EXP:Elektrische Klingel

Mit diesem Experiment soll die Funktionsweise einer elektromagnetischen Klingel als Anwendung des Elektromagneten demonstriert werden. Die Klingel funktioniert nach dem Prinzip des Wagnerschen Hammers.

Foto des gesamten Versuchsaufbaus zur Demonstration der Funktionsweise einer Klingel

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

Da der Klöppel mit einer relativ hohen Frequenz an die Klingel schlägt, ist es schwer das Anziehen des Elektromagneten und die damit verbundene Unterbrechung des Stromkreises zu beobachten. Mithilfe einer Kamera kann das Experiment gefilmt und parallel zur Durchführung vergrößert an die Wand projiziert werden. Gegebenenfalls kann nach der Versuchsdurchführung das Video noch einmal in Slow Motion betrachtet werden, um das Funktionsprinzip der elektromagnetischen Klingel besser beobachten und analysieren zu können.

Schülervorstellungen, die hier relevant werden

Viele SuS gehen davon aus, dass ein Kabel als Verbindung von Spannungsquelle zu Verbraucher ausreicht. Dadurch kann von den SuS nicht verstanden werden, warum der Elektromagnet nicht mehr magnetisch ist, wenn der Stromkreis an dem Kontaktpunkt mit dem Kabel unterbrochen wird. Er ist – aus Sicht der SuS – ja immer noch mit der Spannungsquelle verbunden.

Allgemein

Klassenstufe	Klasse 7/8
Kategorie	Elektromagnetismus
Einordnung in den Bildungsplan von BW	Magnetismus und Elektromagnetismus, Punkt 3.2.4 (3)

Klassifikation

Quantitativ/Qualitativ	Qualitativ
Demo-/Schülerexperiment	Demonstrationsexperiment
Unterrichtsphase	Vertiefungsphase
Einzelversuch/Versuchsreihe	Einzelversuch

Versuchsanleitung

Benötigtes Material

• 1 Gleichspannungsquelle (10 V) mit Netzkabel
• 2 Stativfüße mit Gewinde
• 2 Stativstangen 25 cm
• 1 Stativstange 9 cm mit Innengewinde zur Halterung der Glocke
• 1 Stativklemme 25 cm
• 1 Glocke
• 1 Spule, 900 Wdg., mit passendem Eisenkern
• 3 Kreuzmuffen
• 1 Klingelklöppel mit Kabelbuchse und Schraube
• 1 Stativstange 14 cm mit Auflagefläche und Schraube für den Klingelklöppel
• 2 Experimentierkabel 62 cm (4 mm Bananenstecker), davon 1x rot und 1x blau
• 1 Experimentierkabel 37 cm (4 mm Bananenstecker), blau

Benötigte Materialien und Geräte für den Versuch

Versuchsaufbau

Schritt 1

Zunächst werden die beiden Stativstangen (25 cm) in die Stativfüße geschraubt. Die Glocke wird mit der Stativstange mit Innengewinde (9 cm) verschraubt und mit einer Kreuzmuffe an einer der beiden Stativstangen (25 cm) befestigt.

Schritt 2

Der Klingelklöppel besteht aus einem länglichen Stück Blech, an das an einem Ende eine Schraube angebracht ist. Außerdem ist in den Klöppel eine Buchse für das Experimentierkabel integriert sowie eine Bohrung, durch die mit einer Schraube der Klingelknöppel an einer Stativstange mit Auflagefläche (14 cm) befestigt werden kann. Ist der Klöppel an der Stativstange mit Auflagefläche befestigt, so wird dieser an die andere Stativstange (25 cm) mittels Kreuzmuffe angebracht.

Klöppel mit Halterung

Schritt 3

Mit einer weiteren Kreuzmuffe wird die Stativklemme an der gleichen Stativstange wie der Klingelklöppel befestigt. In die Klemme wird das rote Experimentierkabel so eingespannt, dass der Kontakt des Bananensteckers auf dem Blech des Knöppels aufliegt. Das rote Experimentierkabel wird mit einem Pol der Gleichspannungsquelle verbunden.

Unterbrecherkontakt

Schritt 4

Als nächstes wird der Eisenkern in die Spule gesteckt und diese mit der Öffnung nach oben auf den Tisch gestellt. Mit dem blauen Experimentierkabel (62 cm) wird die Spule an den anderen Pol der Gleichspannungsquelle angeschlossen. Das zweite blaue Kabel (37 cm) dient schließlich als Verbindung von Spule zu Klingelklöppel und wird in die dafür vorgesehene Buchse eingesteckt. Die Spule mit Eisenkern wird nun mit etwa 4 - 8 mm Abstand unter den Klingelklöppel gestellt. Drückt man den Klingelklöppel auf den Eisenkern, so sollte der Bananenstecker des roten Kabel keinen Kontakt mehr zur Oberfläche des Blechs haben. Gegebenenfalls muss hierbei die Anordnung von Knüppel und Stativklemme justiert werden.

Anordnung von Spule, Klöppel und Glocke

Schritt 5

Zuletzt wird die Klingel oberhalb der Schraube, die am Klöppel angebracht ist, platziert und die Gleichspannungsquelle eingeschalten. Hierbei ist eine Spannung von 10 V und eine Stromstärke von 0,5 A ausreichend.

Versuchsdurchführung

Nach Einschalten der Gleichspannungsquelle sollte der Klingelklöppel vom Eisenkern der Spule angezogen werden. Dadurch wird am roten Experimentierkabel der Stromkreis unterbrochen und der Eisenkern gibt den Klöppel wieder frei. Somit schließt sich der Stromkreis wieder und der Vorgang beginnt von vorne.

In den nachfolgenden Abbildungen sind einige Momentaufnahmen von der Durchführung des Experiments dargestellt.

Momentaufnahmen des Klingelvorgangs. Der Stromkreis ist geschlossen.

Momentaufnahmen des Klingelvorgangs. Der Stromkreis ist halb geöffnet.

Momentaufnahmen des Klingelvorgangs. Der Stromkreis ist geöffnet.

Mögliche Probleme und ihre Lösungen

Falls die Klingel nicht auf Anhieb funktioniert, kann beispielsweise der Abstand zwischen Eisenkern und Klingelklöppel vergrößert/verringert werden oder die Spannung bzw. Stromstärke erhöht/verringert werden. Außerdem muss die Position des Unterbrecherkontakts richtig gewählt sein.

Läutet die Klingel nur eine kurze Zeit, so müssen alle Schrauben insbesondere die Stativklemme erneut fest angezogen werden. So wird verhindert, dass sich der Kontakt durch die starke Vibration verschiebt.

Sicherheitshinweise

Bei vorliegendem Experiment besteht Verletzungsgefahr durch...

• ... umkippende Versuchsaufbauten und sich lösende Teile.
• ... mögliche Quetschungen im Umgang mit dem Elektromagneten oder dem Klöppel.
• ... 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.

Betriebsanweisungen

• Elektrische Geräte, Anlagen und Leitungen

Fotos

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       Gesamter Versuchsaufbau
  

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       Benötigte Materialien und Geräte
  

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        Klöppel mit Halterung
  

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         Unterbrecherkontakt
  

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         Anordnung von Spule, Klöppel und Glocke
  

Literatur

Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, AG Physik und ihre Didaktik, lizenziert unter CC BY-NC-SA 4.0