Experimente mit Elektrizität

4 Experimente für die Lange Nacht der Wissenschaften
Autor: Jörg Schreiter, Fraunhofer IIS/EAS, Dresden, Deutschland
Online seit: 01.06.2011, Anzahl Besuche: 54016
Das Wechselspiel zwischen Elektrizität und Magnetismus wird im Physikunterricht oft so trocken und unanschaulich vermittelt, dass kaum ein Schüler sich dafür begeistern kann. Dazu kommt, dass die Experimente manchmal nicht recht gelingen. Das mag an zu schwachen Magneten und zu kleinen Stromstärken liegen.
Diesem Missstand versuche ich, auch mittels Ihrer Magnete, abzuhelfen und führe zur Langen Nacht der Wissenschaften in Dresden einige Experimente vor. In den hier gezeigten Versuchen geht es um die magnetische Wirkung des elektrischen Stromes und die damit verbundenen Kräfte.

Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters

Ein solches Magnetfeld kann man mittels Ihrer Eisenfeilspäne sichtbar machen. Damit es auch in grösserer Ausdehnung (ca. 15 cm) noch gut funktioniert, braucht man etwa 50 Ampere Stromstärke. Keine Angst, die Schutzkleinspannung ist auf weniger als 2 Volt begrenzt; keinem Teilnehmer kann beim Berühren der offenen Leitungen etwas passieren.
Vor jedem Experiment frage ich die Besucher, was sie erwarten resp. was geschehen wird. Dass das sichtbar gemachte Magnetfeld irgendwie rund ist, ahnen oder wissen die meisten. Wenn sich dann beim Einschalten des Stromes das Magnetfeld aufbaut und sich die Eisenfeilspäne nach leichtem Klopfen in Kreisen anordnen, ist es dennoch beeindruckend, dass dieser Physik-Kram tatsächlich funktioniert.
Ausgehend von diesem Bild ist die Tatsache, dass Magnetfeldlinien immer in sich geschlossene Linien sind, sicher zu akzeptieren.
Sichtbarmachung der magnetischen Feldlinien
Sichtbarmachung der magnetischen Feldlinien

Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld

Diese Kraft kann man mit einem beweglichen elektrischen Leiter (Draht) und einem aufgehängten kräftigen Magneten S-35-05-N anschaulich demonstrieren. Viele Besucher mutmassen, der Draht müsse je nach Stromrichtung angezogen oder abgestossen werden. Kenner der Materie wissen jedoch, dass die Kraft seitlich wirkt und sich der Draht deshalb je nach Stromrichtung nach links oder rechts verschiebt (siehe Videos). Wichtig für den beeindruckend deutlichen Effekt sind
  • das kräftige Magnetfeld, dessen Flussdichte vor dem Magneten immerhin noch etwa 1 Tesla betragen müsste
  • eine ordentliche Stromstärke, im Filmbeispiel 20 Ampere.
Wem das noch zu einfach ist, der kann aus der bekannten Stromrichtung und der sichtbaren Kraftrichtung die Orientierung des Magneten bestimmen. Die rote Leitung führt ans untere Ende des Drahtes, die blaue ans obere Ende. An der Stromversorgung ist rot (rechts) der Pluspol und blau (links) der Minuspol.

Abwandlung "Einfachster Elektromotor"

Besonders gerne zeige ich immer eine weitere Abwandlung des "Einfachsten Elektromotors der Welt". Schauen und staunen Sie selbst.
Und so funktioniert es: 2 Ringmagnete des Typs R-15-06-06-N sind elektrisch leitfähig und haften direkt an den Polen der R6-Zelle. Die Ringe sind geringfügig grösser (15 mm Durchmesser) als die Batterie (14,5 mm Durchmesser).
Legt man das Ganze flach auf eine Aluminiumfolie, die man auf dem Tisch sorgfältig glatt gestrichen hat, so liegen nur die Magnetringe auf und schliessen den Stromkreis. Der recht kräftige Kurzschlussstrom der Batterie (einige Ampere) beginnt zu fliessen. In dem einen Magnetring fliesst der Strom von der Mitte nach aussen zur Alu-Folie, im anderen Ring von außen zur Mitte zurück zur Batterie.
Der Stromfluss von der Mitte nach aussen ist senkrecht zum Magnetfeld im Inneren des Rings, das von Stirnseite zu Stirnseite verläuft. Also entsteht auf den so durchflossenen Leiter eine Kraft senkrecht zum Strom und senkrecht zum Magnetfeld, das ist in Rollrichtung des Ringes. Die beiden Ringe schauen sich mit dem gleichnamigen Magnetpol an. So ist die Kraft in beiden Ringen gleich gerichtet und die ganze Anordnung rollt über den Tisch, so lange sie vom Stromfluss angetrieben wird. Es spielt dabei übrigens keine Rolle, dass der stromdurchflossene Leiter in diesem Fall gleichzeitig der Dauermagnet ist, der das Magnetfeld bereitstellt.
Die Tischplatte muss dabei möglichst waagerecht sein, weil die Kraft in den Magneten sehr klein ist, trotz der enormen Magnetisierung der Supermagnete und dem kräftigen Kurzschluss-Strom einer frischen Alkaline-Zelle. Sie entspricht der Gewichtskraft von nur wenigen Gramm. Um zu belegen, dass nicht etwa die Neigung der Tischfläche die Anordnung zum Rollen bringt, lege ich sie abwechselnd in beiden Richtungen auf die Aluminium-Folie (siehe Video).

Salzwasserbad

Die Kraftwirkung quer zum Magnetfeld und quer zur Stromrichtung wird hier noch einmal sichtbar gemacht, diesmal in einem Salzwasserbad.

Ausgangslage

Zwischen den flächig ausgeführten Elektroden (Anode: rote Klemme, Kathode: schwarze Klemme) fliesst ein Strom von einem knappen Ampere. Der Stromfluss im Salzwasser wird im Wesentlichen von den Salz-Ionen getragen. Die positiv geladenen Natrium-Ionen sind von der Anode zur Kathode unterwegs, in entgegengesetzter Richtung wandern die negativ geladenen Chlorid-Ionen durchs Wasser. Die beiden entgegengesetzten Bewegungen ergeben gemeinsam keine sichtbare Bewegung des Wassers.

Wirkung eines Magneten

Nun kommt der Magnet ins Spiel: Unter das Wasserbad habe ich einen Scheibenmagnet des Typs S-35-05-N gelegt. In der schematischen Darstellung ist die Anode links, die Kathode rechts und die Scheibe liegt mit dem Nordpol nach oben unter dem Becken. Die positiv geladenen Ionen werden im Bereich des Magnetfelds aus ihrer Bewegungsrichtung nach rechts, also auf den Betrachter zu, abgelenkt. Die negativ geladenen Ionen werden aus ihrer Bewegungsrichtung nach links abgelenkt, das ist auch auf den Betrachter zu.
Diese gemeinsame Bewegung der Ionen überträgt sich auf das Wasser und lässt es im Bereich des Magneten kräftig auf den Betrachter zuströmen. Im übrigen Becken, wo das Magnetfeld deutlich schwächer ist, fliesst dann das Wasser zurück. Die Wasserbewegung wird mit kleinen Körnchen sichtbar gemacht (z.B. Blütenstaub, Inhalt eines Teebeutels, Kaffeepulver).
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