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Aufgabe:
Untersuche die Kraft F auf einen Körper aus ferromagnetischem Stoff im Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule in Abhängigkeit von der Erregerstromstärke I und der Windungsanzahl N der Spule.
Vorbereitung:
Erläutere folgende Begriffe:
Kraft:
Die Kraft ist die Ursache für die Bewegung oder die Verformung eines Körpers. Kräfte kann man nur an ihren Wirkungen erkennen. Umgekehrt kann auch von jeder Beschleunigung oder Verformung auf eine Kraft geschlossen werden.
Ferromagnetischer Stoff:
Ferromagnetische Stoffe sind Eisen, Nickel und Kobalt. Diese sind mit Hilfe eines Magneten magnetisierbar und können somit auch von Magneten angezogen werden. Die Eigenschaft kommt daher, dass diese Stoffe aus kleinen Elementarmagneten bestehen, welche im unmagnetisierten Zustand völlig ungeordnet sind, jedoch mit Hilfe eines Magneten ausgerichtet werden können, worauf hin der Körper aus ferromagnetischem Stoff selbst magnetisch wird.
Magnetfeld:
Den Raum um einen Magneten, in dem eine magnetische Anziehungskraft auf andere Magnete bzw. auf Körper aus ferromagnetischem Stoff zu beobachten ist, nennt man Magnetfeld. Dieses kann mit Hilfe eines Feldlinienbildes veranschaulicht werden.
Stromstärke:
Die Stromstärke ist eine Basisgröße mit der Einheit 1 Ampere (1A). Sie gibt an wie viele Ladungen pro Sekunde fließen.
Es gilt: I=Q/t
Damit ein dauerhafter Stromfluss gewährleistet wird, benötigt man einen Stromkreis.
I... Stromstärke
Q... Anzahl der Ladungen
t... Zeit
elektrischer Widerstand:
Der elektrische Widerstand eines Bauteils gibt an, wie viel Spannung bei einer Stromstärke von 1A abfällt
Es gilt: R=U/I
Die Einheit des Widerstandes ist 1ω (Ohm). (1ω=1V/A)
R... elektrischer Widerstand
I... Stromstärke
U... Spannung
Benötigte Geräte:
1 Stativ, 1Stromquelle, 1 regelbarer Widerstand, 3 Spulen mit N=500; 750; 1000, 1 Federkraftmesser mit Fmax=1N, 1 Strommessgerät (Amperemeter), 4 Steckkabel, 1 Massestück
Versuchsaufbau/Experimentieranordnung
Schaltplan
Bemerkung: Das beim Einsetzen der Spulen mit unterschiedlicher Windungsanzahl die Spannung auf Grund unterschiedlicher Widerstände variiert, verändert sich auch die Stromstärke. Da die Stromstärke aber gleich bleiben muss, wird zum Ausgleich ein regelbarer Widerstand eingesetzt.
Durchführung:
1) Entwirf eine Experimentieranordnung, einen geeigneten Schaltplan und notiere die notwendigen Geräte (siehe oben)
2) Baue die Experimentieranordnung auf und lasse sie vom Lehrer abnehmen! Beachte: Bei jeder Messung muss der Körper durch Verschieben des Federkraftmessers so eingestellt werden, dass er jeweils gleich tief in die Spule eintaucht!
3) Untersuche die Abhängigkeit der Kraft F von der Erregerstromstärke I bei einer Windungsanzahl N=1000! Verwende die Buchsenkombination 0-12! Die Erregerstromstärke soll 0,2; 0,4 und 0,6 betragen.
4) Untersuche die Abhängigkeit der Kraft F von der Windungsanzahl N bei einer Erregerstromstärke I=0,6A! Verwende die Buchsenkombination 0-12! Die Windungsanzahl soll N=500, 750 und 1000 betragen.
Messwerttabellen/Beobachtungen:
1) Abhängigkeit der Kraft F von der Erregerstromstärke I
Nummer Erregerstromstärke I in A Kraft F in N
1 0,2 0,02
2 0,4 0,07
3 0,6 0,14
2) Abhängigkeit der Kraft F von der Windungsanzahl N
Nummer Windungsanzahl N Kraft F in N
1 500 0,05
2 750 0,1
3 1000 0,15
Auswertung/ Diagramme
1) Zusammenhang zwischen der Kraft F auf den Körper und der Erregerstromstärke I
Der Graph im Diagramm ist eine Ursprungsgerade, d.h. dass er durch den Koordinatenursprung verlauft. Er ist annähernd eine Gerade, deren Abweichungen durch evtl. Messfehler entstanden sein können (s. Fehlerbetrachtung).
Daraus folgt, dass die Kraft F direkt proportional zur Erregerstromstärke I ist.
1) Zusammenhang zwischen Kraft F auf den Körper und der Windungsanzahl N
Der Graph ist annähernd eine Gerade, die durch den Koordinatenursprung verläuft. Durch Messfehler könnten die Ergebnisse verfälscht worden sein, worauf hin der Graph keine Gerade geworden ist.
Als Ergebnis können wir formulieren, dass die Kraft F direkt proportional zur Windungsanzahl N ist.
3) Informiere dich über den mathematischen Zusammenhang zwischen der Feldstärke H, der Erregerstromstärke I und der Windungsdichte N/l. Vergleiche das mit den experimentellen Beobachtungen
Die Kraft auf einen magnetischen Probekörper an einem bestimmten Punkt im elektromagnetischen Feld wird der Feldstärke H zu Grunde gelegt.
Die magnetische Feldstärke H ist gleich dem Produkt aus der Erregerstromstärke I und der Windungsdichte N/l:
H=I*N*l-1
Das heißt, dass H direkt proportional zu I und N ist. Außerdem ist H indirekt proportional zur Länge l der Spule.
Dies stimmt mit den experimentellen Beobachtungen überein.
Fehlerbetrachtung
Da der Federkraftmesser eine große Skala hatte (Fmax=1n) war er ungeeignet für Messungen von sehr kleinen Kräften. Jedoch konnte man auch keinen Federkraftmesser Fmax=0,1N verwenden, da das angehängte Massestück schon eine Gewichtskraft von N=0,2N hatte. Somit konnte es zu Ablesefehlern kommen.
Ein weiterer Fehler könnten gewesen sein, dass man beim Ablesen der Kräfte auf dem Federkraftmesser die Skale nicht in Augenhöhe gehabt hatte. Natürlich muss man beachten, dass das Massestück ein Eigengewicht hat, weil sonst die gemessenen Kräfte viel zu groß sind.
Außerdem könnte das Messergebnis dadurch beeinflusst worden sein, dass das Massestück nicht bei jeder Messung gleich tief in der Spule gehangen hat.
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