Paul, der Praktiker, hat in der Physiksammlung einen Aluminiumring gefunden und ihm zwei Kulleraugen aufgeklebt. Seitdem heißt der Ring Ringo, und Ringo ist gegen alles. Schiebt Paul einen Magneten heran, weicht Ringo aus. Zieht Paul den Magneten weg, läuft Ringo hinterher. „Ich bin dagegen!“, ruft Ringo, ganz egal, worum es geht. Theo, der Theoretiker, schiebt die Brille hoch: „Das ist keine schlechte Laune, das ist ein Naturgesetz. Heinrich Lenz hat es 1834 aufgeschrieben.“ Mya will wissen, wie hoch so ein Querkopf springen kann, und baut eine Startrampe für Ringe. Paul lässt Magnete durch Rohre fallen, und Kater Erwin wartet unten und wird dabei sehr, sehr geduldig. Nur Lumi bleibt entspannt: Ein Lichtfleck hat keine Ladung, ist nicht magnetisch und muss gegen gar nichts sein.
Physik Klasse 11 (Leistungskurs), Thema Elektromagnetische Induktion, Lenzsche Regel. Die Sprüche sind albern, die Physik nicht: Station 1 berechnet den magnetischen Fluss eines Neodym-Magneten durch den Ring exakt und daraus Strom und Kraft, Station 2 löst die gekoppelten Gleichungen von Spule und Ring, Station 3 rechnet mit der Wirbelstromdämpfung in dünnwandigen Rohren, und Station 5 zählt jedes Joule. Vorher sinnvoll: Induktionsgesetz.
Ringo hängt an einem 50 cm langen Faden und kann frei schwingen. Ziehe den Neodym-Magneten mit Maus oder Finger auf Ringo zu, durch ihn hindurch und wieder weg, oder nutze die Knöpfe. Ändert sich dabei der magnetische Fluss durch den Ring, wird eine Spannung induziert, und im geschlossenen Ring fließt ein Strom. Die Lenzsche Regel sagt, wie er fließt: Der Induktionsstrom ist stets so gerichtet, dass sein Magnetfeld der Ursache seiner Entstehung entgegenwirkt. Die orangefarbenen Pünktchen zeigen die technische Stromrichtung.
Aufträge: ① Schiebe den Magneten mit dem Nordpol voran langsam und dann schnell auf Ringo zu. Welcher Pol entsteht auf Ringos linker Seite? Wovon hängt die Kraft ab? ② Ziehe den Magneten wieder weg. Warum läuft Ringo jetzt hinterher? ③ Drehe den Magneten um und wiederhole. Formuliere eine Regel, die für alle vier Fälle gilt. ④ Lass den Magneten mitten in Ringo stehen. Der Fluss ist riesig, aber wie groß ist der Strom? ⑤ Probiere den aufgesägten Ring und den Kunststoffring. Wird dort eine Spannung induziert? ⑥ Kupfer leitet besser als Aluminium. Trotzdem schwingt der Kupferring weniger weit aus. Warum? Tipp: Vergleiche Strom, Kraft und Masse. ⑦ Teste dich mit dem Vorhersage-Rätsel: erst tippen, dann zuschauen.
Mya steckt Ringos großen Bruder auf den 50 cm langen Eisenkern einer Spule mit 500 Windungen. Schaltet sie den Strom ein, wächst das Magnetfeld im Kern, und der Ring ist natürlich dagegen: Sein Induktionsstrom macht ihn zu einem Magneten, der von der Spule abgestoßen wird. Elihu Thomson hat das 1887 vorgeführt. Die Einschaltphase dauert nur Hundertstelsekunden. Schalte die Zeitlupe ein und schau dir unten den Verlauf von Spulenstrom, Ringstrom und Kraft an. Mya notiert jede Sprunghöhe.
| Nr. | Ring | Temperatur | U | größter Ringstrom | Sprunghöhe |
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Noch kein Sprung. Wähle Gleichstrom und schalte ein.
Aufträge: ① Schalte den Gleichstrom ein. Wann ist die Kraft auf den Ring am größten? Warum bleibt der Ring danach unten liegen, obwohl der Strom weiter fließt? ② Schalte aus. Was müsste jetzt mit dem Ring passieren, und warum sieht man nichts? ③ Vergleiche den Aluring mit dem Kupferring, dem doppelt so hohen Ring und dem Ring mit Schlitz. ④ Der gekühlte Ring springt viel höher. Begründe mit dem Widerstand. ⑤ Schalte Wechselstrom ein. Warum schwebt der Ring, obwohl sich die Stromrichtung 100-mal pro Sekunde umkehrt? Sieh dir im Diagramm an, wie der Ringstrom dem Spulenstrom hinterherhinkt. ⑥ Lass Paul den Ring bei Wechselstrom festhalten. Was passiert mit der Temperatur?
Paul steht auf der Leiter und hält zwei gleiche Neodym-Magnete über zwei 1 m lange Rohre: links ein Kunststoffrohr, rechts ein Metallrohr. Keines der beiden Rohre ist magnetisch, ein Magnet bleibt an keinem kleben. Unten wartet Kater Erwin, denn er fängt gern Dinge. Lass beide Magnete gleichzeitig fallen. Im Metallrohr ändert der fallende Magnet ständig den Fluss durch die Rohrabschnitte vor und hinter sich. Dort fließen Wirbelströme rund ums Rohr: Unterhalb des Magneten stoßen sie ihn ab, oberhalb ziehen sie ihn zurück. Breiten im Bild sind nicht maßstäblich.
| Nr. | Rohr | Was fällt? | Fallzeit | mittleres Tempo |
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Noch keine Messung. Lass die Magnete fallen.
Aufträge: ① Lass die Magnete fallen und vergleiche die Fallzeiten. Wie bewegt sich der Magnet im Kupferrohr? Sieh dir das Weg-Zeit-Diagramm an. ② Erkläre mit der Lenzschen Regel, warum der Strom unterhalb des Magneten anders herum fließt als oberhalb. ③ Ändert sich etwas, wenn der Magnet umgedreht fällt? Und mit dem Alu-Zylinder? ④ Vergleiche die Rohre. Welche Eigenschaft des Metalls zählt? ⑤ Zwei Magnete aneinander sind doppelt so schwer. Fallen sie schneller oder langsamer? Profi Die Bremskraft wächst mit dem Quadrat der Magnetstärke. ⑥ Wohin geht die Lageenergie des Magneten im Kupferrohr?
Theo hängt eine Metallplatte an eine leichte Stange und lässt sie zwischen den Polen eines Elektromagneten hindurchschwingen. Nichts berührt die Platte. Trotzdem bleibt sie stecken, als wäre der Magnet mit Honig gefüllt. In der Platte entstehen Wirbelströme, und die bremsen nach der Lenzschen Regel genau die Bewegung, die sie erzeugt. Ziehe die Platte mit Maus oder Finger zur Seite und lass sie los. Das Magnetfeld zeigt in den Bildschirm hinein (⊗).
Aufträge: ① Lass die Aluminiumplatte ohne Magnetfeld schwingen und dann mit 300 mT. Beschreibe den Unterschied. ② Wo in der Platte fließen die Wirbelströme, und in welche Richtung? Prüfe mit der Lenzschen Regel an der Vorder- und der Hinterkante des Feldes. ③ Ersetze die volle Platte durch das Kammblech. Warum bremsen die Schlitze die Bremse? ④ Halbiere die Flussdichte. Um welchen Faktor ändert sich die Bremskraft bei gleichem Tempo? ⑤ Warum kommt die Kupferplatte trotz besserer Leitfähigkeit nicht schneller zur Ruhe als die aus Aluminium?
Im Induktionsgesetz Uind = −N · dΦ/dt steckt die Lenzsche Regel im Minuszeichen. Theo stellt eine Gedankenfrage: Ein Neodym-Magnet (120 g) gleitet reibungsfrei auf einem Luftkissen im Kreis und saust bei jeder Runde durch Ringo. Was passiert mit der Energie? Probiere beide Naturgesetze aus: das echte mit Minus und ein ausgedachtes ohne Minus, bei dem der Ringstrom die Änderung unterstützen würde.
Aufträge: ① Stoße den Magneten mit dem echten Naturgesetz an. Um wie viel nimmt das Tempo bei jedem Durchgang ab? Wohin geht die Bewegungsenergie? ② Schalte auf „ohne Minus“ und stoße wieder an. Was passiert mit der Gesamtenergie? ③ Erkläre, warum die Lenzsche Regel aus dem Energieerhaltungssatz folgt.
Ringo erzählt gern Geschichten. Weil er gegen alles ist, hat er ein paar davon frei erfunden. Welche?