Elektromagnetische Induktion

Wichtiges Grundwissen für den Lehramtsstudierenden der Haupt- und Realschule

Universität AugsburgDidaktik der Physik

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Stromdurchflossener Leiter im Magnetfeld

Als Folge der Lorentzkraft auf bewegte Ladungen erfährt der Leiter eineKraftwirkung.

U

V

W

2Elektronenbewegung

Kraftwirkungauf den Leiter

(Wiederholung)

Bewegter Leiter im Magnetfeld

U

Wird ein metallischer Leiter in einem Magnetfeld durch eine äußere Kraft bewegt, so werden damit auch die in ihm enthaltenen Ladungen bewegt.

Durch die senkrecht zum Magnetfeld bewegten Ladungen werden diese auf Grund der Lorentzkraft längs des Leitersverschoben.

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Es entsteht eine Spannung zwischen denLeiterenden; die sog. Induktionsspannung

Induktion im bewegten Leiter

V

U

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(Kraft-)Wirkungauf die Ladungsträger

Die Bewegungsrichtung der Elektronen, kann mit der „UVW-Regel“ bestimmt werden.

W

Die „Ursache“ ist hier nicht die Stromrichtung längs des Leiters, sondern die Leiterbewegung. Denn: Leiterbewegung ist Ladungsbewegung!

UUrsache= Ladungsbewegung

Modell der Stromleitung(nach dem Bohr´schen Atommodell)

In metallischen Leitern sind die Atome regelmäßig angeordnet; sie haben relativ leichtabspaltbare Elektronen in der äußeren Schale, die von einem Atom zum nächsten diffundieren können. (Cu: 1 Elektron auf der N-Schale; Ag: 1 Elektronen auf der O-Schale)

Man spricht hier auch von einem Elektronen-„Strom“.

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-

+

Drehung einer Leiterschleife im Magnetfeld

- Drehung durch äußere Krafteinwirkung- Elektronenfluss im Leiter (UVW-Regel der linken Hand)

V (Zeigefinger)

W (Mittelfinger)

U (Daumen)

V

W

U+ -

-

+

Anschluss eines Verbrauchers:

+ -

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Induktion in Spulen

Ursächlich für die Induktionsspannung ist die Relativbewegung zwischen Spule und Magnet.

U

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Lenz´sche Regel

8

Die durch Induktion auftretende Größe (egal ob Kraft, Spannung, Strom, oder Magnetfeld)

ist stets so gerichtet, dass sie ihrer Entstehungsursache entgegenwirkt.

Lenz´sche Regel

Der Induktionsstrom ist stets so gerichtet, dass das durch ihn entstehende Magnetfeld seiner Entstehungsursache entgegenwirkt.

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„Abstoßung der Felder“

„Mitnahme der Felder“

SN NS

In Schulbüchern steht meist:

Induktion im bewegten Leiter

W

V

U

I

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(entgegen der Ursache)

(Kraft-)Wirkung

Fa

FL

Ersetzt man beim Leiterschaukelversuch von Folie 4 den Spannungsmesser durch ein Amperemeter, so kann im Leiterkreis ein Strom fließen sobald man mit einer äußeren Kraft Fa an ihm zieht.

Elektronen-fluss

(Lenz´sche Regel)

Selbstinduktion - Einschaltvorgang

24V –

Beim Einschalten leuchtet das mit der Spule in Reihe geschaltete Lämpchen erst später auf.

0

IL1

Iind

I

t

IL2

Das sich aufbauende Magnetfeld der Spule hat einen Induktionsstrom zur Folge, was (nach der Lenz´schen Regel) dazu führt, das der Strom durch die Spule nur langsam ansteigt.

L1 L2

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Selbstinduktion – Ausschaltvorgang (1)

24V –

Beim Ausschalten bricht das Magnetfeld der Spule zusammen. Die an den Spulenanschlüssen auftretende Induktionsspannung wirkt jetzt in Richtung des ursprünglichen Stroms und verzögert das Abnehmen des Stroms durch die Lampe.

0

I

t

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Selbstinduktion – Ausschaltvorgang (2)

24V –

0

U0

Uind

U

t

Wenn der Strom nicht über einen Parallelzweig abfließen kann, so kann beim Ausschalten ein „Abreißfunken“ entstehen.

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Wechselstromgenerator(rotierende Leiterschleife im Magnetfeld)

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GleichstromgeneratorDie Wechselspannung kann durch einen Kommutator in eine

pulsierende Gleichspannung umgeformt werden.

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Generatoren

Innenpolgenerator Außenpolgenerator

Außenpolgeneratoren werden heute fast nur noch als Erregermaschinen für Innenpolgeneratoren verwendet.

Beim Außenpolgenerator bewegt sich die Induktionsspule zwischen den Polen eines Magneten. Die Schleifringe können durch Funkenbildung beschädigt werden.

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Wirbelströme

Kraftwerksgeneratoren haben Wirkungsgrade von bis zu 98%. Um dies zu erreichen, werden z. B. die Wirbelströme durch lamellenartige Bleche klein gehalten.

Ein anwachsendes Magnetfeld induziert im Eisenkern der Stator- oder Rotorwicklungeine Spannung, in deren Folge ein Wirbelstrom entsteht, dessen Magnetfeld gegen das ursächliche Magnetfeld wirkt.Man nennt sie Wirbelströme, da die Induktionsstromlinien wie Wirbel in sichgeschlossen sind und keine festen Bahnen haben.

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Grundprinzip des Transformators (1)Zwei Spulen stehen einander gegenüber, sind aber nicht leitend miteinander verbunden.

Die Spule 1 (Primär-, Feldspule) kann ein Magnetfeld aufbauen, wenn sie von einem Stromdurchflossen wird. Dieses Magnetfeld durchsetzt auch Spule 2 (Sekundär,- Induktionsspule)und kann in ihr eine Spannung induzieren.

(1) Ist der Schalter geöffnet, fließt kein Strom.

(2) Der Schalter wird geschlossen: Spule 1 baut ein Magnetfeld auf; dieses zunehmende Magnetfeld durchsetzt auch Spule 2. In Spule 2 entsteht eine Induktionsspannung.

(3) Das Magnetfeld in Spule 1 ist voll aufgebaut und ändert sich nicht mehr. In Spule 2 ändert es sich ebenfalls nicht. keine Induktionsspannung

(4) Der Schalter wird geöffnet. In Spule 1 und 2 nimmt das Magnetfeld ab. Es entsteht wieder eine Induktionsspannung.

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Grundprinzip des Transformators (2)

Ein Eisenkern in der Feldspule verstärkt die Feldänderung.

Beim Auf- und Abbau des Magnetfeldes werden die Elementarmagnete im Eisenkern ausgerichtet und verstärken so die Änderung des Gesamtfelds der Spule.

Dadurch ändert sich auch das Feld in Spule 2stärker, was wiederum eine größereInduktionsspannung ergibt.

Spule 2

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Ein zusätzlicher Eisenkern in Spule 2 würdedie Feldänderung noch mehr verstärken.

Grundprinzip des Transformators (3)

Zwei Spulen auf einem Eisenkern = Transformator

Besonders gut wird der Effekt, wenn Spule 1und Spule 2 einen Eisenkern tragen und diesergeschlossen wird. Die ringförmigen magnetischenFeldlinien verlaufen dann vollständig im Eisenkern.

Eine solche Anordnung nennt man einen Transformator.

Für einen Transformator gilt:

Windungszahlverhältnis:

U1 · I1 = η · U2 · I2Energieübertragung:

U1 N1 U2 N2

=n =

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Hochspannungsübertragung

Verringerung der Leitungsverluste durch Hochspannung

PG = 110 MW PL = 110 MW PV = 110 MW

UG = 22 kV UL = 220 kV UV = 220 V

IG = 5000 A IL = 500 A IV = 500.000 A

Leitungswiderstand: R = 0,05 Ω/km Leitungsverlust: Pth = R ∙ I²

Pth = 12,5 kW/km

Für 50km Leitungslänge: Pth = 625 kW ≈ 0,6% von PL

mit UL = 22 kV gerechnet: Pth = 62,5 MW ≈ 60% von PL

I = P/U 21

Hochspannungstransformator

230V~

600Windungen

24000Windungen

Zündanlage eines PKW:

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2mm

Hochstromtransformator

=> Der Nagel glüht auf und schmilzt durch.

Arbeit mit vergleichsweise geringen Spannungen:

Sekundärseitig fließen sehr viele Ladungen.

=> Reibungswärme

Solche Hochstrom-transformatoren werden beim Schweißen oderSchmelzen von Metallen eingesetzt. 23

Wasser kocht,Metall schmilzt.