4 Breyer · Reichel · Zunzer Physik
Physik Gollenz 4, Schülerbuch und E-Book Schulbuchnummer: 200186 Mit Bescheid des Bundesministeriums für Bildung, Wissenschaft und Forschung vom 5. März 2021, GZ: BMBWF5.018/0076-Präs/14/2019, gemäß § 14 Absatz 2 und 5 des Schulunterrichtsgesetzes, BGBI. Nr. 472/86, und gemäß den derzeit geltenden Lehrplänen als für den Unterrichtsgebrauch für die 4. Klasse an Mittelschulen im Unterrichtsgegenstand Physik (Lehrplan 2012) und für die 4. Klasse an allgemein bildenden höheren Schulen, Unterstufe, im Unterrichtsgegenstand Physik geeignet erklärt. Dieses Werk wurde auf der Grundlage eines zielorientierten Lehrplans verfasst. Konkretisierung, Gewichtung und Umsetzung der Inhalte erfolgen durch die Lehrerinnen und Lehrer. Liebe Schülerin, lieber Schüler, du bekommst dieses Schulbuch von der Republik Österreich für deine Ausbildung. Bücher helfen nicht nur beim Lernen, sondern sind auch Freunde fürs Leben. Kopierverbot Wir weisen darauf hin, dass das Kopieren zum Schulgebrauch aus diesem Buch verboten ist – § 42 Abs. 6 Urheberrechtsgesetz: „Die Befugnis zur Vervielfältigung zum eigenen Schulgebrauch gilt nicht für Werke, die ihrer Beschaffenheit und Bezeichnung nach zum Schul- oder Unterrichtsgebrauch bestimmt sind.“ Umschlagbilder: bauhaus1000 / iStock / Getty Images Plus; crstrbrt / IStock / Getty Images Plus Illustrationen: Bernd Pavlik, Neusiedl am See; Cindy Leitner, Wien 1. Auflage (Druck 0003) © Österreichischer Bundesverlag Schulbuch GmbH & Co. KG, Wien 2022 www.oebv.at Alle Rechte vorbehalten. Jede Art der Vervielfältigung, auch auszugsweise, gesetzlich verboten. Redaktion: Stefan Kapeller, Wien Herstellung: Raphael Hamann, Wien Umschlaggestaltung: CMS – Cross Media Solutions, Würzburg Layout: CMS – Cross Media Solutions, Würzburg Satz: CMS – Cross Media Solutions, Würzburg Druck: Ferdinand Berger & Söhne GmbH, Horn ISBN 978-3-209-11104-3 (Physik Gollenz SB 4 mit E-Book) Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Breyer · Reichel · Zunzer Nach dem Lehrbuch von Gollenz · Breyer · Reichel · Tentschert neu bearbeitet von HR Mag. Gustav Breyer Dr. Erich Reichel Dr. Stefan Zunzer Physik 4 Lehrbuch www.oebv.at Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
26 Telekommunikation 42 27 Informationsspeicherung 43 28 Mikroelektronik 44 29 Der Computer 45 Überprüfe dein Wissen 46 Die Welt des Sichtbaren 53 Lichtausbreitung und Reflexion 54 30 Sichtbarkeit von Körpern, Lichtquellen 54 31 Die Ausbreitung des Lichtes 55 32 Tag und Nacht, Mondphasen und Finsternisse 57 33 Die Reflexion des Lichtes 59 34 Bilder beim ebenen Spiegel 60 35 Der Hohlspiegel (Konkavspiegel) 62 36 Anwendungen des Hohlspiegels 64 37 Der Wölbspiegel (Konvexspiegel) 65 Abbildung durch Lichtbrechung 66 38 Die Brechung des Lichtes 66 39 Die Totalreflexion des Lichtes 68 40 Optische Prismen 69 41 Sammellinsen (Konvexlinsen) 70 42 Zerstreuungslinsen (Konkavlinsen) 72 43 Das Auge 73 44 Sehfehler des Auges 74 45 Fotoapparat und Filmkamera 75 46 Projektionsapparate 76 47 Mikroskop und Fernrohre 77 Licht und Farbe 79 48 Die Farbzerlegung des Lichtes 79 49 Farbmischung 82 50 Körperfarben und Farben in der Natur 85 Überprüfe dein Wissen 87 Elektrizität bestimmt unser Leben 5 Das Magnetfeld 6 1 Der Permanentmagnet 6 2 Die magnetische Influenz, Elementarmagnete 8 3 Das Magnetfeld von Permanentmagneten 10 4 Das Magnetfeld der Erde 11 Die magnetische Wirkung elektrischer Ströme 12 5 Das Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters 12 6 Das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule 13 7 Der Elektromagnet 14 8 Anwendungen von Elektromagneten 15 9 Kraftwirkung eines Magnetfeldes auf einen stromdurchflossenen Leiter 17 10 Der Elektromotor 18 Eine Änderung des Magnetfeldes bewirkt eine elektrische Spannung 20 11 Induktion 20 12 Induktion in einer Spule 22 13 Der Generator 23 14 Der Dreiphasenwechselstrom 25 15 Induktion durch Elektromagnetismus, Selbstinduktion 26 16 Der Transformator 28 17 Anwendungen von Transformatoren 29 18 Sicherheitseinrichtungen bei elektrischen Anlagen 31 19 Transport elektrischer Energie durch Hochspannung 32 20 Nationale und internationale Stromversorgung 33 Übertragung, Verarbeitung und Speicherung von Informationen 34 21 Halbleiter 34 22 Die Halbleiterdiode 35 23 Der Transistor 36 24 Elektromagnetische Schwingungen 37 25 Rundfunk und Fernsehen 39 Kapitelbezeichnungen in grauer Schrift kennzeichnen Kapitel, die zur Erweiterung und Vertiefung des Kernstoffes dienen. 2 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Gekrümmte Wege auf der Erde und im Weltall 93 Kräfte und ihre Wirkungen 94 51 Geschwindigkeit – Beschleunigung 94 52 Kräfte als Ursache für Beschleunigungen 96 53 Zentralkräfte führen zur Kreisbewegung 99 54 Die Gravitationskraft 101 55 Die Bewegung der Himmelskörper 102 56 Die Bahnen der Planeten 103 57 Die Weltraumfahrt 104 Überprüfe dein Wissen 105 Das radioaktive Verhalten der Materie 107 Strahlung und Energie aus Atomkernen 108 58 Stabile und instabile Atomkerne 108 59 Radioaktivität 109 60 Halbwertszeit 111 61 Radioaktivität in der Umwelt 112 62 Gefahren durch radioaktive Stoffe 113 63 Schutz vor ionisierender Strahlung 114 64 Die Nutzung radioaktiver Stoffe 116 65 Die Kernspaltung 117 66 Energie aus Kernreaktionen 118 67 Die Bedrohung der Menschheit durch Kernkraftwerke und Kernwaffen 120 Überprüfe dein Wissen 121 Lösungen zu „Zeige deine Kompetenz“ 124 Lösungen zu „Überprüfe dein Wissen“ 125 Periodensystem der Elemente 128 Register 129 Bedeutung der verwendeten Zeichen (Meanings of symbols used) Bedeutung der Vorsilben Giga (G) = 1 000 000 000 Dezi (d) = 0,1 Mega (M) = 1 000 000 Zenti (c) = 0,01 Kilo (k) = 1 000 Milli (m) = 0,001 Hekto (h) = 100 Mikro (μ) = 0,000 001 Deka (da) = 10 Nano (n) = 0,000 000 001 Beispiel 1: 1 000 Meter = 1 Kilometer = 1 km Beispiel 2: 0,01 Meter = 1 Zentimeter = 1 cm Physikalische Größen (physical quantities) f Frequenz (frequency) F Kraft (force) g Fallbeschleunigung (gravitational acceleration) I Elektrische Stromstärke (amperage) m Masse (mass) P Leistung (power) R elektrischer Widerstand (electrical resistance) s Weg (distance) t Zeit (time) U elektrische Spannung (voltage) v Geschwindigkeit (velocity) V Volumen (volume) W Arbeit (work) ρ (rho) Dichte (density) Einheiten (units) A Ampere (Einheit der Stromstärke), ampere (unit of amperage) Bq Becquerel (Einheit der Aktivität), becquerel (unit of activity) Hz Hertz (Einheit der Frequenz), hertz (unit of frequency) kg Kilogramm (Einheit der Masse), kilogram (unit of mass) J Joule (Einheit der Arbeit/Energie), joule (unit of work/energy) m Meter (Einheit der Länge), meter (unit of length) N Newton (Einheit der Kraft), newton (unit of force) s Sekunde (Einheit der Zeit), second (unit of time) Sv Sievert (Einheit der Äquivalentdosis) sievert (unit of relative biological effectiveness) V Volt (Einheit der elektrischen Spannung), volt (unit of voltage) W Watt (Einheit der Leistung), watt (unit of power) Ω Ohm (Einheit des elektrischen Widerstandes), ohm (unit of electrical resistance) 3 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
BLICK INS BUCH Liebe Schülerin, lieber Schüler! Du hast auf deiner Entdeckungsreise durch die Natur schon viel Neues und Erstaunliches erfahren. Dieses Buch wird dich auf deinem Weg durch die Physik weiter begleiten. Dabei werden dich viele neue Phänomene und Naturgesetze überraschen. Du wirst wieder interessante Experimente kennen lernen und auch selbst durchführen können. Dieses Lehrbuch soll dir helfen, deine Kompetenzen in den folgenden drei Bereichen zu vertiefen: 1) Wissen organisieren: Aneignen, Darstellen und Kommunizieren Du sollst lernen, Vorgänge und Erscheinungen in der Natur zu beschreiben, zu verstehen und zu deuten. Dazu sollst du auch Informationen aus unterschiedlichen Medien und Quellen heranziehen. Die so gewonnenen Erkenntnisse sollst du in geeigneter Form dokumentieren und auch anderen mitteilen. 2) Erkenntnisse gewinnen: Fragen, Untersuchen, Interpretieren Du sollst lernen, Vorgänge und Erscheinungen der Natur aus der Sicht der Naturwissenschaften zu beobachten und zu verstehen. Deine Erkenntnisse kannst du in verschiedenen Formen, wie z. B. in einer Grafik, einer Tabelle oder einem Diagramm darstellen, beschreiben und dazu Berechnungen durchführen. Dazu ist es notwendig, die beobachteten Phänomene zu ordnen, darzustellen und festzuhalten sowie auch zu verschiedenen Fragestellungen Experimente zu planen und durchzuführen. Dabei werden sich weitere Fragen ergeben, deren Antworten du zunächst nur vermuten kannst. 3) Schlüsse ziehen: Bewerten, Entscheiden, Handeln Du sollst lernen, Daten, Fakten und Ergebnisse aus verschiedenen Quellen oder deinen Experimenten bezüglich ihrer Bedeutung und Auswirkungen zu bewerten. Du sollst auch lernen, naturwissenschaftliche Argumentationen und Fragestellungen von nicht-naturwissenschaftlichen zu unterscheiden. Du sollst Bedeutung, Chancen und Risiken der Anwendungen von naturwissenschaftlichen Erkenntnissen für dich persönlich, für die Gesellschaft und die Umwelt erkennen und danach verantwortungsbewusst handeln. Du wirst auch die Bedeutung der Physik und Technik für verschiedene Berufsfelder, die dich interessieren könnten, verstehen lernen. Weitere im Buch verwendete Symbole und Markierungen: Online-Codes am Beginn eines Themenbereiches führen dich zu zusätzlichem Bonusmaterial. Gib den Code im Suchfenster auf www.oebv.at ein und du wirst direkt zu passendem Material weitergeleitet. Sicherheitshinweis Experimentieren kann auch gefährlich sein! Physikalische Versuche sollen dein Interesse wecken, dein Wissen erweitern und dir Freude bereiten. Sie sollen aber nicht deine Gesundheit gefährden. Führe daher deine Versuche sorgfältig durch und lass dir, wenn nötig, dabei helfen! Demonstrationsversuche dürfen nur von deinen Ph-Lehrerinnen und Lehrern durchgeführt werden. Mit dieser gelben Markierung sind physikalisch besonders wichtige Inhalte hervorgehoben. Die unter „Du bist dran – zeige deine Kompetenz:“ gestellten Aufgaben sollen dir eine Kontrolle über dein kompetenzorientiertes Wissen ermöglichen und dich zu weiteren Beobachtungen und Versuchen anregen. Am Ende jedes Großkapitels findest du auf den „Überprüfe dein Wissen“-Seiten zusätzliche Aufgaben. Die Lösungen zu allen Aufgabenstellungen findest du am Ende des Lehrbuches. Weitere Aufgabenstellungen bietet dir das auf das Lehrbuch abgestimmte Arbeitsheft Physik 4. Graue Texte gehören nicht direkt zum Kernstoff, sondern sind als Erweiterung und Vertiefung gedacht. Sie bieten zusätzliche Informationen, die dich ebenfalls interessieren könnten. Mit grauen Kapitelnummern im Inhaltsverzeichnis werden Kapitel gekennzeichnet, die komplett zum Erweiterungsstoff zählen. Ó Am Ende eines Kapitels ist das Wichtigste kurz zusammengefasst. 4 Nur zu Prüfzwecken – Eig ntum des Verlags öbv
5 Elektrizität bestimmt unser Leben Das Herz eines Kraftwerks, der Generator, wandelt mechanische in elektrische Energie um. Diese Energie gelangt über Hochspannungsleitungen (internationale Verbundnetze) zu den Endabnehmerinnen und Endabnehmern? Damit dabei möglichst geringe Energieverluste auftreten, sind auch Umspannwerke (Transformatoren) notwendig. Die Entwicklung leistungsfähiger Generatoren ermöglicht die sichere Versorgung mit elektrischer Energie. Beachte den abgebildeten Menschen als Größenvergleich! Wie kann sichergestellt werden, dass elektrische Energie jederzeit im erforderlichen Ausmaß zur Verfügung steht? Im täglichen Leben gibt es kaum einen Bereich ohne Elektronik. Diese ist häufig wegen der hohen Miniaturisierung nicht sichtbar, z. B. bei Diebstahlsicherungen in Kaufhäusern. Die gesamte Telekommunikation baut auf Mikroelektronik auf. Auch in modernen Haushaltsgeräten ist die Elektronik unverzichtbar. Die rasant zunehmende Automatisierung in der Industrie wäre ohne Elektronik nicht vorstellbar. Kannst du dir einen Tag ohne Elektronik vorstellen? Warum muss die Erde vor Sonnenstrahlung geschützt werden? Wie kann ein Elektromotor Arbeit verrichten? Für das Leben auf der Erde ist die Energie der Sonne unbedingt notwendig. Die Sonnenstrahlung enthält aber auch Anteile, die für den Menschen gefährlich sind. Einige Strahlungsanteile, auch Sonnenwind genannt, werden vom Magnetfeld der Erde abgeschirmt. Der elektrische Strom erzeugt Magnetfelder. Die anziehende und abstoßende Wirkung von Magnetfeldern führt im Elektromotor zu einer Drehbewegung. Die Leistung von Elektromotoren hängt von ihrer Bauart und der eingestellten Stromstärke ab. Dadurch können sie für viele Anwendungen eingesetzt werden. Bonusmaterial Ó zt9v7y Das Magnetfeld der Erde schützt uns vor dem Sonnenwind. Ein Elektromotor kann uns in vielen Lebensbereichen schwere Arbeiten abnehmen. Die Erfindung des Transistors 1948/49 durch J. Bardeen, W. Brattain und W. Shockley war bahnbrechend für den ungeheuren Fortschritt in der Mikroelektronik. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
6 Das Magnetfeld 1 Der Permanentmagnet Ein grauschwarzes Eisenerz, der Magneteisenstein (Abb. 1.1), besitzt die Eigenschaft, kleinere Eisenteile anzuziehen und festzuhalten. In Griechenland kannte man den Magneteisenstein schon im Altertum. Er wurde vor allem in der griechischen Provinz Magnisia in Thessalien (Abb. 1.2) gefunden und erhielt nach dieser den Namen „Magnet“. Heute bezeichnen wir alle Stoffe, die magnetische Eigenschaften haben, als Magnete (magnet). Recherchiere Gegenstände, die magnetisch sind oder eingebaute Magnete haben? Zähle einige auf. Der Mensch hat kein Sinnesorgan, mit dem er magnetische Wirkungen wahrnehmen kann. Wir können aber die Wirkung eines Magnets z. B. durch das Verhalten von Eisenstücken in seiner Nähe beobachten. Der Magneteisenstein ist ein natürlicher Magnet. Seine magnetische Wirkung ist nicht allzu stark. Es ist aber möglich, starke Dauermagnete (Permanentmagnete) aus Legierungen herzustellen. Man gibt ihnen meistens die Form eines Stabes (Stabmagnet), eines Hufeisens (Hufeisenmagnet), eines Ringes (Ringmagnet) oder einer Platte (Blockmagnet) (Abb. 1.3). Versuch: Nähere einem unmagnetischen Eisenstück (Nagel, Eisenschraube) einen Magnet. Beobachte, dass das Eisenstück schon angezogen wird, bevor es der Magnet berührt. Nun gib zwischen Magnet und Eisenstück ein Blatt Papier. Wirkt die Anziehungskraft durch diesen Stoff hindurch? Wiederhole diesen Versuch mit Glas, Holz und verschiedenen Kunststoffen. Was kannst du beobachten? Magnetismus ist eine Eigenschaft mancher Stoffe, eine besondere Kraftwirkung auszuüben. Diese hat nichts mit der elektrischen Kraft oder der Schwerkraft zu tun. Die magnetische Anziehung wirkt auf ein Eisenstück bereits aus größerer Entfernung und wird umso stärker, je näher der Magnet herangebracht wird. Sie ist auch im Vakuum wirksam. Durch Papier, Glas, Holz und Kunststoffe geht die magnetische Wirkung hindurch. Versuch: Nähere einen unmagnetischen Eisenstab einem beweglichen Magnet und untersuche, ob auch das Eisen den Magnet anzieht! Magnete und Eisen ziehen einander an (Wechselwirkung). Versuch: Nähere dem Magnet verschiedene Gegenstände und notiere, welche von ihm angezogen werden. Von einem Magnet werden nur wenige Stoffe deutlich merkbar angezogen (siehe Tabelle 1.4). Der Wichtigste unter ihnen ist das Eisen. Sehr starke Magnete können aber auch andere Stoffe beeinflussen. Mit einem Magnet kannst du prüfen, ob ein Metallgegenstand Eisen enthält. Du kannst damit z. B. auch Kupfer- und Eisenspäne oder Messing- und Eisennägel trennen. 1 Am Beginn jedes Kapitels findest du eine „Einstiegsfrage“. Diese kann dein Interesse am jeweiligen Thema wecken. Wenn du das Kapitel aufmerksam durcharbeitest, findest du sicher eine Antwort. Manchmal ist es aber nicht ganz so einfach. Da musst du auch noch andere Quellen heranziehen. Wobei hast du schon Magnete verwendet? 1 1.1 Magneteisenstein 1.2 Die Karte zeigt die Lage der ehemaligen griechischen Provinz Magnisia. 1.3 Verschiedene Bauarten von Permanentmagneten Ringmagnet Hufeisenmagnet Stabmagnet Blockmagnet Stoffe, die von einem Magnet angezogen werden nicht angezogen werden Eisen Aluminium Nickel Blei Kobalt Kupfer einige Metalllegierungen, spezielle Keramiken Glas Papier Kunststoffe 1.4 Magnetische und unmagnetische Stoffe Nur zu Prüfzw cken – Eigentum des Verlags öbv
7 Versuch: Lege auf einen Stab- oder Hufeisenmagnet eine Glasplatte oder eine durchsichtige Folie und bestreue sie mit Eisenspänen. Diese bleiben vor allem an den beiden Enden des Magnets in großer Menge hängen (Abb. 1.5), während die Mitte des Stabes davon frei bleibt. Die Gebiete der stärksten magnetischen Wirkung nennen wir die Pole des Magnets. Versuch: Lagere nach Abb. 1.6 einen Stabmagnet auf einer Spitze oder hänge ihn so auf, dass er in der Waagrechten frei beweglich ist. Stelle fest, welche Richtung der Magnet in der Ruhelage einnimmt. Nun drehe ihn aus der Ruhelage und untersuche, ob er sich nach einigen Schwingungen wieder in dieselbe Richtung einstellt! Jedesmal zeigt dasselbe Ende des Magnets nach Norden. Der zum geografischen Nordpol gerichtete Pol des Magnets wird Nordpol, der nach Süden zeigende Südpol genannt. Jeder Magnet besitzt zwei Pole, er ist ein „Dipol“. Versuch: Nähere dem Nordpol eines frei beweglichen Magnets den Nordpol eines anderen Magnets (Abb. 1.7). Beobachte die Wirkung auf den Nordpol des frei beweglichen Magnets. Nun wiederhole den Versuch mit den Südpolen. Nähere dann dem Nordpol des einen Magnets den Südpol des anderen! Was geschieht nun? Gleichnamige Pole stoßen einander ab, ungleichnamige ziehen einander an. Weit verbreitet ist die Anwendung von Magneten bei Magnetverschlüssen. So werden Verschlüsse von Halsketten, Türen von Kästchen und Kühlschränken usw. durch kleine Permanentmagnete geschlossen gehalten. Bei Spielzeugeisenbahnen findet man häufig Permanentmagnete für das Aneinanderkuppeln der Waggons. Auch Papierblätter kann man mit kleinen Magneten bequem auf einer Tafel aus Eisenblech anheften (Magnettafel, Abb. 1.8). Du bist dran – zeige deine Kompetenz: 1.1 Nähere, wie in Abb. 1.6, zwei frei bewegliche Stabmagnete einander an. Beschreibe deine Beobachtung. 1.2 Recherchiere, aus welchen besonderen Stoffen Permanentmagnete noch bestehen können. 1.5 Darstellung eines Magnetfeldes mit Eisenspänen N S 1.6 Frei beweglich aufgehängter Stabmagnet S…Südpol, N…Nordpol Pole von Magneten werden häufig mit roter und grüner Farbe dargestellt. Die farbigen Teile sind nicht die Pole selbst, sondern veranschaulichen, in welchem Teil des Magneten welcher Pol zu finden ist. 1.7 Abstoßung zwischen zwei gleichnamigen Polen 1.8 Magnettafel; kennst du noch weitere Beispiele? Magnete zeigen eine Kraftwirkung. Eisen, Kobalt, Nickel, einige Legierungen sowie speziellen Keramiken werden von Magneten angezogen. Die Anziehung erfolgt gegenseitig. Jeder Magnet ist ein Dipol. Er hat einen Nordpol und einen Südpol. Gleichnamige Pole stoßen einander ab, ungleichnamige ziehen einander an. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
8 2 Die magnetische Influenz, Elementarmagnete Eisen wird bei Annäherung eines Magnets selbst magnetisch. Dabei unterscheidet man zwischen dem magnetisch „harten“ Spezialstahl und dem magnetisch „weichen“ Schmiedeeisen (Weicheisen; das ist unlegiertes Eisen mit geringem Kohlenstoffgehalt). Die beiden Werkstoffe zeigen beim Magnetisieren ein unterschiedliches Verhalten. Versuch: Klemme einen Stab aus Weicheisen in ein Stativ (Abb. 2.1) und bringe an sein unteres Ende eine Schachtel mit Eisenspänen oder kleinen Eisennägeln. Was stellst du fest? Nähere nun dem oberen Ende des Stabes den Pol eines kräftigen Magnets. Was kannst du nun beobachten? Versuch: Was passiert, wenn du den Magnet wieder entfernst? Der Weicheisenstab wird durch die Annäherung eines Magnets vorübergehend magnetisch und zieht Eisenspäne bzw. die kleinen Eisennägel an. Entfernst du den Magnet, so wird der Stab wieder unmagnetisch und die Eisenspäne fallen ab. Bei Verwendung von Eisenspänen ist es vorteilhaft, an das untere Ende des Weicheisens ein Blatt Papier oder eine dünne Glasplatte zu halten. Es können dann nach Ende des Versuchs keine Eisenspäne am Weicheisenstab haften bleiben. Aus diesem Versuch siehst du, dass ein Magnet Weicheisen durch bloße Annäherung magnetisieren kann. Dabei kannst du weder am Magnet noch am Eisenstück irgendwelche äußere Veränderungen (z. B. an Gewicht, Größe oder Farbe) beobachten. Bei magnetisierbarem Stahl kannst du eine Magnetisierung bleibend hervorrufen und verstärken. Versuch: Lege einen Nagel aus Eisen auf den Tisch und ziehe einen Dauermagnet wie in Abb. 2.2 einige Male in derselben Richtung über den Nagel! Überprüfe den Magnetismus des Nagels. Der Nagel wird zu einem Dauermagnet. Der zum Streichen verwendete Magnet bleibt dabei unverändert magnetisch. Eisen wird in der Nähe eines Magnets magnetisch. Diese Erscheinung nennt man magnetische Influenz1 (magnetic influence). Weicheisen kann vorübergehend, magnetisierbarer Stahl dauerhaft magnetisiert werden. Für die Herstellung von Dauermagneten werden besondere (Edel-)Stahlsorten verwendet, z. B. eine Legierung aus Nickel, Kobalt, Aluminium, Kupfer und Eisen. Die Magnetisierung des Stahls selbst erfolgt auf elektrischem Weg. Österreich besitzt vor allem in Kapfenberg einen Industriebetrieb, der sich mit der Herstellung von Edelstählen befasst. Auch wenn ein Weicheisenstück nur vorübergehend magnetisch wird, so bleibt bei ihm doch immer ein Restmagnetismus zurück. Wir nennen diesen den remanenten2 Magnetismus (residual induction). Wir wollen nun herausfinden, was beim Magnetisieren in einem Eisenstück geschieht und welches Modell wir von der Natur des Magnetismus machen können. Lassen sich die magnetischen Wirkungen in unser Teilchenbild einfügen? Wie funktioniert ein Magnet? 2.1 Ein Weicheisenstück wird bei Annäherung eines Magnetpols magnetisch. (Beachte den Hinweis zur Verwendung der Eisenspäne im Text!) Der Dauermagnet wird angenähert und wieder entfernt. Weicheisen Eisenspäne 2.2 Magnetisieren eines Nagels Nagel Eisenspäne Der Dauermagnet wird mehrmals über den Nagel gezogen. Überprüfung des Magnetismus 2.3 Nagelkette 1 influere (lat.) … hineinfließen, -strömen 2 remanere (lat.) … zurückbleiben Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
9 Versuch: Teile einen magnetisierten Stahldraht in eine Anzahl kleinerer Stücke und untersuche ihre magnetischen Eigenschaften (Abb. 2.4). Jedes Teilstück eines Magnets ist wieder ein vollständiger Magnet und hat einen Nordpol und einen Südpol. Es lässt sich kein Teilstück mit nur einem Pol herstellen. Versuch: Fülle eine Proberöhre oder ein Kunststoffröhrchen mit sehr feinen Eisenspänen. Verschließe die Röhre und streiche mit einem Magnet an ihr entlang. Schüttle anschließend die Stahlspäne in der Röhre durcheinander. Überprüfe nach jedem Schritt mit einem Kompass, ob du Magnetismus feststellen kannst. Die Eisenspäne werden magnetisiert und nehmen eine vom Magnet erzwungene Lage ein. Die Röhre mit den Eisenspänen erscheint daher magnetisch. Beim Schütteln wird diese Ordnung zerstört. Obwohl die einzelnen Eisenspäne ihren Magnetismus behalten, kann dieser wegen der Unordnung der kleinen Magnete nach außen hin nicht mehr in Erscheinung treten. Versuch: Hämmere einen magnetisierten Nagel oder erhitze ihn bis zum Glühen und überprüfe anschließend seinen Magnetismus. Der Nagel ist unmagnetisch geworden. Zur Erklärung dieser Versuche verwenden wir folgendes Modell: Man nimmt an, dass sich jeder magnetische Stoff von vornherein aus sehr vielen kleinen Magneten zusammensetzt. Diese nennt man Elementarmagnete (elementary magnet). In einem unmagnetischen Eisenstück liegen diese Elementarmagnete wie die Eisenspäne in der Proberöhre ungeordnet nebeneinander (Abb. 2.5). Beim Magnetisieren werden sie ausgerichtet (Abb. 2.6). Da Weicheisen im Gegensatz zu Stahl den Magnetismus leicht annimmt und auch leicht verliert, müssen wir uns die Elementarmagnete in weichem Eisen leichter beweglich vorstellen als in Stahl. Ein kleiner Teil der Elementarmagnete bleibt auch nach dem Entfernen des Magnets geordnet und bewirkt den remanenten Magnetismus. In Abb. 2.7 sieht man, dass die magnetischen Kräfte im gesamten, den Magnet umgebenden Raum, wirksam sind. Du bist dran – zeige deine Kompetenz: 2.1 Diskutiert in kleinen Gruppen, wie man die Anordnung der Nägel in Abb. 2.3 erklären kann. 2.2 Warum zieht Eisen sowohl den Nord- als auch den Südpol eines Magnets an? 2.3 Wie erklärst du das Entmagnetisieren eines Stahlmagnets durch Hämmern oder Erhitzen? 2.4 Statt einen Stahldraht zu teilen, kannst du auch die verschraubbaren Gewindebolzen aus einem Schülerversuchsgerät verwenden. 2.5 Modellvorstellung für ein unmagnetisches Eisenstück Sind die Elementarmagnete geordnet, so ist das Eisenstück magnetisch. un un 2.6 Ein Weicheisenstück wird bei Annäherung eines Magnetpols magnetisch (Modellvorstellung). N Sind die Elementarmagnete geordnet, so ist das Eisenstück magnetisch. S 2.7 Veranschaulichung der räumlichen Struktur des Magnetfeldes um einen Stabmagnet Magnetismus beschreiben wir durch das Modell der Elementarmagnete. In einem Magnetfeld werden die Elementarmagnete durch magnetische lnfluenz geordnet; der Körper wird magnetisch. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum d s Verlags öbv
10 3 Das Magnetfeld von Permanentmagneten Ein Magnet übt in seiner Umgebung auf Eisen, Kobalt und Nickel sowie auf andere Magnete eine Kraft aus. Diese kannst du mit einigen Experimenten näher untersuchen. Versuch: Lege auf einen Stabmagnet eine Platte aus Glas oder Karton und bestreue sie mit Eisenspänen. Was beobachtest du? Versuch: Stelle kleine Magnetnadeln an verschiedenen Stellen der Platte auf. Gib an, in welche Richtungen sich die Nadeln einstellen (Abb. 3.1). Die Magnetnadeln richten sich aus, und du kannst annähernd Linien erkennen. Sie zeigen die Wirkung und die Richtung der magnetischen Kraft auf die Eisenspäne an. Diese gedachten Linien heißen magnetische Feldlinien. Ihr Verlauf wurde erst durch die Eisenspäne sichtbar gemacht. Der Wirkungsbereich von magnetischen Kräften heißt magnetisches Feld (magnetic field). Genauere Untersuchungen zeigen, dass magnetische Feldlinien geschlossen sind. Ihre Richtung wird mit Pfeilen angedeutet und wurde so festgelegt, dass sie außerhalb des Magnets vom Nordpol zum Südpol verlaufen, im Magnet selbst vom Südpol zum Nordpol (Abb. 3.2). Sie beschreiben das Magnetfeld im Raum um den Magneten. Das magnetische Feld wird mit Feldlinien dargestellt. Mit ihrer Hilfe erhalten wir eine anschauliche Darstellung des magnetischen Feldes. So ist z. B. die gleichmäßige Anordnung der Feldlinien zwischen den Polen eines Hufeisenmagnets besonders auffällig (Abb. 3.3). Ein derartiges Feld nennt man homogenes1 Feld. Mit Hilfe von Feldlinien, die durch Eisenspäne sichtbar gemacht wurden, kannst du beobachten und beschreiben, ob und wie ein Raum von magnetischen Kräften freigehalten werden kann: Versuch: Lege zwischen die ungleichnamigen Pole zweier Stabmagnete einen Eisenring und streue Eisenspäne auf die darübergelegte Glasplatte (Abb. 3.4). Was beobachtest du? Im Inneren des Ringes bleiben die Eisenspäne ungeordnet. Eisen schirmt ein magnetisches Feld ab. Du bist dran – zeige deine Kompetenz: 3.1 Lege zwei Stabmagnete in etwa 10 cm Abstand so auf den Tisch, dass sie einander a) gleichnamige Pole, b) ungleichnamige Pole zuwenden. Lege eine Glas- oder Kartonplatte darüber und bestreue diese mit Eisenspänen. Beschreibe den Verlauf der Feldlinien! 1 homogen (griech.) … von einheitlicher Beschaffenheit Was ist ein Magnetfeld? 3.1 Feldlinienbild eines Stabmagnets. Die kleinen Magnetnadeln stellen sich in die Richtung der Feldlinien. Glasplatte Magnetnadel Stabmagnet Eisenspäne 3.2 Zweidimensionale Darstellung des Magnetfeldes eines Stabmagnets mittels Feldlinien N Die magnetischen Feldlinien verlaufen vom N-Pol zum S-Pol. Die magnetischen Feldlinien sind in sich geschlossen. S 3.3 Darstellung des magnetischen Feldes eines Hufeisenmagnets durch Feldlinien Eisenspäne Die Feldlinien verlaufen zwischen den Schenkeln parallel. 3.4 Eisen schirmt das magnetische Feld ab. Das magnetische Feld wird durch Feldlinien veranschaulicht. Eine frei bewegliche Magnetnadel dreht sich in die Richtung der magnetischen Kraftlinien. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
11 4 Das Magnetfeld der Erde Du weißt schon, dass sich eine frei bewegliche Magnetnadel von selbst in Nord-Süd-Richtung einstellt. Die Ursache liegt darin, dass die Erde in magnetischer Hinsicht gewisse Ähnlichkeiten mit einem Stabmagnet aufweist (Abb. 4.1). Die Stellen, an denen die Verlängerungen dieses gedachten Stabmagnets die Erdoberfläche durchstoßen, werden als die Magnetpolgebiete der Erde bezeichnet. Versuch: Untersuche nach Abb. 4.1 den Magnetismus der „Erdkugel“ mit der Magnetsonde. Wo liegen die Magnetpole? Den Teil einer Magnetnadel, der zum Magnetpolgebiet im Norden der Erdkugel zeigt, haben wir als „Nordpol“ bezeichnet. Der Magnetpol im Norden der Erde ist also ein magnetischer Südpol, der Magnetpol im Süden ein magnetischer Nordpol. Die Magnetpole der Erde fallen nicht mit den geographischen Polen zusammen (Abb. 4.2). Der Winkel, den eine Magnetnadel an einem Ort mit der Nord-Süd-Richtung einschließt, heißt magnetische Missweisung oder Deklination (magnetic declination). Sie muss für eine genaue Bestimmung der Nord-Süd-Richtung mit einem Kompass bekannt sein. Für Wien betrug die Abweichung im März 2020 ca. 4,6°. Versuch: Eine frei bewegliche Magnetnadel stellt sich von selbst annähernd in die Nord-Süd-Richtung. Daher können wir schließen: Die Erde ist von einem magnetischen Feld umgeben. Die Ursache des Magnetfeldes der Erde liegt vermutlich im Bereich Erdmantel und Erdkern. Das Magnetfeld der Erde ermöglicht die Bestimmung der Himmelsrichtungen mit einem Kompass (Abb. 4.3). Auch Zugvögel orientieren sich auf ihren oft weiten Flügen am Erdmagnetfeld. Aus dem Weltraum bewegen sich ständig energiereiche Teilchen auf die Erde zu. Ein Teil dieser kosmischen Strahlung wird vom Magnetfeld der Erde abgeschirmt. Dabei entsteht das Polarlicht (Abb. 4.4). Du bist dran – zeige deine Kompetenz: 4.1 Warum ist der Magnetpol im nördlichen Polgebiet ein magnetischer Südpol? 4.2 Erkläre, warum ein Magnetkompass auf Eisenschiffen versagen kann. 4.3 Warum kann ein Kompass in einem Haus eine andere Nord-Süd- Richtung anzeigen als im Freien? Steckt in der Erdkugel ein Stabmagnet 4.1 Modellversuch zum Magnetfeld der Erde Das Magnetfeld wird mit der Sonde abgetastet. Modell der Erde 4.2 Die Erde und ihr Magnetfeld Achse des Magnetfeldes Rotationsachse geographischer Südpol magnetischer Nordpol 4.3 Wanderkompass 4.4 Polarlicht Der Erdmagnetismus ermöglicht die Orientierung mit Hilfe des Kompasses. Die Abweichung der Magnetnadel von der Nord-Süd-Richtung heißt magnetische Missweisung oder Deklination. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
12 Die magnetische Wirkung elektrischer Ströme 5 Das Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters Im Jahre 1820 machte Christian Ørsted1 eine Entdeckung, die einen Zusammenhang zwischen Magnetismus und Elektrizität erkennen ließ. Diesen historischen Versuch kannst du nachmachen: Versuch: Spanne einen Kupferdraht so ein, dass er waagrecht in der NordSüd-Richtung verläuft. Stelle unter den Kupferdraht eine Magnetnadel, z. B. einen Kompass (Abb. 5.1). Sie steht parallel zum Draht. Schließe die Drahtenden an eine Gleichspannungsquelle und reguliere die Stromstärke auf etwa 1 A. Was beobachtest du? Die Ablenkung der Magnetnadel ist umso stärker, je größer die Stromstärke ist. Wie erfolgt die Ablenkung, wenn du umpolst? Versuche anhand der Abb. 5.2 herauszufinden, wie man die Ablenkung des Nordpols der Magnetnadel vorhersagen kann, wenn sich die Magnetnadel unter dem Leiter befindet. Da sich eine Magnetnadel in die Richtung der magnetischen Feldlinien stellt, kannst du aus dem Versuch schließen: Jeder elektrische Strom erzeugt ein Magnetfeld. Versuch: Führe einen Draht senkrecht durch eine durchbohrte Glas- oder Kartonplatte und bestreue diese mit Eisenspänen. Beim Einschalten des Stroms ordnen sich die Eisenspäne in konzentrischen Kreisen um den Draht (Abb. 5.3). Die Stromstärke sollte mindestens 6 A betragen. Du kannst auch mehrere kleine Magnetnadeln in einem Kreis um den Leiter aufstellen und ihr Verhalten nach dem Einschalten des Stroms beobachten. Auch hier zeigen die Eisenspäne und die Magnetnadeln den Verlauf und die Richtung der magnetischen Feldlinien an. Die magnetischen Feldlinien eines geraden stromdurchflossenen Leiters haben die Form von konzentrischen Kreisen. Du bist dran – zeige deine Kompetenz: 5.1 Wie musst du nach Abb. 5.2 die rechte Hand halten, damit der Daumen die Ablenkung des Nordpols der Magnetnadel anzeigt, wenn sich der Leiter unter der Magnetnadel befindet? 5.2 Du kennst die Ablenkung des Nordpols einer Magnetnadel in der Nähe eines stromdurchflossenen Leiters. Wie kannst du die technische Stromrichtung feststellen? 1 Hans Christian Ørsted (1777–1851), dänischer Physiker und Chemiker Was haben Magnetismus und Elektrizität miteinander zu tun? 5.1 Der elektrische Strom bewirkt ein Magnetfeld. 5.2 Rechte-Hand-Regel S N technische Stromrichtung Der Nordpol zeigt in die Richtung des Daumens. Die Fingerspitzen zeigen in die Stromrichtung. 5.3 Feldliniendarstellung eines Magnetfeldes um einen stromdurchflossenen Leiter technische Stromrichtung A - Auf mindestens 6 A einstellen! 15 V/6 A - Eisenspäne zeigen den Verlauf, Magnetnadeln die Richtung der magnetischen Feldlinien an. Ein elektrischer Strom bewirkt ein Magnetfeld. Um einen stromdurchflossenen Leiter verlaufen die magnetischen Feldlinien in konzentrischen Kreisen um den Leiter. Nur zu Prüfzw cken – Eigentum d s Verla s öbv
13 6 Das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule Sehr starke Magnetfelder kann man mit stromdurchflossenen Spulen (coil) erzeugen. Diese bestehen aus vielen nebeneinander liegenden Windungen eines mit Lack isolierten Kupferdrahtes. Versuch: Führe den elektrischen Strom zuerst in einer und dann in mehreren Leiterschleifen um eine Magnetnadel (Kompass) herum (Abb. 6.1). Wir nehmen an, dass der elektrische Strom vom Plus- zum Minuspol strömt (technische Stromrichtung). Wovon hängt die Ablenkung der Magnetnadel ab? In Abb. 6.1 werden die einzelnen Leiterschleifen vom Strom im gleichen Umlaufsinn durchflossen. Daher lenkt jedes Stück des Drahtes die Magnetnadel im selben Sinne ab. Bei mehreren Schleifen addieren sich diese Wirkungen. Hat man eine entsprechend große Anzahl von Windungen, erhält man schon mit einer geringen Stromstärke ein starkes magnetisches Feld. Die magnetische Wirkung einer Spule wächst mit der Anzahl ihrer Windungen. Nun kannst du das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule näher untersuchen: Versuch: Stelle mit Hilfe eines Kartons und eines Kupferdrahtes eine Spule nach Abb. 6.2 her. Schalte diese Spule in einen Stromkreis und streue Eisenspäne auf den Karton! Wie ordnen sie sich? Versuch: Nähere den Enden der Spule eine Magnetnadel und bestimme damit die magnetische Polung der Spule (Abb. 6.3). Die Stellung der Magnetnadel in den Versuchen Abb. 6.1 und 6.3 gibt die Polung der Spule und den Verlauf der Feldlinien an. Außerhalb der stromdurchflossenen Spule verlaufen die Feldlinien in einem Bogen vom Nordpol zum Südpol. Im Inneren sind sie parallel zur Spulenachse vom Südpol zum Nordpol (Abb 6.2). Die Feldlinien bilden geschlossene Linien. Das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule hat also große Ähnlichkeit mit dem eines Stabmagnets. Die Polung einer Spule (technische Stromrichtung) kannst du nach Abb. 6.4 finden. Du bist dran – zeige deine Kompetenz: 6.1 Wie musst du in Abb. 6.4 die Hand halten, wenn sich die Stromrichtung umkehrt? Wie ändert sich die Polung der Spule? 6.2 Wie verlaufen die Feldlinien im Inneren einer stromdurchflossenen Spule? Wie heißt ein solches Feld? Diskutiere den Unterschied zum Magnetfeld in Abb. 3.2 (Seite 10). Warum wickelt man Drähte zu Spulen? 6.1 Ablenkung einer Magnetnadel bei verschiedenen Windungszahlen ... desto größer ist die Ablenkung der Magnetnadel.. Je mehr Windungen, ... 6.2 Feldliniendarstellung des Magnetfeldes einer Spule 6.3 Bestimmung des Nordpols einer stromdurchflossenen Spule mit Hilfe einer Magnetnadel N S + Der Südpol der Magnetnadel zeigt zum Nordpol der Spule. – 6.4 Bestimmung des Nordpols einer stromdurchflossenen Spule mit der „Rechte-Hand-Regel“ N S + – ... so zeigt der Daumen zum Nordpol der Spule. Zeigen die Fingerspitzen der rechten Hand in die Stromrichtung, ... Das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule entspricht dem eines Stabmagnets. Es ist umso stärker, je höher die Stromstärke ist und je mehr Windungen die Spule hat. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
14 7 Der Elektromagnet Eine häufige technische Anwendung des Magnetfeldes einer Spule ist der Elektromagnet. Welche Vorteile hat er? Versuch: Nähere eine stromdurchflossene Spule so weit einer Magnetnadel, dass diese gerade merkbar abgelenkt wird. Schiebe dann einen Weicheisenkern in die Spule (Abb. 7.1). Was beobachtest du? Durch das Magnetfeld der Spule werden die Elementarmagnete des Weicheisenkernes ausgerichtet. Dadurch wird der Weicheisenkern selbst zu einem Magnet. Die magnetische Wirkung der Spule wird somit wesentlich verstärkt. Eine solche Anordnung nennt man Elektromagnet. Wann erreicht die Verstärkung durch den Weicheisenkern den größten Wert? Vergleiche mit der Magnetisierung einer mit Eisenspänen gefüllten Proberöhre. Wird der Strom ausgeschaltet, geht der größte Teil der Elementarmagnete wieder in den ungeordneten Zustand über. Lässt man ein dauerhaft magnetisierbares Stück einer Eisenlegierung längere Zeit in einer stromdurchflossenen Spule, so wird aus diesem ein Dauermagnet. Seine Elementarmagnete bleiben auch nach dem Ausschalten des elektrischen Stroms geordnet. Damit kann man Dauermagnete herstellen. Ein Elektromagnet hat gegenüber einem Dauermagnet den großen Vorteil, dass sein Magnetismus durch Änderung der Stromstärke geregelt werden kann. Versuch: Baue nach Abb. 7.2 einen Elektromagneten. Stelle eine Stromstärke ein, bei der das mit einem Massenstück belastete Joch vom Magnet gehalten wird. Verringere dann die Stromstärke. Was passiert? Unter einer bestimmten Stromstärke ist das Magnetfeld zu klein, um das Massestück zu halten. Die Tragfähigkeit eines Magnets ist umso größer, je stärker das Magnetfeld im Eisenkern ist. Je nach dem Verwendungszweck werden Elektromagnete als Stab-, Hufeisen- oder Topfmagnete (Abb. 7.3) ausgeführt. An die Hufeisenmagnete wird meist ein Weicheisenstück (Anker oder Joch genannt) gelegt, damit es das austretende Magnetfeld aufnimmt und das U schließt. Du bist dran – zeige deine Kompetenz: 7.1 Wie muss der elektrische Strom in den beiden Spulen eines hufeisenförmigen Elektromagnets gerichtet sein, damit an seinen Enden ungleiche Pole entstehen? 7.2 Warum kann ein Elektromagnet nicht beliebig stark gemacht werden? Kann man Magnete ein- und ausschalten? 7.1 Wirkung eines Eisenkerns. Das Magnetfeld der Spule wird durch den Eisenkern verstärkt, dadurch wird die Magnetnadel stärker abgelenkt. _ _ + + 7.2 Elektromagnet mit U-förmigem Eisenkern und abnehmbarem Joch 7.3 Ein Topfmagnet kann mehrere Tonnen Eisen festhalten. Die Abbildung zeigt seinen Einsatz auf einem Schrottlagerplatz. Ein starker Elektromagnet besteht aus einer stromdurchflossenen Spule mit Eisenkern. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
15 8 Anwendungen von Elektromagneten Das Relais Ein Relais (relay) ist ein elektromagnetischer Schalter, der zum Ein- und Ausschalten eines oder mehrerer Arbeitsstromkreise dient. In so einem Arbeitskreis kann unter Umständen ein elektrischer Strom mit großer Stromstätke fließen. Das Relais besteht aus einer Spule mit einem Eisenkern (Elektromagnet), einem beweglichen Anker und Kontaktfedern, auf denen sich elektrische Kontakte befinden. Abb. 8.1 zeigt seine Arbeitsweise. Relais sind z. B. in Trennschutzschaltern und in Fehlerstromschaltern (FI-Schaltern) eingebaut (siehe Kapitel 18). Auch zur Fernsteuerung von Maschinen und zum Schalten von starken Scheinwerfern verwendet man Relais. Der Türgong In älteren Häusern und Wohnungen finden noch Klingel oder Türgong Verwendung. Beide funktionieren nach dem Prinzip des Elektromagnetismus. Der elektrische Türgong (Abb. 8.3) besteht aus einer Spule, einem beweglichen Eisenkern, zwei Metallplatten (Ging, Gong), einer Spannungsquelle und der Klingeltaste (Unterbrecher). Beim Drücken der Klingeltaste (Schließen des Stromkreises) entsteht in der Spule ein Magnetfeld, der Eisenkern wird in die Spule hineingezogen und schlägt gegen die Metallplatte „Ging“. Beim Loslassen der Klingeltaste (Unterbrechen des Stromkreises) bricht das Magnetfeld der Spule zusammen und der Eisenkern wird durch die Feder gegen die Platte „Gong“ gedrückt. Auch viele „Schulglocken“ sind als Gong ausgeführt. Drehspulinstrument Hänge eine Spule drehbar zwischen die Pole eines Hufeisenmagnets (Abb. 8.3). Schalte die Spule in einen regelbaren Stromkreis, in dem sich auch ein Amperemeter befindet. Welcher Zusammenhang ergibt sich zwischen der Stromstärke und der Drehung der Spule? Der Versuch zeigt das Prinzip eines Drehspulinstruments (Galvanometer). Die stromdurchflossene Spule dreht sich gegen die rücktreibende Kraft (Federkraft) der Aufhängevorrichtung umso weiter aus ihrer Ruhelage, je größer die Stromstärke ist. Drehspulinstrumente sind oft als Vielfachmessgeräte ausgeführt und sowohl zur Messung von Stromstärken als auch von Spannungen geeignet. Magnetventil Bei Waschmaschinen und Geschirrspülern wird der Wasserzulauf häufig durch ein Magnetventil gesteuert. Durch einen elektrischen Impuls zieht der Anker an und das Ventil öffnet sich (Abb. 8.4). Ablenkspulen In Röhrenmonitoren, wie sie früher im Fernsehapparat verwendet wurden, wird ein Elektronenstrahl erzeugt. Dieser wird von Elektromagneten derart abgelenkt, dass er zeilenweise über den Bildschirm geführt wird und dadurch ein Bild auf dem Bildschirm erzeugt wird. Wo hast du schon Elektromagnete gesehen? 8.1 Relais Steuerstromkreis Arbeitsstromkreis Gehäuse Elektromagnet Anker vom Anker bewegter Kontakt feststehende Kontakte T 8.2 Elektrischer Türgong Feder Spule Spannungsquelle Klingeltaste beweglicher Eisenkern Metallplatte „gong” Metallplatte „ging” 8.3 Eine drehbare, stromdurchflossene Spule befindet sich im Magnetfeld eines Hufeisenmagnets. 8.4 Magnetventil Magnet Spule geschlossen offen Nur zu Prüfzw cken – Eigentum des Verlags öbv
16 Nach demselben Prinzip werden im weltgrößten Teilchenbeschleuniger bei Genf (CERN) fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigte Protonen auf eine Kreisbahn gelenkt (Abb. 8.5). Bei Zusammenstößen dieser Protonen entstehen andere Teilchen, sodass Rückschlüsse auf den Aufbau der Materie möglich werden. Magnetresonanz-Tomographie Die Magnetresonanz-Tomographie (MRT, Abb. 8.6) ist ein Verfahren bei medizinischen Untersuchungen, das ein Magnetfeld zur Bilderstellung verwendet. Die MRT ermöglicht die Anfertigung von Schnittbildern (schichtweise Darstellung von Objekten) des menschlichen Körpers in beliebigen Ebenen. Dabei werden vor allem Organe und Muskeln sichtbar, während im Röntgenbild vorwiegend Knochen dargestellt werden (Abb. 8.7). Lautsprecher In einem Lautsprecher werden hörbare Schallwellen durch einen elektrischen Strom mit veränderlicher Stärke erzeugt. Diese Änderung der Stromstärke entspricht dem Tonsignal (Audiosignal). Bei einem dynamischen Lautsprecher (Abb. 8.8) ist an einer Membran eine Spule befestigt, die zusätzlich vom Feld eines Dauermagnets umgeben ist. Fließt jetzt der veränderliche Strom durch die Spule, wird sie abhängig von der Stromstärke mehr oder weniger vom Dauermagnet angezogen. Diese Bewegung überträgt sich auf die Membran, wodurch die entsprechenden Schallwellen in der umgebenden Luft hervorgerufen werden. Du bist dran – zeige deine Kompetenz: 8.1 Erkläre Anwendungen eines Relais als Öffner bzw. Schließer eines Stromkreises, die du aus deinem Alltag kennst. 8.2 Aus welchem Material ist der Anker einer Klingel oder eines Relais? 8.3 Welche Kräfte bestimmen die Gleichgewichtslage des Zeigers bei einem Drehspulinstrument? 8.4 Warum kannst du mit einem Drehspulinstrument (Vielfachmessgerät) auch Spannungen messen? 8.5 Magnete im Beschleuniger des CERN 8.6 Magnetresonanz-Tomograph 8.7 Röntgen- (oben) und Magnetresonanzaufnahme (unten) eines menschlichen Beckenknochens 8.8 Dynamischer Lautsprecher Dauermagnet Anschlüsse Der Wechselstrom erzeugt in der Schwingspule ein wechselndes Magnetfeld, welches die Schwingspule bewegt. Die Membran wird von der Schwingspule bewegt und erzeugt dadurch die Schallwellen. Anwendungsbeispiele für Elektromagnete sind die elektrische Klingel, der Gong und das Relais. Ein Relais ist ein elektromagnetischer Schalter mit zwei getrennten Stromkreisen. Auf der Wirkung des Magnetfeldes von stromdurchflossenen Spulen beruht die Funktion des Drehspulinstruments. Akustische Signale können durch ein Mikrofon in niederfrequente elektrische Schwingungen umgewandelt werden. Ein Lautsprecher wandelt diese elektrischen Schwingungen wieder in Schallschwingungen um. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
17 9 Kraftwirkung eines Magnetfeldes auf einen stromdurchflossenen Leiter Aus dem Versuch nach Abb. 5.1 (Seite 12) weißt du, dass eine bewegliche Magnetnadel durch das magnetische Feld eines stromdurchflossenen Leiters aus ihrer Ruhelage abgelenkt wird. Untersuche nun, was geschieht, wenn der Magnet fixiert, aber der Leiter beweglich ist. Versuch: Gib einen Leiter so zwischen die Pole eines Hufeisenmagnets, dass er sich wie eine Schaukel bewegen kann und schließe den Stromkreis (Abb. 9.1). Was passiert? Welche Feststellung kannst du über die Bewegungsrichtung der Leiterschaukel machen, wenn du umpolst? Ändere die Richtung des Magnetfeldes, indem du den Hufeisenmagnet um 180 ° drehst und damit die Lage von N- und S-Pol vertauscht. Achte wieder auf die Bewegungsrichtung der Schaukel beim Einschalten des Stroms. Die Bewegung des Leiters erfolgt normal zur technischen Stromrichtung. Die Bewegungsrichtung ist auch normal zu den magnetischen Feldlinien. Sie ändert sich, wenn entweder die Stromrichtung oder die Richtung des Magnetfeldes geändert wird. Bei der Bestimmung der Bewegungsrichtung des Leiters hilft uns die „Dreifinger-Regel“ (Abb. 9.2): Spreize Daumen, Zeige- und Mittelfinger deiner rechten Hand so, dass sie zueinander im rechten Winkel stehen. Zeige mit dem Daumen in die Richtung des elektrischen Stroms I (technische Stromrichtung vom Pluspol zum Minuspol) und mit dem Zeigefinger in die Richtung des Magnetfeldes B. Der Mittelfinger gibt dann die Richtung der Kraft F an, die zur Bewegung des Leiters führt. Versuch: Hänge statt der Leiterschaukel eine Spule mit z. B. 800 Windungen über dem Hufeisenmagnet auf (Abb. 9.3 links). Lass einen Strom durch die Spule fließen. Die Spule schwingt schon bei einer viel kleineren Stromstärke als die Leiterschaukel. Die Kraftwirkung hat proportional zur Windungszahl der Spule zugenommen. Versuch: Hänge zwischen die Pole eines Hufeisenmagnets eine Spule, die Teil eines Stromkreises ist (Abb. 9.3 rechts). Schalte den Strom ein. Die Spule dreht sich so weit, bis ihre Querschnittsfläche senkrecht zu den magnetischen Feldlinien steht. Sie verhält sich wie ein Stabmagnet, der sich in die Richtung der Feldlinien dreht. Die Drehbewegung der stromdurchflossenen Spule kann aufrechterhalten werden, wenn im richtigen Augenblick die Stromrichtung in der Spule geändert wird. Damit kehrt man nämlich das Magnetfeld der Spule um und sie dreht sich wegen ihrer Trägheit weiter. Kann ein Magnet auf einen Kupferdraht wirken? 9.1 Leiterschaukel im Magnetfeld ... die Spannung umgepolt wird? ... der Hufeisenmagnet gedreht wird? Wie ändert sich die Bewegungsrichtung der Schaukel, wenn ... 9.3 Links: Spule im Magnetfeld. Rechts: Die stromdurchflossene Spule dreht sich so weit, bis ihre Querschnittsfläche senkrecht zu den Feldlinien des Hufeisenmagnets steht. 9.2 Dreifinger-Regel 9.1 Wovon hängt die Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter in einem Magnetfeld ab? Du bist dran – zeige deine Kompetenz: Auf einen freibeweglichen, stromdurchflossenen Leiter wirkt in einem Magnetfeld eine Kraft. Er wird dadurch normal zur technischen Stromrichtung und normal zu den magnetischen Feldlinien bewegt. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
18 10 Der Elektromotor Der Gleichstrommotor Beim Elektromotor (electric motor) wird immer eine drehbare Spule als Läufer verwendet (Abb. 10.1). Um eine dauernde Drehung zu erhalten, wird die Stromrichtung in der Spule nach jeder halben Drehung geändert. Dies erreicht man mit Hilfe eines Polwenders oder Kommutators (commutator). Er besteht aus einem Zylinder mit zwei voneinander isolierten Metallsegmenten, an welche die Enden der Spule leitend angeschlossen sind. Auf den Metallsegmenten schleifen die sogenannten Bürsten (Schleifkontakte), die meist aus Kohle bestehen und mit den Stromzuleitungen verbunden sind. In der Abbildung 10.1 sieht man, dass ein Segment des Kommutators jeweils nur mit einem Pol der Stromzuleitung in Verbindung steht. Dreht sich die Spule und der damit fest verbundene Kommutator, so gelangen beide Bürsten gleichzeitig auf die nicht leitenden Teile zwischen den Segmenten. Da sich die Spule durch ihre Trägheit weiterbewegt, kommt nun jede Stromzuführung mit dem anderen Segment in Berührung. Dadurch wird die Stromrichtung umgepolt und die einmal begonnene Drehung fortgesetzt. Bei allen Elektromotoren verstärkt man das Magnetfeld der Spule und damit ihre Drehwirkung mit einem Weicheisenkern. In der einfachsten Form ist dieser ein Doppel-T-Anker. Das ist ein Eisenkernen mit einem Querschnitt in Doppel-T-Form. In seinen Ausschnitten sind die Wicklungen der Spule untergebracht (Abb. 10.1). Der Anker mit der Spule wird Rotor1 (rotor) genannt, der feststehende Teil heißt Stator2 (stator). Liegt die Achse der Ankerwicklung parallel zu den Feldlinien des Statorfeldes, so kommt keine Drehung zustande (Totpunkt). Die Bewegung des Doppel-T-Ankers hat also zwei Totpunkte. Man verwendet daher Trommelanker (Abb. 10.2). Bei ihnen sind mehrere Wicklungen im Anker eingebettet, die allerdings um bestimmte Winkel gegeneinander versetzt sind. Daher ist auch der Kommutator in ebenso viele gegeneinander isolierte Segmente geteilt. Als Stator wird bei allen größeren Elektromotoren ein Elektromagnet (Feldmagnet) an Stelle eines Dauermagnets verwendet (Abb. 10.3). Gleichstrommotoren verwendet man bei der Straßenbahn, beim Starter und Ventilator im Auto sowie bei batteriebetriebenen Werkzeugen und Spielzeugen usw. Auch Elektrofahrzeuge, deren Energie aus Akkus kommt, werden von Gleichstrommotoren angetrieben. Der Wechselstrommotor Wenn du bei einem Gleichstrommotor den Ankerstrom umpolst, ändert sich die Drehrichtung des Motors. Das Gleiche geschieht auch, wenn die Stromrichtung im Feldmagnet geändert wird. Wird aber im Rotor und im Stator gleichzeitig umgepolt, bleibt die Drehrichtung des Motors gleich. Das bedeutet, dass ein Gleichstrommotor auch mit Wechselspannung (alternating current) betrieben werden kann (Abb. 10.4). Sowohl der Rotor als auch der Stator müssen Elektromagnete sein, die vom Strom im selben Stromkreis erregt werden. Welche Anwendungen von Elektromotoren findest du bei dir zu Hause 10.2 Elektromotor, zerlegt: Trommelanker (Rotor) mit Kommutator und Kohlebürsten; die Wicklungen sind in den Einschnitten des Ankers eingebettet. 10.1 Gleichstrommotor mit einem Dauermagnet als Stator Stator (Feldmagnet) Doppel-T-Anker mit den Wicklungen der Spule Polwender (Kommutator) mit Metallsegmenten Bürsten (Kohle) 10.3 Stator mit Wicklungen des Feldmagnets 1 rotare (lat.) … sich drehen 2 stare (lat.) … stehen Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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