Othmar Marti Experimentelle Physik Universität Ulm

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1 PHYS3100 Grundkurs IIIb für Physiker Othmar Marti Experimentelle Physik Universität Ulm Vorlesung nach Leisi, Tipler, Gerthsen, Känzig, Alonso-Finn Skript: Übungsblätter und Lösungen: Januar 2003 Universität Ulm, Experimentelle Physik

2 Leiterschleife bewegt Induktion eines Stromes in einer in einem inhomogenen Magnetfeld bewegten Leiterschlaufe. Universität Ulm, Experimentelle Physik 1

3 Leiterschlaufe bewegt II U EMK = 1 q 0 F d s = 1 q 0 F L d s P 2 = 1 F L ds = q 0 P 1 = v B b 1 q 0 (q 0 v B) b Universität Ulm, Experimentelle Physik 2

4 Magnetischer Fluss magnetischer Fluss φ B = B d A (1) A durch die Fläche A Die Einheit des magnetischen Flusses ist Weber. 1 Weber = 1 W b = 1 T m 2 (2) Universität Ulm, Experimentelle Physik 3

5 Stabmagnet und Spule Vergleich eines Stabmagneten mit einer Spule. Die Induktionsspannung und der Strom, den sie bewirkt, sind stets so gerichtet, dass sie der Ursache entgegenwirken. Universität Ulm, Experimentelle Physik 4

6 Induzierte Spannung Induzierte Spannung Die Nord- und Südpole der Magnete sind so definiert: Die B-Feldlinien laufen vom Nordpol zum Südpol. Universität Ulm, Experimentelle Physik 5

7 Selbstinduktion Vorzeichen des Magnetfeldes und der induzierten Spannung beim Einund Ausschalten. Universität Ulm, Experimentelle Physik 6

8 Selbstinduktion Selbstinduktion Universität Ulm, Experimentelle Physik 7

9 Lorentz-Transformation der elektromotorischen Kraft Wir betrachten die Situation in der Abbildung im Ruhesystem S der Schleife. Im Laborsystem S ist das Magnetfeld B = (0; 0; B) in die z-richtung gerichtet. Die Geschwindigkeit zeigt in die y-richtung. Mit derlorentztransformation berechnen wir die Felder im System S. Wir erhalten B = (0; 0; B ) = (0; 0; γ(v) B) (3) E = (E ; 0; 0) = (v γ(v) B; 0; 0) = (v B ; 0; 0) Die Leiterschleife ist im System S in Ruhe. Also muss die EMK durch das Universität Ulm, Experimentelle Physik 8

10 elektrische Feld erzeugt werden. U EMK = E b = v B b (4) Die Flussänderung ist dφ B = B v b dt (5) Somit lauten das Induktionsgesetz und das Ohmsche Gesetz Somit gilt für die EMK die Transformation U EMK = dφ B dt (6) U EMK = R I U EMK = γ(v)u EMK (7) Universität Ulm, Experimentelle Physik 9

11 Faradaysches Induktionsgesetz E d s = d dt B d a (8) S A(S) rot E = B t (9) Universität Ulm, Experimentelle Physik 10

12 Wirbelströme Anwendungen Wirbelstrombremse beim ICE Retarder in LKWs Dämpfung von Schwingungen in Rastertunnelmikroskopen Wirbelströme in Metallen In Transformatoren und Motoren verwendet man geschlitzte Bleche Universität Ulm, Experimentelle Physik 11

13 Transformator Zwei gekoppelte Stromkreise Universität Ulm, Experimentelle Physik 12

14 Transformator II Symbolische Darstellung eines Transformators Universität Ulm, Experimentelle Physik 13

15 Transformator III Schematischer Aufbau eines Transformators Universität Ulm, Experimentelle Physik 14

16 Kirchhoffsche Gesetze Kirchhoffsche Gesetze: links die Maschenregel, rechts die Knotenregel. Universität Ulm, Experimentelle Physik 15

17 In einer komplizierten elektrischen Schaltung betrachtet man eine einzelne Masche. Nach der definition der EMK muss eine Probeladung langsam um die Masche herumgeführt werden. Dies führt auf die Maschenregel k Quellen U k = j Verbraucher U j (10) wobei die Vorzeichen entsprechend dem Umlaufsinn einzusetzen sind. In unserem Beispiel bedeutet dies: U 1 U 2 = U R + U L Die Knotenregel ist ein Ausdruck für die Ladungserhaltung. An jedem Universität Ulm, Experimentelle Physik 16

18 Knoten gilt I k = 0 (11) k eines Knotens Mit diesen beiden Regeln sowie der Kenntnis der Charakteristika der Bauelemente kann jede statische oder quasistatische elektronische Schaltung berechnet werden. Universität Ulm, Experimentelle Physik 17

19 Impedanzen In diesem Abschnitt betrachten wir die Wirkung von cosinusförmigen Wechselspannungen U U(t) = U 0 cos (ωt ϕ) (12) Die Zeitskala für die Wechselspannung wird so gewählt, dass ϕ = 0 ist. Weiter setzen wir voraus, dass die zeitliche Änderung aller Grössen so gering sind, dass wir wie im stationären Falle rechnen können. Wir dies den quasistationären Fall. Universität Ulm, Experimentelle Physik 18

20 Definition von Strömen und Spannungen bei Wechselspannungen Da bei Wechselspannungen a priori keine Stromrichtung vorgegeben ist, definiert man, zum Beispiel wie in der Abbildung oben, die Stromrichtung zu einem bestimmten Zeitpunkt, hier für t = 0. Zu jedem Zeitpunkt muss Universität Ulm, Experimentelle Physik 19

21 die Spannung im Stromkreis insgesamt null sein. Also ist U U R = 0 (13) und mit dem Ohmschen Gesetz U 0 cos(ωt) I R = 0 (14) oder I(t) = U 0 R cos(ωt) = I 0 cos(ωt) (15) Der Strom und die Spannung erreichen immer dann einen Extremwert, wenn ωt ein ganzzahliges Vielfaches von π ist. Der durch einen Widerstand fliessende Strom ist in Phase mit der Spannung. Universität Ulm, Experimentelle Physik 20

22 Die momentane Leistung am Widerstand ist P (t) = U(t) I(t) = U 0 cos(ωt) U0 R cos(ωt) = U 2 0 R cos2 (ωt) = I 2 0R cos 2 (ωt) Der Mittelwert der Leistung ist ( cos 2 ω t t = 1/2) (16) P (t) t = 1 U0 2 2 R = 1 2 I2 R (17) Unter dem Effektivwert der Spannung (des Stromes) versteht man diejenige Gleichspannung, die an einem Ohmschen Widerstand die gleiche Verlustleistung erzeugt. Also ist für sinusförmige Spannungen U eff = 1 2 U 0 (18) Universität Ulm, Experimentelle Physik 21

23 beziehungsweise I eff = 1 2 I 0 (19) Für beliebige Spannungsverläufe (Stromverläufe) ist der Effektivwert (auch rms-wert von Root Mean Square ) U eff = U rms = 1 T t+t t U 2 (τ)dτ (20) wobei T eine Zeit ist, die bei periodischen Signalen der Periodendauer entspricht und bei zufälligen Signalen lang gegenüber der charakteristischen Universität Ulm, Experimentelle Physik 22

24 Zeitdauer der Schwankungen sein muss. Für Ströme gilt die analoge Formel I eff = I rms = 1 t+t I T 2 (τ)dτ (21) t Spule mit Wechselspannung Die induzierte Spannung ist der Flussänderung entgegengesetzt. Sie wirkt so, dass die Zunahme des Stromes bei zunehmender Anregungsspannung Universität Ulm, Experimentelle Physik 23

25 gebremst wird. Deshalb ist U U L = 0 = U L di dt (22) Setzen wir U = U 0 cos(ωt) ein, erhalten wir di dt = U 0 L cos(ωt) (23) und damit I(t) = U 0 L t 0 cos(ωτ)dτ = U 0 Lω sin(ωt) = U 0 Lω cos(ωt π 2 ) (24) Universität Ulm, Experimentelle Physik 24

26 Der Strom hat also den Scheitelwert I = U 0 ωl = U 0 X L (25) wobei X L = ωl die Impedanz oder der induktive Widerstand der Spule ist. Die Einheit der Impedanz ist gleich wie die Einheit des Widerstandes, das Ohm. Der Strom folgt der Spannung mit einer Phasenverschiebung von π/2. Für die Effektivwerte gilt I eff = U eff /X L, da für sinusförmige Spannungen und Ströme der gleiche Faktor zur Umrechnung von Scheitelwerten zu Effektivwerten verwendet werden muss. Die momentan dissipierte Leistung an einer Spule ist P (t) = U(t) I(t) = U 0 cos(ωt) U0 ωl cos(ωt π 2 ) = U 2 0 ωl cos(ωt) sin(ωt) (26) Universität Ulm, Experimentelle Physik 25

27 Die dissipierte Leistung kann sowohl positiv wie auch negativ sein. Die mittlere dissipierte Leistung ist P t = U 2 0 ωl cos(ωt) sin(ωt) t = 0 (27) Im Mittel wird also keine Leistung an einer Spule dissipiert. Kondensator mit Wechselspannung Beim Kondensator ist U C = q/c. Diese Spannung muss gleich der Universität Ulm, Experimentelle Physik 26

28 treibenden Spannung sein. U U C = 0 = U q C (28) Wir setzen U ein und erhalten q = C U 0 cos(ωt) (29) Der Strom ist dann für den Strom I = dq dt = d dt C U 0 cos(ωt) = Cω U 0 sin(ωt) = Cω U 0 cos(ωt+ π 2 ) (30) Wir nennen X C = 1 ωc (31) Universität Ulm, Experimentelle Physik 27

29 die Impedanz des Kondensators. Der Scheitelwert des Stromes ist I 0 = ωcu 0 (32) Analog wie bei der Spule gilt die Gleichung I eff = U eff /X C mit der gleichen Begründung auch für Kondensatoren. Die momentan dissipierte Leistung ist P (t) = ωcu 2 0 cos(ωt) sin(ωt) (33) Sie ist, analog wie bei der Spule, positiv oder negativ. Deshalb ist die mittlere dissipierte Leistung P (t) t = ωcu 2 0 cos(ωt) sin(ωt) t = 0 (34) Universität Ulm, Experimentelle Physik 28

30 Schwingkreis Der Kondensator soll zur Zeit t = 0 auf die Spannung U C,0 aufgeladen sein. Zur Zeit t = 0 wird der Schalter geschlossen. Die Differentialgleichung dieser Schaltung lautet: L di dt + Q C = 0 (35) Wir differenzieren einmal und bekommen d 2 I dt LC I = 0 (36) Universität Ulm, Experimentelle Physik 29

31 Dies ist die aus der Mechanik bekannte Schwingungsdifferentialgleichung. Durch Analogieschluss sieht man, dass die Resonanzfrequenz ω 0 = 1 LC (37) ist. Universität Ulm, Experimentelle Physik 30

32 Schwingkreis mit Widerstand Der gedämpfte Schwingkreis enthält neben dem Kondensator und der Spule auch einen Widerstand. Die Differentialgleichung des gedämpften Schwingkreises ist L di dt + R I + Q C = 0 (38) Wir differenzieren einmal und bekommen d 2 I dt 2 + R di L dt + 1 LC I = 0 (39) Universität Ulm, Experimentelle Physik 31

33 Analog zur Mechanik ist die R C der Dämpfungsterm. Das in der Mechanik berechnete Verhalten eines schwingungsfähigen Systems gilt auch für den elektrischen Schwingkreis. Wenn der elektrische Schwingkreis von einer Wechselspannungsquelle getrieben wird, ergeben sich die gleichen Phänomene wie bei einem getriebenen Pendel, also auch eine Resonanz. Anwendungen Schwingkreise zur Signalfilterung in Radioempfängern Verhalten von langen Leitungen Verhalten elektrischer Maschinen Universität Ulm, Experimentelle Physik 32

34 Elektromotoren Prinzipbild eines Elektromotors Wir betrachten zuerst den Elektromotor als Generator. Der Fluss durch die Leiterschlaufe mit N Windungen und einer Fläche A ist φ B = NBA cos Θ (40) Universität Ulm, Experimentelle Physik 33

35 wobei Θ der Winkel zwischen der Normalen der Fläche der Leiterschlaufe und der Richtung des Magnetfeldes ist. Mit Θ = ωt + δ wird der zeitabhängige Fluss durch eine sich mit ω drehende Leiterschlaufe φ B (t) = NBA cos(ωt + δ) (41) Durch Ableiten erhält man die Induktionsspannung U = dφ B(t) dt = NBA d dt cos(ωt + δ) = NBAω sin(ωt + δ) (42) Die induzierte effektive Spannung ist U eff,i = NBAω 2 (43) Wenn die Leiterschlaufe mit Spannung versorgt wird, arbeitet sie als Motor. Universität Ulm, Experimentelle Physik 34

36 Durch den Strom I wird ein Drehmoment M = NAB I sin Θ (44) erzeugt 1. Das mittlere Drehmoment bei einem Motor, bei dem der Kommutator immer bei dem Winkel, bei dem das Drehmoment null wird, das Vorzeichen ändert, ist M eff = NAB I (45) 2 Wenn der Widerstand des Ankers, der rotierenden Spule, R ist, kann man den mittleren Strom berechnen I eff = U U eff,i R = U R NBA R 2 ω (46) 1 Beachte die Phasenverschiebung zwischen Fluss und Drehmoment! Universität Ulm, Experimentelle Physik 35

37 Damit hängt das Drehmoment von der Drehzahl ab M eff (ω) = NAB 2 ( U R NBA ) R 2 ω = NABU R 2 N 2 A 2 B 2 2R ω (47) Das Drehmoment des ruhenden Motors ist also M eff (0) = M max = NABU R 2 (48) und die maximale Drehzahl (da wo M eff = 0) ist ω max = 2U NAB (49) Diese Charakteristik hat man immer dann, wenn das erregende Feld B unabhängig von der Drehzahl ist, bei Permanentmagneten oder wenn die Universität Ulm, Experimentelle Physik 36

38 Spule für die Erregerwicklung parallel zum Anker angeschlossen ist. Will man die Drehzahl erhöhen, muss man das Feld B schwächer machen. Ist die Erregerwicklung in Serie zur Ankerwicklung geschaltet, gibt es keine maximale Drehzahl. Eine lange Zylinderspule (Länge l, Windungszahl N) hat das Magnetfeld B Z = µ 0 N l I (50) Für andere Geometrien gilt das gleiche Gesetz, aber mit einem geometrieabhängigen Vorfaktor K. Im statischen Falle ist der Strom nur vom Gleichstromwiderstand R E der Erregerspule abhängig. Wenn U E der Spannungsabfall an der Erregerspule ist, ist B(U E ) = Kµ 0 N E l E U E R E == Kµ 0 N E l E I E (51) Universität Ulm, Experimentelle Physik 37

39 Der durch den Anker fliessende Strom ist dann durch I eff = U U E U eff,i R = U R U E R NB(U E)A R ω (52) 2 gegeben. Da I eff = I E ist, gilt I eff = U R R E R I eff µ 0 K N N E A l E R I eff ω (53) 2 oder U I eff = R + R E + µ 0 K N N E A l E 2 ω Damit wird das Drehmoment M eff (ω) = NAB 2 U R + R E + µ 0 K N N E A l E 2 ω (54) (55) Universität Ulm, Experimentelle Physik 38

40 Dieser Motor hätte, ohne Lagerreibung, eine unendlich grosse maximale Drehzahl. Das Startdrehmoment für ω = 0 ist M eff (0) = M max = NAB 2 U R + R E (56) Universität Ulm, Experimentelle Physik 39

41 Betatron Die Idee hinter der Konstruktion des Betatrons ist, dass bei einem zeitabhängigen B-Feld nach rot E = B/ t auch ein zeitabhängiges E-Feld existiert. Universität Ulm, Experimentelle Physik 40

42 Nach dem Induktionsgesetz rot E = B/ t hat das durch ein in die z-richtung zeigende Magnetfeld induzierte elektrische Feld keine z- Komponente. Nehmen wir an, dass das E-Feld eine Radialkomponente hätte. Sie könnte zum Beispiel in die y-richtung zeigen. Rotieren wir die ganze Anordnung um π um die y-achse und kehren die Richtung des B-Feldes um, haben wir wieder die Ausgangsanordnung. Mit der Richtungsumkehr von B hat aber auch E die Richtung geändert (Induktionsgesetz). Dies ist aber im Widerspruch zur Ausgangssituation. Deshalb kann es kein radiales E-Feld geben: das E-Feld ist tangential und beschleunigt die geladenen Teilchen. Damit die Teilchen auf der Kreisbahn bleiben, muss m v2 R = e v B(t) (57) oder mv(t) = p(t) = e B R (58) Universität Ulm, Experimentelle Physik 41

43 Das zweite Newtonsche Axiom in tangentialer Richtung angewandt bedeutet dp(t) dt = ee(t) (59) Mit der Integralform des Induktionsgesetzes erhält man mit einer Kreisbahn S(R) mit dem Radius R S(R) E(t) d s = E(t) 2πR = d dt A(R) B(t) d a = d B(t) dt πr 2 (60) wobei B das über die Fläche des Kreises gemittelte B-Feld ist. Durch Kombination der obigen Gleichungen und unter Berücksichtigung der Vorzeichen erhalten wir dp(t) dt = e R 2 d B dt (61) Universität Ulm, Experimentelle Physik 42

44 Die Integration mit den Anfangsbedingungen p(0) = 0 und B(0) = 0 liefert p(t) = e R 2 B(t) (62) Der Vergleich mit der Bedingung für die Zentripetalkraft liefert die Wideroe- Bedingung B(t) = 2 B(t) (63) Diese Bedingung kann durch eine geeignete Wahl der Form der Polschuhe erreicht werden. Universität Ulm, Experimentelle Physik 43

45 Skin-Effekt Berechnung des Skin-Effektes Bei Gleichstrom in einem zylindrischen Leiter ist das elektrische Feld konstant über dem Querschnitt. Nach dem Ampèreschen Durchflutungsgesetz ist das Magnetfeld proportional zum Abstand. Universität Ulm, Experimentelle Physik 44

46 Für den Fall eines Wechselstroms mit niedriger Frequenz müssen wir das Induktionsgesetz berücksichtigen. Nach dem Induktionsgesetz gilt für die Kurve S, die auf einer Ebene, in der auch die Zylinderachse liegt, liegt = d dt B d a (64) S A(S) Für die eingezeichnete Schlaufe gilt h [E(r r) E(r)] = d B dt h R (65) wobei wieder B das über die Fläche r h gemittelte Magnetfeld ist. Da der Strom zeitabhängig ist, muss auch das E-Feld ortsabhängig sein. Eine homogene Stromverteilung bei Wechselstrom ist bei einem Ohmschen Leiter nicht vereinbar mit dem Induktionsgesetz. Die Taylorentwicklung Universität Ulm, Experimentelle Physik 45

47 von Gleichung (64) liefert die betragsmässige Bedingung E(r, t) t = B(r, t) t (66) Das elektrische Feld muss also bei Wechselstrom mit zunehmendem Abstand vom Radius zunehmen. Da der Gesamtstrom gegeben ist, ist die Stromdichte an der Oberfläche konzentriert. Dies ist der Skin-Effekt. Anwendung Bei Überlandleitungen wird um ein Stahlseil Kupfer (Luxusausführung) oder Aluminium (das Übliche) gewickelt. Dies erhöht den Widerstand kaum, da der Skin-Effekt die Stromleitung bei 50Hz auf etwa 1cm Tiefe beschränkt. Universität Ulm, Experimentelle Physik 46

48 Energie im Magnetfeld Berechnung der Energie im Magnetfeld Wir betrachten eine mit einer Wechselstromquelle U(t) = U 0 sin(ωt) verbundene reale Spule. Diese Spule wird modelliert durch einen Widerstand R und eine ideale Spule L. Die Differentialgleichung dieses Kreises lautet U(t) = L I(t) + R I(t) (67) Universität Ulm, Experimentelle Physik 47

49 Die stationäre Lösung dieser Gleichung hat die Form Für den Fall, dass R ωl ist, bekommt man I S (t) = I 0 cos(ωt δ) (68) I S (t) = U 0 ωl Die momentane Leistung der Spannungsquelle ist cos ωt (69) P U (t) = U(t) I(t) = U 0 2 ωl sin ωt cos ωt = U2 0 ωl 1 2 sin(2ωt) (70) Die Leistung der Spannungsquelle kann nur die Energie des B-Feldes ändern, da wir keine dissipativen Elemente haben (R = 0). Wenn man Universität Ulm, Experimentelle Physik 48

50 die Differentialgleichung für den Fall mit I(t) multipliziert, bekommt man P U = U(t) I(t) = L I I = d dt ( ) L 2 I2 (71) Nun ist aber P = de/dt. Damit ist die Energie des Magnetfeldes E L = L 2 I2 (72) Um die Energiedichte eines Magnetfeldes zu berechnen betrachten wir eine Spule B = µ 0 ni (73) mit der Selbstinduktivität L = µ 0 n 2 Al (74) wobei A der Querschnitt der Spule und l ihre Länge ist. Eingesetzt in die Universität Ulm, Experimentelle Physik 49

51 Gleichung für die Energie E L bekommt man E L = 1 2 µ 0n 2 Al ( ) 2 B = B2 Al (75) µ 0 n 2µ 0 Deshalb ist die Energiedichte des B-Feldes w B = B2 2µ 0 (76) Universität Ulm, Experimentelle Physik 50