um die eigene Achse zu drehen.
SO FUNKTIONIERT ES
Der Effekt, den ihr hier sehen könnt, heißt Induktion. Ein sperriges Wort für ein cooles Phänomen. Durch den Draht fließt Strom aus der Batterie von einem Ende zum anderen. Weil die Stellen zwischen den verschiedenen Drahtstücken alle leitend sind, fließt der Strom also einmal hoch, das gerade Stück entlang, ein paarmal im Kreis, geradeaus weiter und wieder runter.
Strom kann man sich vorstellen als eine Polonaise von Elektronen. Sie wandern alle hintereinander und nebeneinander den Leiter entlang. Ist ein Magnet in der Nähe, übt er eine magische Wirkung auf die Elektronen aus: Er bildet ein Feld (das Magnetfeld), durch das die Elektronen abgelenkt werden. Schuld daran ist die Lorentzkraft. Sie tritt immer dann auf, wenn sich geladene Teilchen, beispielsweise wie in unserem Fall Elektronen, in einem Magnetfeld bewegen. Die Kraft wirkt dann senkrecht zur Bewegungsrichtung der Teilchen. In unserer Drahtspule bedeutet das: Weil der Magnet ein Magnetfeld erzeugt und Elektronen aufgrund der angeschlossenen Batterie durch den Draht wandern, wollen die Elektronen senkrecht zur Bewegungsrichtung ausweichen. Das geht nur, wenn sich der Draht anfängt zu drehen. Und fertig ist unser Elektromotor!
Jetzt versteht ihr auch, warum die Spule so clever ist: Weil hier der Strom ganz oft direkt über dem Magneten im Kreis läuft, summiert sich die Lorentzkraft und die Drehbewegung wird stärker. Am oberen Teil der Spule wirkt die Kraft in die andere Richtung als am unteren Teil der Spule. So wird die Rotation immer weiter angetrieben.
AUF DEM WEG ZUM ELEKTROMOTOR
Was ihr hier gebaut habt, ist ein vollwertiger Elektromotor. Die Motoren in Spielzeugautos beispielsweise funktionieren nach dem gleichen Prinzip. Eine Steuerung regelt, wie stark der Strom durch die Spule fließt. Je stärker der Strom, desto schneller die Drehung. Wenn euer gebauter Elektromotor nur schleppend läuft, kann es also sein, dass die Batterie schon alle ist. Möglicherweise ist aber auch der Magnet zu schwach. Ein weiterer Knackpunkt ist die Lagerung der Spule. Wenn sich diese nur schwer drehen lässt, reicht die Lorentzkraft nicht aus, um das Ding in Gang zu setzen. Dann solltet ihr die Ösen ein bisschen vergrößern und sicher stellen, dass sich die Spule locker dreht, wenn ihr sie anschubst.
DAS GANZE GEHT AUCH RÜCKWÄRTS!
Wir haben jetzt gesehen, dass Elektronen, die sich durch ein Magnetfeld bewegen, abgelenkt werden. Die so entstehende Kraft reicht aus, um einen ganzen Draht in Bewegung zu setzen. Hier war der Antrieb der Elektronen ja die Batterie. Sie hat die Elektronen in Bewegung versetzt, denn Elektronen wollen immer von »minus« nach »plus« wandern. Die elektrische Energie wird also mithilfe eines Magnetfelds zum Teil in Bewegungsenergie umgewandelt.
Den ganzen Spaß kann man aber auch umkehren und Bewegungsenergie in elektrische Energie verwandeln! Wie das geht? Nach genau demselben Prinzip. Denkt euch mal die Batterie weg. Stellt euch vor, ihr dreht von Hand die Spule über dem Magneten. Was passiert? Na klar, die Elektronen im Draht sind durch die Rotation in Bewegung. Und wenn sich Elektronen in einem Magnetfeld bewegen, wirkt die Lorentzkraft auf sie – sie werden abgelenkt! Diesmal in Richtung Drahtende. Am einen Ende des Drahts sammeln sich dann ganz viele Elektronen. Es entsteht eine elektrische Spannung zwischen den beiden Enden des Drahts.
Genau das passiert in einem Dynamo an eurem Fahrrad! Darin stecken auch ein Magnet und eine Spule. Die Bewegungsenergie aus dem Rad, die den Dynamo-Kopf dreht, bewegt den Magnet an der Spule vorbei. In der Spule entsteht eine Spannung und diese bringt die Fahrradlampe zum Leuchten.
Hat euch schon mal jemand gesagt: »Elektrische Ladungen kann man nicht sehen«? Unsinn. Schwedische Physiker haben Elektronen (negativ geladene Teilchen) mit aufwändigster Technik gefilmt. Mit deutlich weniger Aufwand könnt ihr ebenfalls geladene Teilchen sichtbar machen – zumindest indirekt. Mit einem Elektroskop. Ein Gerät, das elektrische Ladungen und Spannungen nachweisen kann.
Warum holt man sich manchmal einen Schlag, wenn man eine Türklinke anfasst? Die Physiker-Antwort: Ihr habt durch das Schlurfen auf dem Boden mit euren Schuhen Ladungstrennung vollzogen, euch elektrostatisch aufgeladen und der Blitz an der Türklinke ist der Ladungsausgleich. Genau dieses Prinzip machen wir uns für unser Elektroskop zunutze.
SO WIRD’S GEMACHT
Schneidet ein großes quadratisches Stück Alufolie ab und formt eine Kugel daraus. Drückt ruhig etwas fester, sodass die Oberfläche möglichst glatt wird.
Als nächstes nehmen wir uns die Büroklammer vor. Falls sie beschichtet sein sollte, entfernt das Plastik mit der Schere. Oder ihr nehmt normalen Draht, dann braucht ihr etwa 10 cm. Biegt die Büroklammer auseinander oder vom Draht ein Ende um – es soll aussehen wie ein Spazierstock.
Aus der Pappe basteln wir einen Deckel für das Glas. Falls das Glas zufällig einen Plastikdeckel hat, könnt ihr auch den nehmen. Andernfalls legt ihr einfach das Glas mit der Öffnung auf die Pappe und fahrt den Umriss mit einem Stift nach. Schneidet den Pappdeckel großzügig entlang dieser Linie aus. Der Deckel darf ruhig etwas größer sein als die Öffnung, damit er nicht ins Glas fällt.
Stecht in die Mitte des Deckels ein kleines Loch, durch den der Draht gerade so durch passt. Um die Mitte zu finden, könnt ihr einen kleinen Trick benutzen.
Zeichnet zwei Linien an den Rand des runden Deckels. Die genaue Position ist egal, aber die beiden Linien sollten etwa rechtwinklig zueinander liegen. Benutzt dann das Geodreieck, um jeweils den Mittelpunkt der beiden Linien zu finden. Zeichnet euch eine kleine Markierung ein. Dann zeichnet ihr jeweils eine weitere Linie durch diesen Mittelpunkt, die senkrecht zur ursprünglichen Linie ist (die nennt man dann Mittelsenkrechte). Dort wo sich die beiden neuen Linien jetzt schneiden, ist der Mittelpunkt des Kreises.
Nach diesem kleinen Ausflug in die Geometrie geht es weiter mit unserem Elektroskop. Zeichnet zwei Flügel auf die Alufolie, wie in der Abbildung. Die Flügel sollten so groß sein, dass sie gut in das Glas passen.
Achtet darauf, dass die Spitze der Flügel nicht zu schmal wird. Denn dort stechen wir jetzt das gebogene Ende des Drahtes durch. Die beiden Flügel sollten leicht beweglich nebeneinander hängen. Sie müssen richtig platt sein – wenn die Alufolie viele Falten hat, ist der Effekt nicht so stark.
Jetzt kommt das gerade Ende durch das Loch im Deckel. Ihr könnt den Draht mit Klebeband befestigen, wenn ihr ausgemessen habt, wie weit er oben herausragen muss. Legt dazu testweise den Deckel auf das Glas und zieht den Draht oben so weit heraus, dass die Flügel etwa auf halber Höhe frei im Glas schwingen können.
Wenn der Draht fixiert ist, nehmt ihn noch einmal in die Hand und steckt die Aluminium-Kugel oben drauf. Legt den Deckel auf das Glas und befestigt ihn zum Schluss mit Klebeband am Glas.
Überprüft zum Schluss, dass die Kugel gut sitzt und dass die Flügel frei schwingen können und nicht verklemmt sind.
DAS
