Induktion bei rotierendem Magneten

Bezug zum Bildungsplan

4. Spezifisches Methodenrepertoire der Physik

1. Die SuS können Zusammenhänge zwischen physikalischen Größen untersuchen.
2. Die SuS können Experimente unter Anleitung planen, durchführen, auswerten, grafisch veranschaulichen und einfache Fehlerbetrachtungen vornehmen.
3. Die SuS können computerunterstützte Messwerterfassungs- und Auswertungssysteme im Praktikum selbstständig einsetzen.

9. Strukturen und Analogien

1. Die SuS können das magnetische und elektrische Feld als physikalisches System beschreiben und die Grundlagen der Maxwelltheorie verstehen, in der die Elektrodynamik auf vier Aussagen zurückgeführt wird.

Grundkenntnisse werden bei folgenden Themen erwartet:
Inhalte:
Induktion

8. Grundlegende physikalische Größen

Die SuS können mit weiteren grundlegenden physikalischen Größen umgehen: magnetische Flussdichte.

Unterrichtlicher Zusammenhang

Einsatz im Praktikum der Kursstufe

Problemstellung

Durch einen sich drehenden Stabmagneten wird in einer feststehenden Spule eine Spannung erzeugt. Erklären Sie das Zustandekommen dieser Spannung.

Ziel

Durch eigenes Experimentieren werden Sie Hypothesen zum zeitlichen Verlauf der induzierten Spannung überprüfen. Dadurch vertiefen Sie Ihre Kenntnisse zur elektromagnetischen Induktion und gewinnen zunehmend Sicherheit im Umgang mit dem Messwerterfassungssystem CASSY.

Aufgabenstellung

Lassen Sie einen Stabmagneten um seine Querachse rotieren. Registrieren Sie die induzierte Spannung in einer danebenstehenden Spule mit CASSY.

Geräte

Evtl. Magnetfeldsensor [z.B. Axiale B-Sonde S (524 0383) oder Kombi-B-Sonde S (524 0381)] + 1 Pocket-CASSY (524006) mit USB-Kabel

Aufbau

Befestigen Sie den Stabmagneten mit einem Faden so an Stativmaterial, dass der Stabmagnet durch Anstoßen leicht um seine Querachse rotieren kann (siehe Abbildung).

Stellen Sie neben dem Magneten eine Spule auf, so dass das Magnetfeld des Stabmagneten bei der Rotation die Spulenfläche durchsetzt.

Schließen Sie das Messwerterfassungssystem so an, dass die in der Spule induzierte Spannung gemessen werden kann.

Damit der Stabmagnet beim Rotieren nicht pendelt, hat es sich bewährt, den Faden kurz oberhalb des Stabmagneten während der Rotationsbewegung mit Daumen und Zeigefinger festzuhalten.

Aufgabe zur Vorbereitung

Welchen zeitlichen Verlauf der induzierten Spannung erwarten Sie bei Rotation des Stabmagneten? Skizzieren Sie Ihre Vorhersage und begründen Sie!

Durchführung

1. Versetzen Sie den Stabmagneten in Rotation und registrieren Sie den Spannungsverlauf!
2. Falls vorhanden: Zeichnen Sie gleichzeitig (mit zweitem Pocket-CASSY) oder anschließend die magnetische Flussdichte längs der Spulenachse auf!

Auswertung

1. Vergleichen Sie das t-U-Schaubild mit Ihrer Vorhersage! Finden Sie Gemeinsamkeiten und Unterschiede.
2. Interpretieren und begründen Sie den Verlauf des erhaltenen Schaubildes. Setzen Sie es in Beziehung mit dem zeitlichen Verlauf der magnetischen Flussdichte. Welche der vier Maxwell'schen Gleichungen müssen hier zu Rate gezogen werden?

Versuchsbeispiel

Aufgabe I

Diagramm:

Aufgabe II.

Diagramm:

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