EXP:Relais
Aus Physik und ihre Didaktik Wiki
Mit diesem Experiment soll die Funktionsweise eines Relais als Anwendung des Elektromagneten demonstriert werden. Hierzu steht ein fertiges Modell zur Verfügung. Dieses besteht aus einer Holzplatte, auf dem der Umschaltvorgang des Relais realisiert wird.
Didaktischer Rahmen
Fachdidaktische Zielsetzung
Der Fokus liegt hier auf der zielgerichteten Beobachtung und der Anwendung der physikalischen Kenntnisse. Die Funktionsweise eines Alltagsgegenstandes und der zeitliche Ablauf soll beobachtet und beschrieben werden.
Nötige Vorkenntnisse
Die SuS sollten einfache elektrische Schaltungen verstehen können und die Funktionsweise eines Elektromagneten studiert haben.
Mögliche Schülerschwierigkeiten
- Das Umschalten des Relais ist möglicherweise für SuS im Klassenzimmer schwer zu erkennen, weshalb das Experiment gegebenenfalls mit einer Kamera gefilmt und vergrößert an die Wand projiziert werden muss.
- Es ist für die SuS evtl. schwer zu erkennen, dass es sich um zwei getrennte Schaltkreise handelt. Diese müssen farblich und in der Anordnung klar getrennt werden.
Schülervorstellungen, die hier relevant werden
Obwohl das Relais ein sehr wichtiges elektrisches Bauteil ist, ist es den SuS meist nicht bekannt. Die Funktionsweise und der Aufbau eines Relais sollte mit den SuS also schon vor der Durchführung des Versuchs behandelt werden.
| Klassenstufe | Klasse 7/8 |
|---|---|
| Kategorie | Elektromagnetismus |
| Einordnung in den Bildungsplan von BW | Magnetismus und Elektromagnetismus, Punkt 3.2.4 (3) |
| Quantitativ/Qualitativ | Qualitativ |
|---|---|
| Demo-/Schülerexperiment | Demonstrationsexperiment |
| Unterrichtsphase | Vertiefungsphase |
| Einzelversuch/Versuchsreihe | Einzelversuch |
Versuchsanleitung
Benötigtes Material
Als Liste einfügen mit den Links zur Hardware, wenn sie sich schon im Wiki befindet. Beispiel:
- 2 Gleichspannungsquellen (10 V) mit Netzkabel
- 1 Stativfuß mit Gewinde
- 1 Stativstangen 25 cm
- 2 Glühbirnenfassung mit Anschlussbuchsen
- 2 Glühbirnen 12 V, 3 W
- 1 Schalter
- 1 Spule, 900 Wdg., mit passendem Eisenkern
- 7 Experimentierkabel 37 cm (4 mm Bananenstecker), davon 2 x rot, 2 x blau, 3 x gelb
- 1 Experimentierkabel (4 mm Bananenstecker) 112 cm, grün
- 1 Kreuzmuffe
- 1 Relais-Modell
Versuchsaufbau
- Schritt 1
- Zunächst wird die Stativstange in den Stativfuß geschraubt und das Relais-Modell mittels Kreuzmuffe daran befestigt. Der Eisenkern wird in die Spule gesteckt und senkrecht auf dem Tisch unter dem Eisenbolzen des Modells platziert. Durch Justieren der Kreuzmuffe soll zwischen Bolzen und Eisenkern ein Abstand von etwa 4 - 8 mm eingestellt werden.
- Schritt 2
- Die Spule wird nun unter Verwendung eines Schalters, wie nachfolgender Abbildung zu sehen, an einer der beiden Gleichspannungsquellen angeschlossen. An dieser wird eine Spannung von 20 V eingestellt und durch Umlegen des Schalters überprüft, ob der Eisenbolzen vom Elektromagneten angezogen wird. Hier muss gegebenenfalls die Spannung bzw. Stromstärke erhöht oder der Abstand zwischen Eisenbolzen und Eisenkern verringert werden.
- Schritt 3
- Das rote Experimentierkabel (37 cm) wird nun in die obere Kabelbuchse der Platte gesteckt. Analog wird das blaue Experimentierkabel (37 cm) in die untere Kabelbuchse des Relais-Modells gesteckt. Die beiden Experimentierkabel werden jeweils mit einer Glühbirnenfassung verbunden und, wie in der nachfolgenden Abbildung zu sehen, an einen Pol der zweiten Gleichspannungsquelle angeschlossen. Das grüne Experimentierkabel wird in die Kabelbuchse am Blech des Modells gesteckt und mit dem anderen Pol der Gleichspannungsquelle verbunden. Zuletzt werden die Glühbirnen in die Fassungen geschraubt und an der Gleichspannungsquelle eine Spannung von etwa 10 V eingestellt.
Versuchsdurchführung
Bei geöffnetem Schalter leuchtet zunächst die obere Glühbirne. Durch Schließen des Schalters wird der Eisenbolzen des Modells vom Elektromagneten angezogen und die Schraube des Blechs hat Kontakt zum unteren Aluminiumbolzen des Modells. Somit leuchtet das untere Lämpchen. In den nachfolgenden Abbildungen ist das Umschalten des Relais dargestellt.
Mögliche Probleme und ihre Lösungen
Falls das Relais nicht auf Anhieb funktioniert, kann beispielsweise der Abstand zwischen Eisenkern und Eisenbolzen vergrößert/verringert werden oder die Spannung bzw. Stromstärke erhöht/verringert werden. Außerdem kann es passieren, dass der Eisenbolzen auf dem Eisenkern aufsitzt, ohne, dass der untere Kontakt geschlossen wird. Hierzu muss die Position des Modells am Stativmaterial angepasst werden.
Sicherheitshinweise
Bei vorliegendem Experiment besteht Verletzungsgefahr durch...
- ... umkippende Versuchsaufbauten und sich lösende Teile.
- ... mögliche Quetschungen im Umgang mit dem Elektromagneten oder Modell.
- ... Gefahr durch einen Stromschlag oder einem Kurzschluss bei nicht ordnungsgemäßem Anschluss der Kabel oder Justieren des Versuchsaufbaus bei geschlossenem Schalter.
- ... Verbrennungen beim Berühren des Unterbrecherkontakts oder der Spule, falls diese fälschlicherweise mit Stromstärken oberhalb des angegebenen Maximums belastet wird.
Fotos
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Gesamter Versuchsaufbau
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Benötigte Materialien und Geräte für den Versuch
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Anordnung von Modell und Eisenkern
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Spulenstromkreis mit Schalter
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Kabelverbindungen
Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, AG Physik und ihre Didaktik, lizenziert unter CC BY-NC-SA 4.0