Experimente zu Elektrizität und Magnetismus

Beachte: Sicherheit hat immer Vorrang! Damit Elektrizität keine Gefahr darstellt, sind folgende Regeln stets zu beachten:

  • Experimentiere niemals mit Elektrizität direkt aus der Steckdose!
  • Verwende stets nur Stromquellen, die Deine Gesundheit nicht gefährden können – beispielsweise Batterien, Akkus, und/oder gesicherte Stromversorgungsgeräte.
  • Achte darauf, dass niemals Wasser unbeabsichtigt in die Nähe einer elektrischen Schaltung gelangen kann.
  • Schalte den Strom erst ein, wenn ein Experiment fertig aufgebaut ist. Schalte den Strom erst ab, bevor Du einen Versuch wieder abbaust.
  • Berühre keine blanken Drähte oder Metallteile, solange der Strom angeschlossen ist. Schraube Elektrogeräte nicht auf, solange der Netzstecker in der Steckdose ist – offene Geräte dürfen nicht an das Stromnetz angeschlossen werden!

Elektrische Ladung

Das folgende Experiment bezieht sich auf den Abschnitt Elektrische Ladung.

Elektrizität durch Reibung

Material:

  • Ein Hartgummistab
  • Ein Stück (Baum-)Wolle
  • Ein Elektroskop

Durchführung:

  • Reibe einen Hartgummistab an einem Stück (Baum-)Wolle.
  • Prüfe mit einem Elektroskop, ob der Stab elektrisch geladen wurde.
  • Reibe einen Kamm aus Kunststoff an einem Pullover und halte ihn dicht an Deine Haare. Ist das Ergebnis mit dem ersten Versuchsteil vergleichbar?

Stromstärke, Spannung und Widerstand

Die folgenden Experimente beziehen sich auf den Abschnitt Stromstärke, Spannung und Widerstand.

Stromversorgung einer Glühbirne 1

Material:

  • Ein Fahrrad-Dynamo
  • Eine \unit[6]{V}-Glühbirne
  • Verbindungskabel
  • Ein Schalter

Durchführung:

  • Schraube einen Fahrrad-Dynamo an einer Stativstange fest. Verbinde das Gehäuse des Dynamos durch ein isoliertes Kabel mit einer der beiden Anschlüsse einer Glühlampe. Verbinde die untere, isolierte Anschlussstelle des Dynamos mit über einen Schalter mit der anderen Anschlussstelle der Glühlampe.
  • Schließe den Schalter und drehe ruckartig am Drehknopf des Dynamos. Leuchtet die Glühbirne auf?
  • Untersuche, ob die Glühbirne auch aufleuchtet, wenn nur ein Kabel zu ihr führt. Unter welchen Bedingungen leuchtet die Glühbirne?
  • Zeichne einen Schaltplan für den Versuchsaufbau.

Stromversorgung einer Glühbirne 2

Material:

  • Eine \unit[12]{V}-Glühbirne mit Fassung und Anschlusskabel
  • Ein regelbares Stromversorgungsgerät (2 \text{ bis } \unit[12]{V})

Durchführung:

  • Schließe eine für \unit[12]{V} vorgesehene Glühlampe an ein Stromversorgungsgerät an. Stelle nacheinander die Spannungen \unit[1]{V},\; \unit[3]{V},\; \unit[5]{V},\; \unit[8]{V},\; \unit[10]{V} \text{ und } \unit[12]{V} ein.
  • Kannst Du an der Helligkeit der Glühbirne die angelegte Spannung „ablesen“? Was würde passieren, wenn Du die Spannung noch weiter erhöhen würdest?
  • Weshalb gibt es wohl keine für \unit[230]{V} geeigneten Mini-Glühbirnen?

Wärmewirkung von Strom 1

Material:

  • Ein regelbares Stromversorgungsgerät (2 \text{ bis } \unit[12]{V})
  • Ein Draht aus Konstantan
  • Zwei Stativfüße („Tonnenfüße“)
  • Zwei Isolier-Halterungen

Durchführung:

  • Spanne zwischen zwei Isolatoren einen Draht aus Konstantan. Lege eine Spannung von \unit[2]{V} an und erhöhe sie schrittweise auf \unit[12]{V}. Lege einen Papierstreifen quer über den stromdurchflossenen Draht.
  • Beobachte den Draht. Aus welchen Veränderungen kannst Du ohne Anfassen schließen, dass er erhitzt wird?

Wärmewirkung von Strom 2

Material:

  • Ein regelbares Stromversorgungsgerät (2 \text{ bis } \unit[15]{V})
  • Ein Draht aus Konstantan
  • Eine Stecknadel
  • Zwei Stativfüße („Tonnenfüße“)
  • Zwei Isolier-Halterungen

Durchführung:

  • Wickle einen Teil eines Konstantandrahts auf einer Stricknadel eng zu einer Wendel auf. Spanne diese Wendel zwischen zwei Isolatoren und lege eine Spannung bis zu \unit[14]{V} an.
  • Unter dem Einfluss des Stroms erhitzt sich der Draht fast bis zur Weißglut. Warum hält er dieser Belastung nur kurze Zeit stand?
  • Warum glüht eine Heizwendel in einer Glühlampe lange Zeit, ohne durchzubrennen?

Wärmewirkung von Strom 3

Material:

  • Ein regelbares Stromversorgungsgerät (2 \text{ bis } \unit[12]{V})
  • Ein Draht aus Konstantan
  • Eine Stecknadel
  • Ein Becherglas
  • Zwei Stativfüße („Tonnenfüße“)
  • Zwei Isolier-Halterungen

Durchführung:

  • Wickle einen Konstantandraht mit Hilfe eines Bleistiftes zu einer Wendel auf. Biege die Enden nach oben und befestige sie an zwei Isolatoren. Tauche die Wendel tief in ein mit Wasser gefülltes Becherglas ein.
  • Lege etwa zehn Minuten lang eine Spannung zwischen 6 \text{ und } \unit[12]{V} an und messe alle zwei Minuten die Wassertemperatur. Erstelle aus den Messwerten eine Tabelle.
  • Zeichne in ein Koordinatensystem ein, wie sich die Temperatur mit der Zeit ändert. Wie ändert sich die Zeit in gleich langen Zeitabschnitten?
  • Warum kommt die „Heizwendel“ unter Wasser nicht zum Glühen?

Wärmewirkung und elektrischer Widerstand

Material:

  • Ein regelbares Stromversorgungsgerät (2 \text{ bis } \unit[12]{V})
  • Drahtstücke gleicher Dicke aus Kupfer- und Eisen
  • Zwei Stativfüße („Tonnenfüße“)
  • Zwei Isolier-Halterungen
  • Eine Zange

Durchführung:

  • Spanne zwischen zwei Isolatoren eine Leiterkette, die abwechselnd aus gleich dicken und gleich langen Kupfer- und Eisendrahtstücken aufgebaut ist.
  • Verbinde die Drahtenden mit dem Stromversorgungsgerät und erhöhe die angelegte Spannung langsam von \unit[2]{V} auf \unit[12]{V}. Welcher Draht glüht auf, welcher nicht?
  • Wiederhole den Versuch mit Wechselspannung (optional).
  • Welches der Materialien besitzt einen höheren elektrischen Widerstand? Welchen Zusammenhang zwischen dem elektrischen Widerstand und der Wärmewirkung in einem Leiter kannst Du feststellen?

Leiter, Halbleiter und Isolatoren

Das folgende Experiment bezieht sich auf den Abschnitt Leiter, Halbleiter und Isolatoren.

Prüfstrecke für elektrischen Widerstand

Material:

  • 1 Flachbatterie (\unit[4,5]{V}) o.ä.
  • 1 Glühbirne (\unit[6]{V}) mit Fassung
  • 3 Verbindungskabel (ggf. mit Kroko-Klemmen)
  • Materialproben
  • Material-Halterungen (optional)

Durchführung:

  • Spanne nacheinander je eine Materialprobe in eine Material-Halterung ein und/oder verbinde sie mit der Glühbirne und den beiden Polen einer Flachbatterie.
  • Bei welchen Stoffen leuchtet die Glühbirne auf, bei welchen nicht?
  • Was kannst du daraus auf den elektrischen Widerstand der jeweiligen Stoffe schließen?

Magnetismus

Das folgende Experiment bezieht sich auf den Abschnitt Magnetismus.

Eine Leiterschaukel im Hufeisenmagneten

Material:

  • Ein Stromversorgungsgerät
  • Ein starker Hufeisenmagnet
  • Eine Leiterschaukel
  • Ein Schalter
  • Drei Verbindungskabel

Durchführung:

  • Hänge eine Leiterschaukel in das Magnetfeld eines Hufeisenmagneten.[1] Schicke über einen Schalter einen Strom durch die Leiterschaukel und beobachte die Leiterschaukel.
  • Wie verhält sich die Leiterschaukel bei umgekehrter Stromrichtung?
  • Wie verhält sich die Leiterschaukel bei verschiedenen Stromstärken?

Eine Leiterspule im Hufeisenmagneten

Material:

  • Ein Stromversorgungsgerät (regelbar)
  • Ein starker Hufeisenmagnet
  • Eine Leiterspule
  • Ein Trinkhalm
  • Ein Schalter
  • Drei Verbindungskabel

Durchführung:

  • Hänge eine Leiterspule mit wenig Windungen in das Magnetfeld eines Hufeisenmagneten. Befestige an der Spule einen Trinkhalm als Zeiger. Verbinde die Spulenanschlüsse mit einem regelbaren Stromversorgungsgerät.
  • Wie bewegt sich die Spule? Welche Kräfte wirken auf die einzelnen Bereiche der Spule?
  • Schalte zusätzlich ein Ampere-Messgerät in den Stromkreis. Hängt der Zeigerausschlag von der durch die Spule fließende Stromstärke ab?

Elektromagnetische Induktion 1

Material:

  • Ein starker Hufeisenmagnet
  • Eine Leiterschaukel
  • Ein empfindliches Spannungsmessgerät
  • Zwei Verbindungskabel

Durchführung:

  • Hänge eine Leiterschaukel in das Magnetfeld eines Hufeisenmagneten. Verbinde die Leiterschaukel mit einem empfindlichen Spannungsmessgerät. Bewege die Leiterschaukel quer zum Hufeisenmagneten ruckartig heraus und hinein.
  • Beobachte die Anzeige des Spannungsmessgerätes. Untersuche, ob das Versuchsergebnis davon abhängt, wie schnell sich die Leiterschaukel durch das Magnetfeld bewegt.
  • Wiederhole den Versuch. Lasse dabei allerdings die Leiterschaukel in Ruhe und bewege dafür den Magneten.
  • Tritt auch dann eine Spannung auf, wenn die Leiterschaukel vom Nordpol zum Südpol des Magneten bewegt wird?

Elektromagnetische Induktion 2

Material:

  • Verschiedene Spulen (300, 600 und 1200 Windungen)
  • Ein Stabmagnet
  • Ein empfindliches Spannungsmessgerät
  • Zwei Verbindungskabel

Durchführung:

  • Lege eine Spule auf eine weiche Schaumgummi-Unterlage und verbinde ihre beiden Anschlussbuchsen mit einem empfindlichen Spannungsmessgerät. Führe einen Stabmagneten erst langsam, dann schneller in die Spule ein.
  • Untersuche, ob die angezeigte Spannung von der Geschwindigkeit des Stabmagneten und/oder der Anzahl der Windungen der Spule abhängt.
  • Wiederhole den Versuch, indem Du den Stabmagneten ab dem Spulenrand fallen lässt, und ziehe ihn anschließend wieder ruckartig aus dem Spuleninneren heraus. Was stellst Du fest?
  • Ändert sich das Versuchsergebnis, wenn einmal der Nordpol, einmal der Südpol des Stabmagneten nach unten zeigt? Ändert sich das Versuchsergebnis, wenn Du die Spule umdrehst?

Ein einfacher Stromgenerator

Material:

  • Ein empfindliches Glühlämpchen (\unit[1,5]{V};\; \unit[0,4]{A}) mit Fassung
  • Ein starker Hufeisenmagnet
  • Eine Spule (600 Windungen)

Durchführung:

  • Schließe ein Lämpchen an eine Spule an, und bewege die Spule rasch in einen Schenkel eines Hufeisenmagneten. Leuchtet das Glühlämpchen gleichmäßig?
  • Ändert sich das Versuchsergebnis, wenn die Spule gegen den Magneten bewegt wird?

Anmerkung:

[1]Die Richtungspfeile des Magnetfelds zeigen vom Nord- zum Südpol!

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