumulatormit Strom versorgtwird.DerMotor unterstützt die Tretbewegungen der Radfahrerin bzw.desRadfahrers. Rechtlich gesehen gehören inÖsterreich E-Bikesmit einerHöchst- geschwindigkeit vonmaximal 25 km/h und einerMotorleistung von höchstens 0,6 kW trotzMotorisierung zurKlasse der Fahrräder.Man braucht daher für sie keinen eigenen Führerschein. S N Feldmagnet Feldmagnet Ankerspule S N BesondereAnkermagnete garantieren eine regelmäßige Drehbewegung! In handelsüblichenGebrauchsmotoren befinden sich gleichmehrere einzelne Spulen auf demAnker. Jede Spule kann über zwei Schleifkontaktemit Strom versorgtwerden. Über die Schleifkontakte streifen zweiKohlebürsten,diemit einer Stromquelle verbunden sind. Die Schleifkontakte sind so angeordnet,dass siewährend derDrehung die Polung d rAnkerspulen im optimalenAugenblickmit Strom versorgen. Motoren dieserArt sind leistungsstark und langlebig.Außerdem kann ihreDrehgeschwindigkeit sehr genau durch die Stärke des versorgenden Stromes geregeltwerden. Schema d r Funktionsweise eines Elektromotors S S N N + – Feldmagnet Ankerspule Kommutator S S N N + – S S N N + – Feldmagnet Ankerspule Kommutator S S N N + – 10 11 Arbeitsblätter hp4yj3 Film b9t86u Hier bekommst du fachliche Informationen. 2 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv