Die Drei-Finger-Regel bestimmt die Induktion.
Erste Stunde.
In der ersten Stunde ging es mir darum, den Schülerinnen und Schülern zu zeigen, welche Bedeutung die Drei-Finger-Regel im Bereich des Elektromagnetismus und der Induktion hat.
Hier ging ich ganz traditionell vor.
Besonders motivierend ist dabei immer die "Rollstange" im Hufeisenmagneten.
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a.) Kraft auf stromdurchflossenen Leiter. Legt man an die "Schienen" eine Spannung an, so ist die im Magneten quergelegte Stange stromdurchflossen. Die Elektronen erfahren im Magnetfeld die Lorentzkraft. Die Summe all dieser Lorentzkräfte wirkt auf die Stange und lässt sie in den Magneten bzw. aus dem Magneten rollen. |
( vgl. hierzu auch diese Seite auf dem Landesbildungsserver)
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b.) Induktion durch Bewegen des Leiters.
Legt man keine Spannung an, bewegt aber die Stange im Magnetfeld, so müssen die in der Stange befindlichen Elektronen diese Bewegung zwangsläufig mitmachen. Wieder tritt die Lorentzkraft auf, die diesmal für eine Ladungsverschiebung längs der Stange sorgt. An den Enden der Stange ist eine sehr kleine Induktionsspannung messbar. |
( vgl. hierzu auch diese Seite auf dem Landesbildungsserver)
c.) Hall-Effekt.
Auch der Hall-Effekt beruht letztlich auf demselben physikalischen Prinzip. Hier werden die Elektronen aber nicht durch eine mechanische Verschiebung des Leiters in Bewegung versetzt, sondern durch eine von außen angeschlossene Spannungsquelle. Die Lorentzkräfte wirken quer zum Leiter und führen ebenfalls zu einer Ladungstrennung und damit zu der Hallspannung.
Dass die Hallspannungen bei metallischen Leitern im Vergleich zu den Induktionsspannungen so gering sind, liegt lediglich an der kleinen Driftgeschwindigkeit der Elektronen im metallischen Leiter (im Vergleich zur Verschiebungsgeschwindigkeit der Stange) und der Leitergeometrie (längs zum Leiter, quer zum Leiter).
Fazit:
Strenggenommen ist also die Kraft auf den stromdurchflossenen Leiter, die Induktion 1. Art und der Hall-Effekt eigentlich nur ein einziger physikalischer Effekt: auf bewegte Elektronen im Magnetfeld wirkt die Lorentzkraft deren Richtung man mit der Drei-Finger-Regel finden kann.
Lediglich Ursache und Wirkung sind vertauscht.