Elektromagnetische Induktion. 1. Erklärung für das Entstehen einer Induktionsspannung bzw. eines Induktionsstromes:

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1 Elektromagnetische Induktion Eperiment: Ergebnis: Ein Fahrraddynamo wandelt Bewegungsenergie in elektrische Energie um. Er erzeugt trom (zuerst pannung). Wir zerlegen einen Dynamo. Ein Dynamo besteht aus einem spulenförmig aufgewickelten Draht und einem Permanentmagneten, der sich in der pule drehen kann. Wenn sich der Magnet in der pule bewegt, ensteht trom (vorher pannung). Eperiment: Begriffe: Wir stellen zwei pulen nebeneinander, die einen gemeinsamen Eisenkern haben. Eine schließen wir an eine tromquelle an, die andere an ein pannungsmessgerät. Wenn wir die pannung und damit den trom in der ersten pule ändern (einschalten, ausschalten, pannung auf- und zu-drehen), wird in der zweiten eine pannung induziert. Das Phänomen, dass sich auf diese Weise trom erzeugen lässt, heißt elektromagnetische Induktion. Die erzeugte pannung heißt Induktionsspannung. Man sagt: Eine pannung wird induziert. Wenn der tromkreis geschlossen ist, fließt ein Induktionsstrom. 1. Erklärung für das Entstehen einer Induktionsspannung bzw. eines Induktionsstromes: 1. Richtung des Induktionsstroms Eperiment : Wir untersuchen die Richtung des Induktionsstromes. Eine Leiterschaukel (s. kizze) wird im Magnetfeld eines Hufeisenmagneten bewegt. Das angeschlossene Voltmeter zeigt einen Zeigerausschlag. V Ergebnis: (1) Der Leiter muss bei seiner Bewegung die Magnetfeldlinien schneiden. Wird er parallel zu den Magnetfeldlinien bewegt, so wird keine pannung induziert. (2) Die Richtung des Induktionsstromes lässt sich mit der U-V-W-Regel der linken Hand voraussagen: Ursache: Bewegungsrichtung (Daumen) Vermittlung: Magnetfeldrichtung (Zeigefinger) Wirkung: Kraft auf Elektronen (Mittelfinger) die (technische) tromrichtung ist dann entgegengesetzt. (Der Induktionsstrom in der kizze fließt also auf den Betrachter zu.)

2 2. Erklärung für das Entstehen einer Induktionsspannung bzw. eines Induktionsstromes Aus der 9. Klasse wissen wir, dass auf bewegte Ladungsträger in einem Magnetfeld die Lorentz-Kraft wirkt. Die freien Elektronen im bewegten Leiter werden durch diese Kraft verschoben. Dadurch findet eine Ladungstrennung statt, d.h. die Elektronen wandern auf eine eite des Leiters (in der kizze nach hinten). Dann fließt der (technische) trom in der kizze nach vorne, also auf den Betrachter zu. Lorentzkraft auf ein Elektron: U-V-W-Regel der linken Hand: Ursache Vermittlung Wirkung Magnetfeldrichtung V Zeigefinger Lorentzkraft W Mittelfinger Bewegungsrichtung des Leiters = Bewegungsrichtung der Elektronen U Daumen 3. Wovon hängt die Größe der Induktionsspannung (bzw. des Induktionsstromes) ab? Wir erinnern uns: Zur tromerzeugung benötigt man drei Dinge: Draht, Magnet, Bewegung. Wir müssen also den Draht (d.h. seine Länge), den Magneten (d.h. die tärke des Magnetfeldes) oder die Bewegung (d.h. die Geschwindigkeit der Bewegung) vergrößern. Alle drei Vermutungen werden in Versuchen mit Drahtspulen verschiedener Windungszahlen ( Drahtlänge), verschiedenen Magneten ( Magnetfeldstärke) und unterschiedlichen Bewegungsgeschwindigkeiten bestätigt. Ergebnisse: Die Größe der Induktionsspannung steigt mit: der Länge des Leiters der tärke des Magnetfeldes der Geschwindigkeit der Bewegung Wir stellen zudem fest, dass es egal ist, ob der Magnet oder der Leiter (pule) bewegt wird. Eperiment: Wir stellen zwei pulen nebeneinander. Eine schließen wir an eine tromquelle an, die andere an ein Voltmeter. Erst bewegen wir die stromdurchflossene pule, dann lassen wir sie stehen und ändern nur den trom in ihr. Ergebnis: In einer pule wird dann eine elektrische pannung induziert, wenn sie von einem sich änderndem Magnetfeld durchsetzt wird.

3 Lenzsche Regel Eperiment: Eine pule pendelt im Magnetfeld eines Hufeisenmagneten (s. kizze). Werden die Enden der pule durch ein Kabel verbunden, so endet die Pendelbewegung nach wenigen chwingungen. Kabel Erklärung 1: Durch das Pendeln der pule ändert sich das Magnetfeld in ihr. Dann wird in der pule eine Induktionsspannung induziert. Wenn die Enden der pule leitend verbunden werden, fließt ein trom in der pule, der ein Magnetfeld erzeugt (Elektromagnet). Dieses Magnetfeld ist so gerichtet, dass es die Pendelbewegung der pule behindert: Wenn die pule in der kizze nach rechts pendelt, befindet sich an ihrem rechten Ende ein ordpol ( Abstoßung) Wenn sie nach links pendelt, befindet sich an ihrem rechten Ende ein üdpol ( Anziehung). In beiden Fällen wird die Pendelbewegung der pule gebremst. Erklärung 2: Wir nehmen einmal an, es wäre nicht so wie in der Erklärung 1. Dann fließt der Induktionsstrom in die andere Richtung und erzeugt beim Pendeln der pule nach rechts einen üdpol am rechten Ende der pule ( Anziehung) und beim Pendeln der pule nach links einen ordpol am rechten Ende der pule ( Abstoßung). Dadurch würde die Bewegung der pule verstärkt werden. Das bedeutet: Das Pendeln der pule verstärkt sich selbst Widerspruch zum Energieerhaltungssatz!!! Da der Energieerhaltungssatz stets gilt, ist die Annahme falsch und die Erklärung 1 richtig. Lenzsche Regel: Der Induktionsstrom ist stets so gerichtet, dass er die Ursache seiner Entstehung hemmt.

4 Beispiele für die lenzsche Regel: 1. In einen an einer chnur aufgehängten Aluminium-Ring wird der ordpol eines tabmagnet geschoben (Aluminium ist nicht ferromagnetisch!). Der Ring bewegt sich dabei. Geben ie an wie er sich bewegt und erklären ie warum. (siehe auch TARK ) Beim Einführen des Magneten ändert sich das Magnetfeld im Aluminium-Ring, ein Magnetfeld wird aufgebaut. Der Aluminiumring kann als eine pule mit nur einer einzigen Windung angesehen werden. Im Ring wird also eine Induktionsspannung induziert, und es fließt ein Induktionsstrom, der nach der lenzschen Regel die Ursache seiner Entstehung hemmt. Der Induktionsstrom erzeugt dann ein Magnetfeld, das dem Magnetfeld des tabmagneten entgegengesetzt gerichtet ist. An dem Ende des Rings, der dem Magneten gegenübersteht, entsteht also ein ordpol, der Ring wird abgestoßen. Beim Herausziehen des tabmagneten ist es umgekehrt; also Anziehung. 2. Wirbelströme Eperiment: Eine Aluminiumblech pendelt zwischen den Polen eines Elektromagneten. Beobachtung: Die Bewegung des Pendels wird gebremst. Ist das Blech geschlitzt, so wird die Bremswirkung erheblich vermindert. Magnetfeld Aluminiumblech geschlitzt v Erklärung: Die Elektronen im Blech bewegen sich senkrecht zum Magnetfeld, also wirkt auf sie die Lorentzkraft. Die Elektronen werden nach oben verschoben. Zum Ladungsausgleich fließen Elektronen aus dem Bereich des Blechs, das sich noch nicht im Magnetfeld befindet, nach. Es entsteht ein im Kreis fließender trom, den man Wirbelstrom nennt. Das Magnetfeld dieses induzierten Wirbelstroms ist dem Magnetfeld des Elektromagneten wegen der lenzschen Regel entgegengesetzt gerichtet, sodass es die Bewegung des Pendels bremst (technische tromrichtung, also ordpol vorne Abstoßung).

5 Abschlussprüfung Aufgabe: Der ordpol eines tabmagneten ragt in einen Aluminiumring hinein, der an einem Faden hängt. Beim Herausziehen des Magneten wirkt eine Kraft auf den Ring. Begründen ie die Richtung der Kraft. Musterlösung: 5 Punkte Wenn man den Magneten aus dem Ring zieht, ändert sich das Magnetfeld, das den Ring durchsetzt. Dann wird eine Induktionsspannung im Ring induziert. Dann fließt ein Induktionsstrom im Ring. Dieser fließt nach der Regel von Lenz so, dass er die Ursache seiner Entstehung hemmt. (Er erzeugt ein Magnetfeld, das die Bewegung hemmt, der Magnet wird angezogen (üdpol links). Die Kraft auf den Ring ist nach links gerichtet, weil der Al-Ring mitgezogen wird. Aufgabe: Eine Platte aus Kupfer bewegt sich in ein Magnetfeld hinein. Welche Beobachtung macht man? Erklären ie die Beobachtung mithilfe der Regel von Lenz. Musterlösung: 5 Punkte Wenn die Platte in das Magnetfeld eintaucht, ändert sich das Magnetfeld, das die Platte durchsetzt. Dann wird in der Platte eine Induktionsspannung induziert. Dann fließt in der Platte ein Induktionsstrom. ach der Regel von Lenz hemmt der Induktionsstrom die Ursache seiner Entstehung. (Er erzeugt ein Magnetfeld, das die Bewegung hemmt, also bekommt die Platte auf der Betrachterseite einen ordpol, auf der anderen einen üdpol.) Hieraus ergibt sich eine Kraft auf die Platte, die der Bewegungsrichtung entgegengesetzt ist. (da sich gleichnamige Pole abstoßen)

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