Spannung durch Induktion

http://www.youtube.com/watch?v=LhFWSnFvWGY

http://www.youtube.com/watch?v=a4pOJONgUe4

http://www.youtube.com/watch?v=7dh0Cue9Pws

Stromdurchflossener Leiter im Magnetfeld

Als Folge der Lorentzkraft auf bewegte Ladungen erfährt der Leiter eineKraftwirkung (elektromotorische Kraft).

(Effekt von Ch. Oersted 1820)

v

Magnetfeld

FL

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.

(M. Faraday 1831)

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

3

Es entsteht eine Spannung zwischen denLeiterenden;die sog. Induktionsspannung Uind

Induktion im bewegten Leiter

Magnetfeld

U

4

Kraftauf die Ladungsträger

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

FL

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

vLeiterbewegung

-

+

Drehung einer Leiterschleife im Magnetfeld

- Drehung durch äußere Krafteinwirkung- Elektronenfluss im Leiter (nach Linke-Hand-Regel)

+ -

-

+

Anschluss eines Verbrauchers:

+ -

5

Wechselstromgenerator(rotierende Leiterschleife im Magnetfeld)

6w

ww

.phy

sik3

D.d

e

GleichstromgeneratorDie Wechselspannung kann durch einen Kommutator in eine pulsierende Gleichspannung umgeformt werden.

7w

ww

.phy

sik3

D.d

e

Generatoren

Innenpolgenerator Außenpolgenerator

Innenpolgeneratoren werden als Erregermaschinen für Außenpolgeneratoren verwendet.

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

8

ww

w.h

ellfi

rez.

de

ww

w.w

ikip

edia

.de

Induktion in Spulen

Ursächlich für die Induktionsspannung ist die Relativbewegung zwischen Spule und inhomogenem Magnetfeld.

U

9

So funktioniert ein Fahrradtachometer

Ein an der Speiche befestigter Magnet induziert bei jeder Umdrehung eine kurze Spannung im Empfänger an der Vorderradgabel (Spule!).

Damit kann der Computer jede Umdrehung zählen.

Die Strecke und die Geschwindigkeit müssen errechnet werden.

MagnetSpule

Induktion im ruhenden Leiter

1. Bewegung des Permanentmagneten in Bezug zur Induktionsspule

Induktion im ruhenden Leiter

Bewege den Permanentmagneten wie in der Skizze dargestellt (einmal schnell, einmal langsam) aus den 3 Richtungen auf die Spule (N = 2000) zu bzw. von ihr weg.

a) Wovon hängen Betrag und Polarität der beobachteten Spannung ab? Beschreibe möglichst genau!

b) Kann die entstehende Induktionsspannung mit der Lorentzkraft erklärt werden?

Induktion im ruhenden Leiter

Induktion im ruhenden Leiter

2. Bewegung von Feldspule gegenüber Induktionsspule

Anstelle des Permanentmagneten wird ein Elektromagnet (Feldspule mit N = 500) verwendet. Die Feldspule wird mit einer Spannung von ca. 12 V aus dem Netzgerät versorgt. Bewege nun die Feldspule (einmal mit, einmal ohne Eisenkern) so wie in Aufgabe 1 auf die Induktionsspule zu.

a) Unterscheiden sich die Beobachtungen prinzipiell von den Beobachtungen bei Aufgabe 1?

b) Kann das Auftreten der Induktionsspannung mit der Lorentzkraft erklärt werden?

Elektrische Zahnbürste

U1=230V

U2=5V

Transformator

Weshalb kann man einem Transformator nicht mit Gleichspannung betreiben?

Der Wechselstrom in der Primärspule erzeugt ein magnetisches Wechselfeld im Eisenkern.Das sich ändernde Magnetfeld induziert in der Sekundärspule eine Wechselspannung.

Transformator (Handy-Ladegerät)

Transformator (Handy-Ladegerät)

Transformator

Primärspule500 Windungen

Sekundärspule1000 Windungen

Transformator eines Umspannwerks

Vom Kraftwerk zum HaushaltVerteilung der elektrischen Energie

Wirbelstrombremse Shinkansen

Wirbelstrombremse ICE

Lenz´sche Regel

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Die durch Induktion auftretende Größe (egal ob Magnetfeld, Spannung oder Strom) ist stets so gerichtet, dass sie ihrer Entstehungsursache entgegenwirkt.

Lenz´sche Regel

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

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„Abstoßung der Felder“

„Mitnahme der Felder“

NS SN

Induktionstaschenlampe

Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule

Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule

Vergleich Spule - Stabmagnet

Im Außenbereich: Magnetfeld gleich

Im Innenbereich: Homogenes Feld bzw. geordnete Elementarmagnete

Magnetfeld eines geraden Leiters

Christian Oerstedt: Ein elektrischer Gleichstrom erzeugt ein Magnetfeld!

Die Richtung des Magnetfeldes wechselt mit der Stromrichtung, die Stärke nimmt proportional zum Abstand ab. Die Magnetfeldlinien sind geschlossen.

Faustregel: Wenn der Daumen in Richtung der technischen Stromrichtung zeigt, weisen die Finger einer leicht geöffneten Faust in Richtung der kreisförmigen Feldlinien.

+

-

Magnetfeld des elektrischen Stroms

Das Magnetfeld eines geraden Leiters zeigt geschlossene konzentrische Kreise.

Magnetfeld des elektrischen Stroms

Das Magnetfeld eines geraden Leiters zeigt geschlossene konzentrische Kreise.Richtung in diesem Fall: im Uhrzeigersinn.Dieses Magnetfeld hat keine Pole!

Technische Stromrichtung

Wie sieht das Magnetfeld dieses stromdurchflossenen Leiters aus?Wo ist der Nordpol, wo der Südpol?

Magnetfeld einer Leiterschleife

Erkläre das Magnetfeld!Gibt es hier Nord- und Südpol?

Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule

Im Inneren einer stromdurchflossenen Spule sind die Feldlinien parallel zur Spulenachse. Es herrscht ein homogenes Feld.

Was lässt sich über das Feld im Inneren der Spule sagen?

Gibt es hier Nord- und Südpol?

N S

Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule

Im Inneren einer stromdurchflossenen Spule sind die Feldlinien parallel zur Spulenachse.

Es herrscht ein homogenes Feld.

Magnetfeld des elektrischen Stroms

Im Inneren einer Spule ergibt sich ein nahezu homogenes Feld, im Außenbereich schließen sich die Feldlinien.

Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule

Vergleich Spule - Stabmagnet

Im Außenbereich: Magnetfeld gleich

Im Innenbereich: Homogenes Feld bzw. geordnete Elementarmagnete

Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule

Das magnetische Feld

Es gibt keine magnetischen Ladungen. Ein Stabmagnet ist aus elementaren magnetischen Dipolen aufgebaut, die alle in die gleiche Richtung zeigen.

Es existiert ein magnetisches Feld, das durch Magnetisierung des Eisens hervorgerufen wird.

Die Magnetisierung geschieht durch Ausrichtung der atomaren magnetischen Dipole.

http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=vzlg-jD5uUU

http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=O2E4jPiwqEU

http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=BkUrGSo8640

http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=TtrynAaLU1I#t=0Elektromagnete – schulfilm Physik

http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=0t8yDnyOaQ8

Die Leiterschaukel im Magnetfeld

Hufeisenmagnet

Homogenes Feld

N

S

Die Lorentzkraft

Prinzip des Elektromotors

Lorentzkräftelinksdrehend

Kein DrehmomentTotpunkt

Lorentzkräfterechtsdrehend

Lorentzkräfte auf Leiterschleife im Magnetfeld

Prinzip des Elektromotors

Leiterschleife mit Kommutator (Polwender)

Stromrichtungim Uhrzeigersinn

Totpunktkein Strom

Stromrichtunggegen Uhrzeigersinn

Technische Realisierung des Elektromotors

• Spule mit vielen Windungen• Eisenkern (Doppel-T-Anker)• Hufeisenmagnet durch Elektromagneten ersetzen• Trommelanker (mehrere Leiterschleifen gegeneinander verdrehen)

Der Dreifach-T-Anker

Vorteil: Kein Totpunkt. Der Motor läuft aus jeder Position von alleine los.

Technische Realisierung des Elektromotors

• Spule mit vielen Windungen• Eisenkern (Doppel-T-Anker)• Hufeisenmagnet durch Elektromagneten ersetzen• Trommelanker (mehrere Leiterschleifen gegeneinander verdrehen)

Lorentzkraft auf freie Elektronen

Lorentzkraft auf freie Elektronen

Auf ein bewegtes Elektron wirkt im Magnetfeld eine Kraft – die Lorentzkraft

Die Richtung der Lorentzkraft ergibt sich durch die 3-Finger-Regel der linken Hand!

Lorentzkraft auf freie Elektronen