Intuitiv: Induktion 1. Art mit Leuchtdioden.

Zweite Stunde: Die Leuchtdioden und die Induktion 1. Art.

In der zweiten Stunde standen eigene praktische Erfahrungen der Schülerinnen und Schüler mit der Induktion im Vordergrund. Sie sollten die Polung beim Bewegen einer Spule besser verstehen lernen und intuitiv erarbeiten, wovon die Größe der Induktionsspannung abhängt.

Materialien für jede Gruppe:

• 1 oder 2 Hufeisenmagnete
• 2 oder 3 Spulen unterschiedlicher Windungszahl, die zwischen die Schenkel des Magneten passen.
  (z.B. Spulen mit 600, 1200 und 3600 Windungen von Phywe)
• Leuchtdioden
• Klemmstecker, Kabel, Labormaterial
• evtl. ein Labornetzgerät

Sollte bei den Versuchen einmal eine Leuchtdiode durch Überlastung zerstört werden, so ist dies auch nicht tragisch. Normale rote 5mm-Leuchtdioden bekommt man für 10 bis 20 Cent, sie sind damit noch billiger als Glühlämpchen.
Man muss nur sehen, dass genügend LEDs vorhanden sind.
In meinen Praktika ging in den letzten Jahren übrigens keine einzige LED kaputt.

1.) Einstiegsversuch durch den Lehrer - Polung der Induktionsspannung.

Haben die Schülerinnen und Schüler zuvor noch nie mit Leuchtdioden gearbeitet, muss man sie in einer "Vorphase" erst einmal die Eigenschaften der Leuchtdioden erforschen lassen. Dazu benötigt man ein Labornetzgerät, das auf eine Spannung von ca. 1,6 bis 2,0 Volt eingestellt wird.
Die Schüler finden dann schnell heraus, dass sich das Bauteil wie eine Diode verhält, also Strom nur in einer Richtung passieren lässt. Wenn die LED leitet, dann leuchtet sie auch.
(vgl. hierzu auch folgende Seite: Leuchtdioden)

Sie entwickeln dann auch problemlos, dass man die beiden Leuchtdioden parallel schalten muss, und zwar so, dass sie entgegengesetzte Polungsrichtung haben.
Da die Induktionsspannung beim Bewegen der Spule in den Magneten und beim Herausbewegen aus dem Magneten unterschiedliche Polung hat, leuchtet bei der jeweiligen Bewegung immer nur eine der beiden LEDs, während die andere sperrt.

2) Wovon hängt der Betrag der Induktionsspannung ab?

Diese Frage sollten die Schülerinnen und Schüler als nächstes untersuchen. Dabei sollte davon ausgegangen werden, dass die Helligkeit des Leuchtens der LED ein Maß für die auftretende Induktionsspannung ist.
Außer den bereitgestellten Geräten erhielten die Schülerinnen und Schüler keine weiteren Hinweise.

Dennoch dauerte es keine 5 Minuten bis sie die Einflussgrößen herausgearbeitet hatten.
(allerdings kannten einige Schülerinnen und Schüler dieses Experiment schon aus dem physikalischen Praktikum in Klasse 10)

• die Windungszahl n spielt eine Rolle.
  Bei 3600 Windungen ist es einfach die LEDs zum Leuchten zu bringen, bei 1200 Windungen geht es noch gerade so, bei 600 Windungen ist man (praktisch) chancenlos - es sei denn, man nimmt zwei Magnete.
• die Geschwindigkeit v der Bewegung spielt eine Rolle.
  Bewegt man die Spule schneller, wird die Induktionsspannung größer
• die magnetische Flussdichte B spielt eine Rolle.
  Nimmt man zwei Magnete, so wird die Induktionsspannung bei gleicher Spule und Bewegungsgeschwindigkeit größer.

Den letzen Punkt kann man auch noch mit der Drei-Finger-Regel und dem Zusammenwirken von Spannungen vertiefen, wenn man möchte. Dazu ist die Frage besonders interessant, was passiert, wenn man einen der beiden Magnete umpolt.

Wird die Spule nach oben oder unten bewegt, so ist die Induktion im linken und rechten Spulenteil so, dass sich die Teilspannungen addieren. Die gesamte Induktionsspannung wird besonders groß.	Wird die Spule nach oben oder unten bewegt, so ist die Induktion im linken und rechten Spulenteil so, dass die Teilspannungen gegeneinander wirken. Die gesamte Induktionsspannung wird dann 0.

3.) Zusammenfassung und Präsentation der Ergebnisse.

Anschließend berichteten die Gruppen über ihre Resultate. Sie kamen alle zu dem Ergebnis, dass die Induktionsspannung dann besonders groß wird, wenn alle drei Einflussgrößen groß gewählt werden.

Die Gleichung U_ind = n * v * B (?) stand damit im Raum.

Dritte Stunde : Überprüfung der Vermutungen in einem Messexperiment.

Wie genau die Induktionsspannung von n, v und B abhängt, ob linear, oder ob ein anderer Zusammenhang besteht, konnten die Schülerinnen und Schüler bei ihren einfachen Experimenten natürlich nicht herausfinden.
Dies musste in der nächsten Stunde (Stunde 3) mit einem Standardexperiment zunächst geklärt werden.

Das Foto zeigt den üblichen Aufbau mit Neva-Teilen zur Klärung dieser Frage. Ich verwendete die Induktionsspule mit 500 Windungen Durch Veränderung der Stromstärke in der Feldspule lässt sich gut zeigen, dass die Induktionsspannung Uind proportional zur magnetischen Flussdichte B ist. Zieht man die Induktionsspule mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten v aus der Feldspule, lässt sich auch gut demonstrieren, dass die Induktionsspannung Uind proportional zur Bewegungsgeschwindigkeit v ist.

Die Klärung der Frage, wie die Induktionsspannung von der Windungszahl n abhängt und was ggf. sonst noch eine Rolle spielt, wollte ich mit dieser Anordnung nicht klären. Die Gründe dafür lege ich auf den folgenden Seiten dar.

Ebenso wenig konnten die Schüler auf die Idee kommen, dass noch etwas fehlt - die Grundlänge d, denn die konnten sie bei den Experimenten nicht verändern! Nach meinen Erfahrungen ist das aber auch gerade die Größe, die Schüler in der Formel zur Induktion besonders gerne vergessen.

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