Versuche zu Elektrizität und Magnetismus

Versuche zu Elektrizität und Magnetismus

E01  Ladungstrennung und Nachweis

E01.01  Elektrische Ladungstrennung durch Reibung

Ein PVC-Stab wird mit einem Katzenfell gerieben. Elektrische Ladungen werden dadurch getrennt. Der PVC-Stab ist negativ geladen.

Im Zweiten Teil wird ein Glasstab mit einem Seidentuch gerieben. Der Glasstab ist positiv geladen.

Zum Nachweis dient ein Elektroskop.

E01.02  Kleiner Van de Graaf als Ladungstrenner

Mit einem Bandgenerator oder Van de Graaf Generator werden Ladungen getrennt.

Zum Nachweis dient ein Elektroskop.

E01.03  Ladungsnachweis mit Elektroskop

Die Funktion eines Elektroskopes wird gezeigt.

Ein Ausschlag des Instrumentes kann durch Influenz oder durch Abstreifen der Ladung von einem PVC-Stab erreicht werden.

Die Ladungsmenge ist abhängig u.a. von der Intensität des Reibens, der Luftfeuchtigkeit im Hörsaal und auch von der Ableitfähigkeit des Experimentators.

E01.04  Gauß'scher Satz
E01.05  Saugwirkung einer Spitze
E01.06  Becherelektroskop
E01.07  Ladungen löffeln

Ein Elektroskop wird mit Reibungsladung aufgeladen. Dann kann man die Ladung mit einem Ladungslöffel (Isolierter Stab mit Metallkopf) von ersten Elektroskop auf das zweite transportieren, indem man den Ladungslöffel am ersten Becher außen auflädt und innerhalb des zweiten Bechers entlädt. Den Vorgang kann man mehrmals bis zur völligen Entladung des ersten Elektroskopes wiederholen. Der Gesamtvorgang ist reversibel.

E02  Kraftwirkung elektrischer Ladung

E02.01  Kraftwirkung elektrischer Ladungen auf ein Holundermarkkügelchen

Ein Holundermarkkügelchen ist isoliert an einem Seidenfaden aufgehängt. Der mit einem Katzenfell geriebene PVC-Stab wird in die Nähe der Kugel gehalten. Die Kugel wird angezogen bis sie auch geladen ist. Danach wird sie heftig abgestoßen und ungeachtet der Schwerkraft auf weite Distanz gehalten. Langsam nähert sich die Kugel wieder dem PVC-Stab, um erneut abgestoßen zu werden.

E02.03  Kraftwirkung an großer Kugel

Zwei große Styroporkugeln, die mit Graphit leitfähig gemacht wurden, sind isoliert an je einem Seidenfaden aufgehängt. Der mit einem Katzenfell geriebene PVC-Stab wird in die Nähe der Kugeln gehalten. Die Kugeln werden angezogen bis auch sie geladen sind. Danach stoßen sie sich heftig ab und ungeachtet der Schwerkraft werden sie auf weite Distanz gehalten.

E02.04  Zwei Arten elektrischer Ladung
E02.05  Drehbarer PVC-Stab mit Kugeln

An den Enden eines drehbar gelagerten PVC-Stabes befinden sich zwei graphitbeschichtete Styroporkugeln. Diese können mit einem geriebenen PVC- oder Glasstab aufgeladen werden. Danach kann man Anziehung und Abstoßung mit einem entsprechend geladenen Stab demonstrieren.

E02.06  Kleiner Van de Graaf; Haare zu Berge stehen lassen

Ein Van-de-Graaf-Generator wird mit einem Papierstreifenaufsatz versehen. Durch die elektrostatische Aufladung stoßen sich die Papierstreifen ab und richten sich auf. Wenn man den Generator abschaltet und die Kugel erdet, sinken die Papierstreifen wieder ab.

Alternativ kann eine Person beide Hände auf die entladene Kugel legen. Wird nun der Generator eingeschaltet, richten sich die Haare der Versuchsperson auf.

E02.07  Zwei Kugeln am Bandgenerator

Zwei Kugeln sind an Drähten nebeneinander aufgehängt und mit einem Van-de-Graaf-Generator verbunden. Wenn man diesen einschaltet, werden die Kugeln gleichermaßen aufgeladen und stoßen sich ab.

E02.08  Elektrisches Flugrad
E02.09  Elektrische Feldlinienbilder
E02.10  Millikan-Versuch

E03  Influenz

E03.01  Influenz am Elektroskop
E03.02  Metall-Doppelplatte
E03.03  Leidener Flasche
E03.04  Kelvin'scher Influenzgenerator

E04  Der Plattenkondensator

E04.01  Kapazität des Plattenkondensators
E04.02  Ladungstransport im Plattenkondensator (Ping-Pong)

In einem Plattenkondensator hängen zwei mit Graphit überzogene Tischtennisbälle. Wenn ein Tischtennisball eine Kondensatorplatte berührt, wird er elektrisch aufgeladen und von der anderen Platte angezogen. Dort tauscht er seine Ladung aus und bewegt sich zurück zur ersten Platte. Durch diese abwechselnde Bewegung wird Ladung transportiert. Mit einem Pikoamperemeter ist ein Stromfluss messbar.

E04.03  Dipol im Plattenkondensator

Im Plattenkondensator hängt eine 'Hantel' mit metallisierten, voneinander isolierten Hantelkörpern. In dem man die Kondensatorplatten gegen die Hantelkörper schiebt, werden diese aufgeladen. Der so entstandene Dipol dreht sich im Feld, wenn die Platten wieder auseinander geschoben werden.

E04.04  Kerze im Plattenkondensator
E04.05  Faraday-Käfig im Plattenkondensator
E04.06  Potential im Plattenkondensator
E04.07  Spannungswaage

E05  Elektrische Felder in Materie

E05.01  Dielektrikum im Plattenkondensator

Eine dielektrische Plexiglasplatte wird in einen Plattenkondensator geschoben. Dabei vergrößert sich seine Kapazität. Hält man die Spannung konstant, so kann mit einem Pikoamperemeter ein Stromfluss gemessen bzw. integriert werden, um die Ladungsänderung zu erhalten.

E05.02  Luftbläschen in Öl
E05.03  Ölkondensator

E06  Leitfähigkeit

E06.01  Widerstandskennlinien, Ohm'sches Gesetz

Mit einem XY-Schreiber werden die Kennlinien einer Wolfram-Glühlampe, einer Kohlefadenlampe und eines ohmschen Widerstandes aufgezeichnet. Die Kennlinie des ohmschen Widerstandes ist linear.

E06.02  Linearer Spannungsabfall
E06.03  Temperaturabhängigkeit des Widerstandes
E06.04  Leitfähigkeit von Flüssigkeiten
E06.05  Innenwiderstand eines Bleiakkus
E06.06  Ionenleitung in Glas
E06.07  Ionenwanderung (Elektrophorese)
E06.08  Verkupfern
E06.09  Daniell-Element
E06.10  Konzentrationselement
E06.11  Thermoelement
E06.12  Gasentladung
E06.13  Plasmakugel
E06.14  Leuchtende Gurke

Am Beispiel einer Gurke wird die Leitfähigkeit biologischer Organismen demonstriert.

E06.15  Kathodenstrahlen
E06.16  Kanalstrahlen
E06.17  Kirchhoff-Regeln
E06.18  Wheatstone'sche Brückenschaltung
E06.19  Durchschmelzen einer Alu-Brücke

E07  Messung von Strömen

E07.01  Modell Hitzdrahtinstrument
E07.02  Modell Weicheiseninstrument
E07.03  Modell Drehspulinstrument

In einem Magnetfeld ist eine Spule drehbar aufgehängt. Sie wird durch Uhrfedern in ihrer Ruhelage gehalten und in einem Ölbad gedämpft. Wenn ein Strom fließt, ist die Auslenkung proportional zur Stromstärke.

E07.04  Galvanometer

E08  Magnetfelder

E08.01  Magnetische Feldlinienbilder
E08.02  Torsionsmagnet
E08.03  Kompensation des Erdfeldes
E08.04  Biot-Savart'sches Gesetz
E08.05  Dipol im homogenen und inhomogenen Feld

E09  Lorentz-Kraft

E09.01  Stromdurchflossene Leiterschaukel

Eine Leiterschaukel befindet sich im Feld eines Hufeisenmagneten. Wenn ein Strom fließt, wird sie je nach dessen Richtung in den Magneten gezogen oder heraus gedrückt.

E09.02  Fadenstrahlrohr
E09.03  Parallele Drähte

Zwei parallele Drähte sind senkrecht aufgehängt. Durch beide fließt der Strom aus einer LKW-Batterie, wahlweise in gleicher oder entgegengesetzter Richtung. Im ersten Fall ziehen sich die Drähte an, im zweiten Fall stoßen sie sich ab.

E09.04  Definition des Ampere
E09.05  Stromwaage
E09.07  Halleffekt
E09.08  Aludose in Spule

E10  Induktion

E10.01  Permanentmagnet in Spule
E10.02  Bewegte Leiterschaukel
E10.03  Flächenänderung (Drahtrechteck)
E10.04  Flächenänderung (Leiterschlaufe)
E10.05  Barlowsches Rad
E10.06  Wechselstromgenerator

Eine Spule wird im Feld eines Hufeisenmagneten gedreht. An ihren Enden kann man eine Wechselspannung messen.

E10.07  Erdinduktor
E10.08  Zwei Feldspulen mit drei Messspulen
E10.09  Selbstinduktion
E10.10  Ein/Aus-Schalten einer Induktivität
E10.11  Trafoversuche

Das Verhältnis von Primärstrom und Sekundärstrom bzw. Primärspannung und Sekundärspannung beim Transformator wird mit drei Transformatoren mit verschiedenen Windungszahlen demonstriert. Primär sind stets 500 Windungen vorhanden, während sekundär eine Windung, vier Windungen und 23000 Windungen benutzt werden. Mit einer Windung kann man Zinn schmelzen, mit vier Windungen einen Draht zum Glühen bringen und mit 23000 Windungen Blitze erzeugen.

E10.12  Scheibenläufermotor
E10.13  Drehstrommotor

Ein Aluring ist von drei Spulen umgeben, die in einer Dreieckschaltung mit einer Drehstromquelle verbunden sind. Durch das sich ändernde magnetische Feld wird in dem Ring eine Spannung induziert, die zu einem Stromfluss führt. Der Ring wird somit zum magnetischen Dipol und dreht sich mit dem Feld.

E10.14  Thomsonscher Ringversuch
E10.15  Waltenhofen-Pendel

An einem Pendel kann eine geschlitzte oder ungeschlitzte Messingscheibe so befestigt werden, dass sie sich zwischen den Polen eines Elektromagneten hindurchbewegt. Die ungeschlitzte Scheibe erfährt im Magnetfeld eine starke Abbremsung durch Wirbelströme.

E10.16  Magnet über Wagen mit (un)geschlitzter Aluplatte
E10.17  Magnet im (un)geschlitzten Aluring
E10.18  Magnet im Rohr

E11  Magnetfelder in Materie

E11.01  Magnetnadelmodell
E11.02  Spule mit Eisenkern
E11.03  Hysterese

Metallgegenstände werden in ein magnetisches Wechselfeld gebracht. Die magnetische Feldstärke H ist proportional zum Primärstrom, während die Flußdichte B proportional zur in der Sekundärspule induzierten Spannung ist. Mit einem Zweikanaloszilloskop werden H und B gegeneinander aufgetragen. Man erhält durch die wechselnde Magnetisierung eine Hysteresekurve.

E11.04  Barkhausen-Sprünge

Nickel wird mit einem Stabmagneten ummagnetisiert. Dabei ändert sich die Magnetisierung sprunghaft durch das Umklappen von Magnetisierungsbezirken.

E11.05  Curie-Temperatur

Eine Nickelplatte wird von einem Permanentmagneten festgehalten. Erhitzt man die Platte über die Curie-Temperatur, so löst sie sich von dem Magneten. Nach dem Abkühlen wird sie wieder angezogen.

E11.06  Para- / diamagnetische Stoffe im Magnetfeld
E11.07  Paramagnetische Eisen-(III)-Chlorid-Lösung
E11.08  Kerzenflamme im Magnetfeld

E12  Widerstand, Kondensator, Spule

E12.01  Laden und Entladen eines Kondensators
E12.02  RLC-Phasenverschiebung
E12.03  Spannung, Strom, Leistung und Phasenverschiebung
E12.04  Reihen- und Parallelschwingkreis
E12.05  Reihen- und Parallelresonanz mit XY-Schreiber
E12.06  Gedämpfte el. Schwingung

Ein gedämpfter Schwingkreis wird mit einem langsamen Rechtecksignal periodisch angeregt. Die dabei entstehende gedämpfte Schwingung wird mit einem Oszilloskop gezeigt.

E12.07  Ungedämpfte el. Schwingung

E13  Wechselfelder und Wellen

E13.01  Teslatransformator
E13.02  Hertz'scher Dipol

Ein Hertz'scher Dipol mit Funkenstrecke ist mit einer Hochspannungsquelle verbunden. Dadurch kommt es zu Funkenüberschlägen, die eine hochfrequente Schwingung des Dipols anregen, der somit elektromagnetische Wellen abstrahlt. Mit einem gleichlangen Empfangsdipol mit Germaniumdiode können diese empfangen und mit einem Verstärker mit Lautsprecher als Rauschen hörbar gemacht werden. Durch Drehen des Empfängers wird die Polarisation gezeigt.

E13.03  Zentimeterwellen
E13.04  Wachsprisma
E13.05  Kleine Lecherleitung
E13.06  Große Lecherleitung
E13.07  Reflexion am Kabelende