Linke-Hand-Regel und Wechselspannung.

Idee: Kurs Physik 3 am Erich-Kästner-Gymnasium, Eislingen/Fils (2010/11)
und Klaus-Dieter Grüninger, Landesbildungsserver


Kontext:

E-Lehre, Kraft auf stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld, 3-Finger-Regel


1) Das Experiment - eine Schülerfrage löst einen Zwiespalt aus.

Beim Besprechen / Wiederholen der Linke-Hand-Regel im Oberstufenkurs kam die Frage auf, was denn wohl passiert, wenn der stromdurchflossene Leiter im Feld eines Hufeisenmagneten an eine Wechselspannung angeschlossen wird.
Die Schüler vermuteten auch ganz richtig, dass sich der Leiter dann hin- und her bewegen müsste. Sie sagten auch vorher, dass dies bei den 50 Hz der herunter transformierten Netzwechselspannung aber natürlich viel zu schnell geht, so dass man bestenfalls ein "Zittern" des Leiters würde beobachten können - so ist es auch.
Ein Schüler dachte dann noch etwas weiter und unterbreitete folgenden Experimentvorschlag:

"Kann man denn die Frequenz der Wechselspannung nicht verkleinern und den Effekt dann doch noch beobachten - wenn man als Quelle statt des Netzgeräts einen Funktionsgenerator verwendet?"

Dieses Experiment hatte ich mich noch nie getraut zu probieren, obwohl mich diese Frage auch schon umgetrieben hatte.

Diese Frage löste bei mir daher, noch bevor ich den Schülern eine Antwort gab, erst einmal Nachdenken und einen inneren Zwiespalt aus:

  • Kann denn ein Funktionsgenerator überhaupt so große Stromstärken liefern, dass die Kräfte reichen, den Leiter deutlich sichtbar zu bewegen?
  • Falls die Stromstärke doch ausreichend sein sollte, würde ich dann nicht den Funktionsgenerator durch Überlastung gefährden oder gar zerstören?

Als Physiklehrer erhält man sich ja auch Neugier und einen gewissen "Spieltrieb", mich reizte diese Frage selber auch!
Ich wollte sie meinen Schülern natürlich möglichst durch ein Experiment beantworten.
Als Sammlungsleiter war mir klar, dass jede Menge Arbeit auf mich zukommen würde, wenn es schief geht.
Schließlich hatte ich die Endstufe des Funktionsgenerators schon einmal repariert!

Ich gab dann doch der Neugier und dem Risiko den Vorzug und es hat sich gelohnt!
Es geht nämlich!

Der Film zeigt das Experiment:

2) Worauf man unbedingt achten muss...

Der senkrecht eingespannte Leiter ist so etwas wie eine "Saite", d.h. er hat auch Eigenfrequenzen.
Man regt den Leiter sozusagen zu erzwungenen Schwingungen an, daher eignet sich nicht jede Frequenz des Generators gleich gut.
Das sieht man im Video. Es wurden Frequenzen zwischen etwa 0,5 Hz und 3 Hz verwendet. Die benötigten Stromstärken betrugen (gemessen) etwa 0,2 bis 0,3 A, also weit unter den Grenzdaten des Verstärkers des Funktionsgenerators. Dennoch sollte man aufpassen (s.u.)!

Natürlich braucht man einen Funktionsgenerator, der eine gewisse Ausgangsleistung abgeben kann. An der Schule gab es mehrere Generatoren des dänischen Herstellers IMPO, die von verschiedenen Lehrmittelfirmen vertrieben werden (z.B. Conatex 1011813 oder Urhammer IM 141710).
Dieser Generator kann nicht nur Frequenzen bis 0,1 Hz hinunter erzeugen, sondern auch eine Leistung von 20 W abgeben, der Maximalstrom wird mit 2,5 A - bei einer Spannung von 12,5 V - angegeben. ( vgl. Datenblatt des Herstellers (PDF-englisch))

Sicher könnte man auch jeden anderen Funktionsgenerator verwenden, der ähnliche Daten hat.

Damit funktioniert der Versuch bei einer Wechselfrequenz zwischen 1 und 5 Hz prima und der Generator hat das Experiment mehrmals schadlos überstanden.
Der verwendete Funktionsgenerator
Achtung!
Natürlich habe ich besonders aufgepasst, dass ich die Ausgangsspannung des Verstärkers nicht allzu hoch gewählt habe (bis etwa Stellung 2 des Ausgangsreglers am Verstärkerteil)!

Das sollten Sie bei Ihren Experimenten UNBEDINGT BEACHTEN!
Aus diesem Grunde ist dies auch KEIN Experiment, das Schüler so selber durchführen sollten.


Der Verstärkerteil ist wahrscheinlich nicht kurzschlussfest und der äußere Lastwiderstand sollte laut Datenblatt des Herstellers > 4 Ω sein (Lautsprecher).
Der Gesamtwiderstand des flexiblen Leiters im Hufeisenmagnet und dessen Zuleitungen ist sicher kleiner.

Wenn sie halbwegs sicher gehen wollen, schalten Sie noch einen Vorwiderstand von 5 Ω in die Zuleitung zum beweglichen Leiter, der dann die Stromstärke begrenzt. Da dieser aber eine Leistung von gut 20W ( P = R * I2) aushalten sollte, müsste es schon ein Schieberegelwiderstand sein!

Der Landesbildungsserver kann keine Gewährleistung bei möglichen Geräteschäden übernehmen.
Sie machen den Versuch auf eigene Gefahr.

Achtung!

Sie können den Film auch hier herunterladen: lhr_wechsel.flv (FLV Format 2,2 MB).
(Rechter Mausklick und "Ziel speichern unter")
Zur Wiedergabe eignet sich z.B. der kostenlose VLC-Player http://www.videolan.org/vlc/