Erfahrungen mit der Induktionsspule im Experiment.

In den Stunden drei, vier und fünf kam dann die Monsterspule zur Vertiefung von Fragen und bei der Erzeugung sinusförmiger Wechselspannung zum Einsatz.

a.) Abhängigkeit von der Grundlänge d.

Spielt es eine Rolle, ob ich bei gleicher Geschwindigkeit die rechteckförmige Spule mit der schmalen Seite (15 cm) oder mit der breiten Seite (30 cm) voraus ins Feld einbringe?

Nach einem Brainstorming zu dieser Frage, wurde es dann einfach ausprobiert. Das Experiment ergibt, dass die Induktionsspannung doppelt so groß ist, wenn man die breite Seite nimmt, dass die Induktionsspannung auch noch zur Grundlänge d proportional ist.

Man kann mit der Monsterspule auch noch weitere Experimente machen, die das Induktionsgesetz 1. Art weiter verständlich machen.

Wenn man die breite Seite (30 cm) nimmt und die Spule bei 100 Windungen abzapft, erhält man die gleiche Induktionsspannung, wie wenn man die schmale Seite (15 cm) nimmt und mit 200 Windungen arbeitet.

Diese Ideen lassen sich mit der langen NEVA-Spule nicht entsprechend deutlich vermitteln.

b) Eine Spule wird durch das Feld bewegt.

Mit der Monsterspule - insbesondere mit der 15 x 15 cm Spule - lässt sich auch folgende Frage im Experiment einfach und deutlich beantworten:

Eine Spule wird in ein Feld eingebracht, durch das Feld bewegt und verlässt schließlich das Feld wieder. Wann tritt eine Induktionsspannung auf, wie ist sie gepolt?

Mit der Neva-Spule hat man diese Frage meist nur theoretisch besprechen können. Man kann zwar dort leicht zeigen, dass sich die Polung der Induktionsspannung beim Einbringen und beim Herausbewegen umgekehrt, aber kaum, dass es keine Induktionsspannung gibt, wenn sich die Spule zwar bewegt, aber ganz im Feld ist (keine Flächenänderung).

Mit der Monsterspule gelingt dies mühelos. Die Spule mit 15 x 15 cm kann im Feldbereich von 40 cm Durchmesser problemlos bewegt werden, ohne dass eine Induktionsspannung auftritt, erst wenn die Spule in das Feld eintritt ergibt sich eine Induktionsspannung.

Wird die Spule im Feld bewegt, tritt keine Induktionsspannung auf.

Erst wenn die Spule das Feld verlässt kann man wieder eine Induktionsspannung - mit umgekehrter Polung - beobachten.
Die Induktionsspannungen sind in der Größenordnung von einigen Millivolt, so dass man ohne Verstärkung auskommen kann.

Sehen Sie sich dazu das Versuchsvideo an, man kann auch in das Bild klicken und dann den Film mit den Pfeiltasten Bild für Bild weiterschalten.

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c) Gibt es auch in einer ringförmigen Spule Induktion?

Von dieser Beobachtung ist es nur ein kleiner Schritt bis zur Umformulierung des Induktionsgesetzes erster Art, dass nur dann eine Induktionsspannung auftritt, wenn sich die vom Magnetfeld senkrecht durchsetzte Fläche verändert.

Zur Prüfung der Idee kann man dann auch eine kreisförmige Induktionsspule verwenden. Hierfür eignen sich z.B. die Leybold Spulen (Nr.: 555 604) für die Ablenkröhre.
Sie haben ebenfalls etwa 13,5 cm Durchmesser und 320 Windungen.

Bewegt man sie durch das Feld der Helmholtzspule, so tritt ebenfalls nur dann Induktion auf, wenn sich die vom Magnetfeld durchsetzte Spulenfläche verändert.
Dies zeigt, dass die Idee der Flächenänderung von der Form der Spulenfläche unabhängig ist.

Eine Ergänzung dieser Realexperimente für den Unterricht oder auch zum vertiefenden Nachbereiten Zuhause kann diese Seite auf dem Landesbildungsserver sein.

d) Eine Spule wird im zeitlich konstanten Feld gedreht.

Bei der Erarbeitung dieses Themas kann das Gespann "Helmholtzspule und Monsterspule" seine Stärken richtig ausspielen. Die Schülerinnen und Schüler erarbeiteten sich zunächst das Thema mit Hilfe der Seite auf dem Landesbildungsserver online selbst.
Hierbei kamen in meinem Unterricht 5 alte gebrauchte Laptops mit Accesspoint zum Einsatz. Man kann aber natürlich auch die Seite offline zur Verfügung stellen, oder - notfalls - auch ausdrucken. Dies ist aber nur als Notbehelf zu sehen, weil dann die Grafiken, die die zeitlichen Änderungen zeigen, nicht zur Wirkung kommen.

Die Aluminiumenden der Monsterspule mit 30 x 15 cm liegen in den Metallklammern auf, die die beiden Helmholtzspulen verbinden und in die normalerweise das Fadenstrahlrohr eingeklemmt wird. Die Kontaktgabe ist zwar nicht optimal, genügt aber für eine langsame Drehung der Spule von Hand. Die Abführung der Spannung übernehmen zwei Krokodilklemmen.
Als Nachweisinstrument verwendet man ein Zeigerinstrument z.B. ein Steckskaleninstrument mit 30 mV Bereich von Phywe, dessen Zeiger auf Mitte justiert wird. Es ist kein Verstärker erforderlich. Die Stromstärke in der Helmholtz-Spule ist 4,0 A.
Dann wird die Spule langsam von Hand gedreht. Die Sinusform der Spannung sieht man so zwar nicht, dafür erfolgt der Vorgang so langsam, dass man ihn gut beobachten kann.

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In welcher Stellung der Spule ist die Induktionsspannung maximal?

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Die Schüler vermuten meist, dass die größte Induktionsspannung auftritt, wenn die Spule gerade senkrecht zum Feld steht, wenn also die Spulenfläche maximal ist.
"Kippelt" man die Spule um diese Lage, so tritt zwar eine Induktionsspannung auf, diese ist jedoch klein.
Die Spulenfläche ist zwar groß, aber ihre Änderung ist beim Drehen klein.

Liegt die Spule jedoch waagrecht, d.h. in Richtung der Feldlinien und man "kippelt" dort, erhält man große Induktionsspannungen. In dieser Lage bewirkt eine kleine Drehung eine große Änderung der Spulenfläche - und auf die kommt es an.
(Dies ist im Film schön zu sehen.)

Fazit:

Mit der Helmholtzspule und den Monsterspulen lassen sich auch Fragestellungen gut demonstrieren, die man mit der langen Spule von NEVA nur schlecht oder gar nicht demonstrieren kann. Die Schülerinnen und Schüler sehen auch aus größerer Entfernung genau was geschieht und können die dreidimensionalen Verhältnisse gut nachvollziehen.

Es gelingt leichter, die geometrischen Verhältnisse des Realexperiments in einer Tafelskizze verständlich darzustellen oder in einem Stundenprotokoll zu verankern.

Optimal wäre natürlich ein Experimentieren der Schülerinnen und Schüler mit mehreren solchen Anordnungen in gleicher Front. Dazu wird man aber das Material kaum haben.

Eine Webseite kann hierbei als "virtuelles Experimentierfeld" das Realexperiment im Unterricht (Präsentation durch die Lehrkraft, Stationen-Lernen) ergänzen, oder eignet sich auch zum vertiefenden Nachbereiten Zuhause.

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