Fadenstrahlrohr – „Unser“ kleiner Teilchenbeschleuniger

Ziel des Versuchs: 

Aus der Ablenkung bzw. Beschleunigung frei beweglicher geladener Teilchen in elektrischen und magnetischen Feldern kann der Quotient aus ihrer Ladung und Masse q/m bestimmt werden. Bei bekannter Ladung q = Z·e lässt sich daraus die Masse m der Teilchen berechnen. Eine solche Massenbestimmung lässt sich mit einem Fadenstrahlrohr durchführen. „Herzstück“ der Apparatur bildet das Helmholtz-Spulenpaar, welches im Inneren ein homogenes B-Feld bereitstellt. 

Beschreibung:
Mithilfe der Lorentzkraft als wirkende Zentripetalkraft lässt sich nach Ausmessen des Bahnradius r die spezifische Ladung des Elektrons bestimmen.

Erkenntnisse: 

Der Quotient aus Ladung und Masse, die spezifische Ladung e/m eines Elektrons, kann mit den Messwerten für U _A , B und r berechnet werden.

Beispielswerte zur Bestimmung des e/m – Verhältnisses: 
Die magnetische Feldstärke im homogenen Teil eines Helm­-Holtz-Spulenfeldes wird mit einer Hall-Sonde zu B = 9,65· 10 ^-4 T bestimmt. Bei einer Beschleunigungsspannung von U _A =210 V wird im Fadenstrahlrohr der Durchmesser der Kreisbahn zu d = 10,2 cm gemessen.

Ergebnis:
Die spezifische Ladung des Elektrons beträgt e/m _e = 1,76 ·10 ¹¹ C/kg.

Mit der bereits von MILLIKAN bestimmten Elementarladung e ( e = 1,602 · 10 ^-19) ergibt sich die Masse des Elektrons zu m _e = 9,11 ·10 ³¹ kg.

Grundversuch zum Induktionsbegriff – Bewegte Leiterschaukel im Magnetfeld

Ziel des Versuchs: 
Einstieg in den Induktionsbegriff und Visualisierung des Generatorprinzips

Beschreibung:
Eine Leiterschaukel wird relativ zum Magnetfeld eines Hufeisenmagneten bewegt. An den Enden der Leiterschaukel wird ein Voltmeter parallel geschaltet und die Spannung  nach Verstärkung  gemessen.

Erkenntnisse: 
Wird eine Leiterschaukel relativ zum Magnetfeld eines Hufeisenmagneten bewegt, so wird an den Enden der Leiterschaukel eine Spannung induziert. In einem geschlossenen Kreis fließt ein Induktionsstrom.

Induktion durch Änderung der Magnetfeldstärke

Ziel des Versuchs: 
Es wird die die Abhängigkeit der Induktionsspannung von der Änderung des Magnetfeldes gezeigt.

Beschreibung:
Eine kleine Induktionsspule befindet sich in einer langen felderzeugenden Spule, die von einem Strom mit konstanter Änderung durchflossen wird. Dabei lassen sich die Zeitintervalle, in denen der Strom ansteigt bzw. abfällt, einstellen. Bei der Anzeige des Ampere-Meters muss die Trägheit der Anzeige bei der Betrachtung berücksichtigt werden. 

Erkenntnisse: 
Bei einer konstanten Änderung des Spulenstroms ist eine konstante Induktionsspan nung messbar. Bei unterschiedlich gewählten Zeitintervallen für den Anstieg bzw. das Absenken des Stroms sind ihre Beträge aufgrund der Abhängigkeit von der Änderungsrate verschieden. Ist die Änderung ΔI positiv, so messen wir eine negative Induktionsspannung, ist die Änderung ΔI negativ, so erhalten wir einen Vorzeichenwechsel und messen eine positive Induktionsspannung. Quantitativ kann die Proportionalität der Induktionsspannung U _IND von der Änderungsrate ΔI/Δt gezeigt werden.

Thomsonscher Ringversuch

Ziel des Versuchs:
Verdeutlichung der Lenzschen Regel

Beschreibung:
Eine Spule wird an Wechselspannung (230 V, 50 Hz) angelegt. Mit einem Schalter lässt sich der Strom ein- bzw. ausschalten. Die Spule wird über ein U-Joch montiert. Eisenkerne verlängern das Joch über der Spule. Ein Aluminium-Ring liegt über den Eisenkernen oberhalb der Spule. Beim Einschalten des Stromes schnellt der Ring in beträchtliche Höhe. Der Versuch wird mit einem geschlitzten Ring wiederholt.

Erkenntnisse: 
Beim Einschalten bewirkt die Stromänderung und damit einhergehend das sich aufbauende B-Feld um die Spule eine Induktionsspannung iim Ring. Der fließende Induktionsstrom im Ring ist nach Lenz so gerichtet, dass sich im Ring ein B-Feld entgegengesetzt des B-Felds der Spule aufbaut. Es kommt zu einer Abstoßung und der Ring schnellt in die Höhe. Aufgrund des fließenden Stroms im Ring erwärmt sich dieser. Ist der Ring geschlitzt, so kann kein Induktionsstrom fließen und der Ring bewegt sich nicht.

Wirbelstrombremse

Ziel des Versuchs: 
Anwendung der Induktion in einem Bremssystem, Verdeutlichung der Lenzschen Regel

Beschreibung:
Ein Spulenpaar wird von einem konstanten Strom durchflossen, die auf einem gemeinsamen Eisenjoch montiert sind. Oberhalb stehen sich zwei Eisenkerne in 1 cm Abstand gegenüber. Schwingt das Pendel in Form einer Aluminiumplatte durch die Eisenkerne, so wird es bei Eintritt abgebremst und kommt zum Stillstand.

Erkenntnisse: 
Durch das Verändern der wirksamen Fläche der Metallplatte im Magnetfeld werden in ihr Spannungen und in der Folge Wirbelströme induziert, die ihrerseits eigene Magnetfelder erzeugen, die dem äußeren Magnetfeld entgegengesetzt sind (Lenzsche Regel) und die Platte damit bremsen.

Induktives Laden

Ziel des Versuchs: 
Kabelloses Laden am Beispiel einer Glühlampe

Beschreibung:
Die linke Spule (Primärspule) im Versuch wird an einer Wechselspannung angelegt. Mit der rechten Spule (Sekundärspule) gleicher Windungszahl wird eine Glühlampe verschaltet. Beide Spulen sind auf einem gemeinsamen Joch montiert. Wird die Wechselspannung aufgedreht, so leuchtet das Lämpchen ohne das eine leitende Verbindung zum linken Stromkreis besteht. Wird die Primärspule an eine Gleichspannung angelegt, so leuchtet die Lampe nicht.

Erkenntnisse: 
Aufgrund der Wechselspannung wird ein sich änderndes B-Feld in der Primärspule aufgebaut. Dieses durchsetzt auch die Sekundärspule, so dass in ihr eine Induktionsspannung induziert wird. Das angeschlossene Lämpchen leuchtet. Eine Gleichspannung auf der Primärseite führt zu keine Induktion in der Sekundärspule, daher leuchtet die Lampe nicht.

Wandlung von Spannungen 

Ziel des Versuchs: 
Aufbau und Funktionsweise eines Transformators

Beschreibung:
Die linke Spule (Primärspule) wird an Netzgerät angeschlossen, welches Wechselspannung bereitstellt. Parallel ist ein Voltmeter (hier rot) verschaltet, es misst die angelegte Wechselspannung an der Primärspule. Die Windungszahl beträgt 600 Windungen. Die rechte Spule (Sekundärspule) ist mit einem zweiten Voltmeter verschaltet. Es misst die Spannung in der Sekundärspule. Die Windungszahl der Sekundärspule beträgt 300 Windungen. Bei einem eingestellten Effektivwert von 10 Volt auf der Primärseite (rotes Voltemeter) misst das dunkelblaue Voltmeter eine Spannung von ca. 5 Volt. Wird die Primärspule an eine Gleichspannung angelegt, so zeigt das dunkelblaue Voltmeter eine Spannung von 0 Volt an. In einer Abänderung des Experimentes werden nun zwei Ampere-Meter in den jeweiligen Kreis in Reihe verschaltet. Wird die Windungszahl in der Sekundärspule verdoppelt, so misst dass Ampere-Meter im Sekundärkreis eine halb so große Stromstärke wie im Primärkreis.

Erkenntnisse:
Im Experiment zeigt sich, dass das Verhältnis von Primärspannung zu Sekundärspannung gleich der Primär-Windungszahl zur Sekundär-Windungszahl ist. Mithilfe der Anordnung – dem Transformator – können Spannungen bei geeigneter Wahl der Windungszahlen gewandelt werden. Wird im Primärkreis eine Gleichsspannung angelegt, so kommt es im Sekundärkreis zu keiner Induktionsspannung, da sich das B-Feld in der Primärspule nicht ändert. Geht man von einem verlustfreien Trafo aus, so ist die primär eingespeiste Leistung gleich der sekundär bereitgestellten Leistung (als Folge des Energieerhaltungssatzes). Das Verhältnis „dreht“ sich. Damit ergibt sich der gesamte Zusammenhang:

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Erkenntnisse: 

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