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Physik 4


Kapitel 01 - Magnetismus und Elektromagnetismus

Kurze Wiederholung

Grundlagen zum elektrischen Strom findest du in diesem Video:

Grundlagen zum Magnetismus (Kinderfilm):

Vorher bitte aber die Fragen bei "Einige Fragen zur Wiederholung ...", a) Magnetfelder und b) Magnetische Influenz durchlesen!!! Diese Fragen werden nämlich im Film erklärt!

Einige Fragen zur Wiederholung des Stoffes der zweiten Klasse:
Wie nennt man die beiden Pole eines Magneten?

Wie werden sie farblich gekennzeichnet?

Wo ist bei jedem Magneten die Anziehungskraft am stärksten?

Richtig oder falsch: Es gibt auch Magnete, die nur einen Pol besitzen.

Welche Formen können Magnete besitzen? + Zeichnungen 
Anwendungen – Wo benötigt/findet man Magnete?
Welche beiden Pole ziehen einander an? Welche stoßen sich ab?
Wie kann man die Magnetkraft verstärken/abschwächen, wenn man mehrere Magnete benutzt?

Wie kann man mit Hilfe einer Batterie, eines isolierten Kabels und eines Nagels einen Magneten ("Elektromagnet") herstellen?

 

 

a) Magnetfelder

Fragen:

Wie nennt man die unsichtbare Hülle, von denen Magnete umgeben sind?
Ist die magnetische Kraft an jedem Punkt im Feld gleich groß?
Wenn nein, wo ist sie am größten, wo ist sie klein?
Versuche, die „Feldlinien“ eines Magneten – sichtbar gemacht durch Eisenspäne – nachzuzeichnen

 

Infos:

Magnetische Felder kann man nicht sehen. Wenn ein Physiker oder Techniker sie trotzdem sichtbar machen will, kann er Eisenfeilspäne benutzen. Diese haben die Eigenschaft, sich entlang der Feldlinien anzuordnen.

Mit Hilfe dieser Feldlinien kann man die Richtung und Stärke eines Magnetfeldes darstellen.

Magnetische Felder sind wie eine Hülle rund um den Magneten.

Je enger die Linien beisammen liegen, desto stärker ist dort die magnetische Kraft.

Man hat festgelegt (!), dass magnetische Feldlinien vom Nordpol zum Südpol reichen.

 

Zum Weiterforschen: Ferromagnetismus, Paramagnetismus und Diamagnetismus

 

b) Magnetische Influenz

Influenz = Beeinflussung

Fragen:

Was bedeutet der Ausdruck „magnetische Influenz“?
Welche Stoffe werden in der Nähe eines Magneten ebenfalls magnetisch?
Welche Stoffe kann ein Magnetfeld a) durchdringen? b) nicht durchdringen?
Wie tritt sie bei „normalem“ Eisen („Weicheisen“) auf?
Wie tritt sie bei Stahl auf?

 

Infos:

Der Begriff Influenz kommt aus dem Lateinischen und bedeutet "Beeinflussung".

Beispielsweise wird ein Stück Eisen von einem angenähertem Magneten so beeinflusst, dass es selbst auch (leicht) magnetisch wird.

Dieses Phänomen tritt bei den Stoffen Eisen (bzw. Stahl), Nickel und Kobalt auf.

 

Magnetfelder durchdringen alle Stoffe (Glas, Holz, Haut, Wasser, Öl, Aluminium,, Gold, ...) außer Eisen, Nickel und Kobalt.

 

Gewöhnliches Eisen ("Weicheisen") bleibt nur so lange magnetisch, wie der Magnet in dessen Nähe bleibt. Stahl hingegen behält seine magnetischen Eigenschaften auch noch, wenn der Magnet wieder entfernt wird.

 

 

c) Hans Christian Oersted

Hans Christian Oersted (dänischer Physiker, 1777-1851) erkannte 1820 durch Zufall den Zusammenhang zwischen Elektrizität und Magnetismus.

 

Während eines Versuches kam ein stromdurchflossenes Kabel in der Nähe eines Kompasses zu liegen und Oersted beobachtete, dass die Nadel abgelenkt wurde.

 

Daraus folgerte er richtig, dass jedes stromdurchflossene Kabel von einem Magnetfeld umgeben ist.

 

Durch diese Erkenntnis verschmolzen die bis dahin völlig getrennten Teilbereiche Elektrizität und Magnetismus zum Bereich Elektromagnetismus.

 

[Zum Weiterlesen: Der Elektroautohersteller Tesla nutzt natürlich auch Elektromagnetismus um mit den Elektromotoren die Fahrzeuge anzutreiben. Wie Nikola Tesla, der Namengeber und einer der genialsten Erfinder überhaupt, die noch "junge" Elektrizität nutzte, und warum er dennoch arm starb, liest du hier.]

 

 

d) Die Spule

Eine Spule kann man ganz leicht herstellen: Man wickelt ein (isoliertes) Kabel mehrmals auf.

Das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule sieht aus wie das Magnetfeld eines Stabmagneten!

 

Vorteile von Magnetfeldern die durch Spulen erzeugt werden:
Die Art der Polung hängt von der Stromrichtung ab.
Das Magnetfeld von Spulen kann man aus- und einschalten.

 

Für Wissbegierige gibt es dann noch die "Rechte-Hand-Regel" (auch Drei-Finger-Regel" genannt).

Ein Video zur "Rechten-Hand-Regel" findest du, wenn du runterscrollst zu (Einschub: Strom führende Leiter in fremden Magnetfeldern". 

 

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Beim nächsten Unterthema ergründen wir die Frage: Wie kann man mit Hilfe einer Batterie, eines isolierten Kabels und eines Nagels einen Magneten ("Elektromagnet") herstellen?

 

e) Der Elektromagnet

Der Elektromagnet = stromdurchflossene Spule mit Eisenkern

 

Vorteil jedes Elektromagneten: Man kann ihn abschalten!

 

Wie kann man die magnetische Wirkung eines Elektromagneten verstärken?

Die magnetische Kraftwirkung eines Elektromagneten wird verstärkt durch:
Erhöhung der Stromstärke
Erhöhung der Windungszahl
Verwendung eines lammellierten Weicheisenkerns*

 

Wo benutzt man Elektromagneten? Das erklärt das nächste Unterthema.

 

*) Auszug aus www.phyta.net "Eine stromdurchflossenen Spule hat mit einem Eisenkern bei gleicher magnetischer Erregung (Feldstärke) eine erheblich größere magnetische Wirkung."

 

 

 

f) Anwendung des Elektromagnetismus

Wo benutzt von Elektromagneten?

Zur Beantwortung dieser Frage unterteilen wir: Manchmal arbeiten die Elektromagneten alleine, manchmal wirken sie mit anderen Magneten oder Elektromagneten zusammen (man nutzt die anziehenden bzw. abstosßenden Kräfte).

 
1. Elektromagnete arbeiten „alleine“, sie ziehen verschiedene Gegenstände aus Eisen (bzw. Stahl) an:
Hebemagnet zum Heben schwerer Eisenteile (Schrottplatz, metallverarbeitende Industrie)
Autohupe
elektrische Klingel, Relais

2. Elektromagnete stoßen sich an anderen Magneten ab
Magnetschwebebahn (als Erklärung siehe auch das Video unten)
Lautsprecher
Elektromotor

 

 

 

F1) Die Klingel

Hier eine erklärte Animation der Funktionsweise einer Klingel:

 

f2) Das Relais

Funktionsweise des elektromagnetischen Relais in einer Animation:

Hinweis: Kasten zwischen den Lämpchen = Batterie (nach ca. 30s)

 

Anwendung von Relais (ca. 30 Min):

Nach ca. 1:30 Min. eine Erklärung mit Animation, wie Relais funktionieren.

Hier die Animation (Der Benutzer schaltet den roten Schalter).

g) Einschub: Strom führende Leiter in fremden Magnetfeldern

Lässt man Gleichstrom durch ein Kabel fließen, das sich in einem Magnetfeld befindet,
 so entstehen zwischen Kabel und Magnet (anziehende oder abstoßende) Kräfte.
 Das Kabel bewegt sich!
 Wichtigste Anwendung: Im Elektromotor!

 

(c) Bild: phynet.de

 

Hier noch mehr Details: die "Rechte-Hand-Regel" (oder: Erklärung der Lorentz-Kraft").

 

Wer versteht, warum sich das Ding bewegt?

f3) Die Magnetschwebebahn

Auch hierzu ein Film:

(Die Magnetschwebebahn ist kein Teil des Teststoffes!)

f4) Der Lautsprecher

Hierzu zwei Videos (das zweite ist ausführlich, und erklärt verschiedene Lautsprechertypen:

 

 


F5) bzw. h) Der Elektromotor

Der Elektromotor ist ebenfalls eine Anwendung des Elektromagnetismus (daher würde er auch noch zu f) Anwendungen des Elektromagnetismus gehören; hier wird der Elektromotor aber eigens geführt).

 

Details folgen zu einem späteren Zeitpunkt.

 

Homopolarmotor:

Wirkungsweise eines Asynchronmotors (c) Wikipedia
Wirkungsweise eines Asynchronmotors (c) Wikipedia

Im Video oben sieht man den einfachsten Elektromotor, einen Homopolarmotor.

 

 

 Hier wird noch Text eingefügt!

 

 

 

 

Zusatzinfo:  Asynchronmotoren

Asynchron- oder Brushlessmotoren besitzen keine Bürsten. Es handelt sich um Drehstrommotoren mit einem Kurzschlussrotor. Dieser besitzt Leiterschleifen die miteinander verbunden, also kurzgeschlossen sind. Das äußere Magnetfeld induziert in diese Leiterschleifen Strom, dieser baut ein Magnetfeld auf.

Besonderer Vorteil: Diese Motoren benötigen keine Schleifringe, Bürsten und Polwender. Allerdings müssen diese Motoren (elektronisch) geregelt sein, damit die richtige Außenspule zur richtigen Zeit ein Magnetfeld aufbaut und es zur richtigen Zeit wieder abschaltet. Mehr...
Brushlessmotoren werden häufig bei Modellfahrzeugen eingesetzt.   

 

 

Sehr einfacher "Elektromotor":

 

Funktionsweise:

 

 

Unten noch ein Video eines sogenannten Mendocino-Motors. Wie funktioniert er?


Dateien aus den vorigen Jahren:

Download
Fragenkatalog für Kapitel 01 - Magnetismus und Elektromagnetismus
Magnetismus - Wiederholung und Vertiefung
Elektromagnetismus (bis einschließlich Elektromotor)
Fragenkatalog 1. PH-Test Elektromagnetis
Adobe Acrobat Dokument 362.8 KB

Weiter zum Kapitel 02 - Induktion.