Elektromotorische Kraft Wichtiges Grundwissen für den Lehramtsstudierenden der Haupt- und...
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Elektromotorische Kraft
Wichtiges Grundwissen für den Lehramtsstudierenden der Haupt- und Realschule
Universität AugsburgDidaktik der Physik
1
Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters
Linke-Faust-Regel: Ist die Bewegungsrichtung der Elektronen bekannt, kann mit der „Faustregel“ der Richtungssinn der Feldlinien ermittelt werden.
Dabei zeigt bei der physikalischen Stromrichtung der Daumen der linken Hand in Stromrichtung, die Finger geben die Magnetfeldrichtung an.
2
Leiterschaukel
Kräfte auf Ströme im Magnetfeld:
.
1. Magnetfeld eines äußeren Magneten
2. Bewegung der Elektronen
3
3. Kraftwirkung auf den Leiter (Lorentzkraft)
Die Lorentzkraft
4
Sie wirkt senkrecht zur Bewegungsrichtung der Elektronen und senkrecht zu den Feldlinien des Magnetfelds.
Auf Elektronen (Ladungen), die sich in einem Magnetfeld bewegen, wirkt eine Kraft. Sie heißt Lorentzkraft.
Kathodenstrahlröhre:
Ablenkspulen
UVW-Regel: Ursache: Strom(richtung) → Daumen
Vermittlung: Magnetfeld → Zeigefinger
(Kraft)Wirkung: Bewegungsrichtung → Mittelfinger
U
V
W
5
Richtung und Größe der Lorentzkraft
Linke oder rechte Hand?
+
-
+-
+-
physikalische Stromrichtung
technische Stromrichtung
linke Hand
rechte Hand
+
-
6
Zurück zur Leiterschaukel
W
U
VElek
tronen
flussr
ichtung
FL
B
.
7
FG2
FG1
FL
FL
Pfeildarstellung in der dritten Dimension
- Eines Pfeils, der zum Betrachter hin zeigt:
- Eines Pfeils, der vom Betrachter weg zeigt:
Zweidimensionale Darstellung:
Dreidimensionale Darstellung:
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Verschiedene „räumliche“ Darstellungen
Perspektivisch Strom ┴ Ebene B ┴ Ebene
B B
F
+ - + -
technischeStromrichtung
physikalische Stromrichtung
9
oder
B
Korb
Magnet
Membran
Zentrierspinne
Schwingspulen Polkern mit unterer Polplatte
Anwendungsbeispiel: Lautsprecher
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S SN
F F
Stromdurchflossene Leiterschleife im Magnetfeld
V
U
W
V
UW
+-
1. Magnetfeld eines äußeren Magneten
2. Bewegung der Elektronen
3. Kraftwirkung auf den Leiter (Lorentzkraft)
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Drehspulinstrument
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(1) Weicheisenkern (2) Permanentmagnet(3) Polschuhe(4) Skala(5) Spiegelskala(6) Rückstellfeder(7) Drehspule(8) Ruhelage(9) Maximalausschlag(10) Spulenkörper(11) Justierschraube(12) Zeiger(13) Südpol(14) Nordpol
- +
Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule
Der Richtungssinn der Feldlinien kann mit der Faustregel bestimmt werden!
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Spule = Addition mehrerer Leiterschleifen
Die magn. Feldlinien jedes einzelnen Leiterssind konzentrische Kreise.
Das Feld im Inneren einer relativ langenZylinderspule ist homogen.
Fe
(= Elektromagnet)
Wenn man zusätzlich einen Eisenkernverwendet, wird das magnetische Feldum ein Vielfaches stärker.
S NDie einzelnen Feldlinien überlagern sich,was dann zum typischen Feldlinienverlauf einer Spule führt.
Magnetfeld einer stromdurchflossenen SpuleBetrachtet man die Spulenenden, kann auch über eine einfache Merkregelder Richtungssinn der Feldlinien und damit auch die magn. Pole bestimmt werden:
14
„Bewegen sich in dem uns zugewandten Ende der Spule die Elektronen im
Uhrzeigersinn dann liegt dort ein Nordpol, im anderen Fall ein Südpol.“
NS
Merkregel (1):
S
technische Stromrichtung!
- +
Merkregel (2):
Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule
15
-+
Merkregel (3): Umfasst man mit der Faust die Spule und zeigendabei die Finger in Stromrichtung, so zeigt derDaumen zum Nordpol.
Dabei gilt wieder: Linke Hand für physikalische Stromrichtung, rechte Hand für technische Stromrichtung!
SN
Spule im Magnetfeld
Die Spulenbewegung lässt sich über das Magnetfeld der Spule bestimmen:
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N
S
Elektronenbewegung
N
S
Elektromotor
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Um eine fortlaufende Drehbewegung zu erhalten, benötigt der Motor einen selbstregelnden, drehfähigen Anschluss (Kommutator).
(1) (2) (3)
Verschiedene Formen von Elektromotoren
Reihenschlussmotor(Antrieb der Radialturbine eines Staubsaugers)
permanenterregter Gleichstrommotor (Scheibenwischermotor Trabant)
Anker
Stator
Bürstenhalter
Eisenbahnmotor 18
Hall-Effekt
19
UH
b
++++ + +
- -- - - - EH
-
+
+
+ ++
+
--
--
-
d
Edwin Herbert Hall 1855-1938