Wiederholung: Magnetfeld: Ursache eines Magnetfelds: bewegte elektrische Ladungen veränderliches Elektrisches Feld

Transkript

1 1 Wiederholung: Magnetfeld: Ursache eines Magnetfelds: bewegte elektrische Ladungen veränderliches Elektrisches Feld N S Magnetfeld um stromdurchflossenen Draht Magnetfeld um stromführenden Draht der zu einer Schleife gebogen ist B - B I I

2 Beispiele magnetischer Felder (Feldlinien) 2 Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule (Elektromagnet) Permanentmagnet Die magnetischen Feldlinien bilden immer in Schleifen! sie haben keinen Anfang und kein Ende sie sind immer geschlossen

3 Das Erdmagnetfeld B 3 I

4 4 Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld Rechte Hand Regel

5 Magnetische Kraftflussdichte B und magnetische Feldstärke H 5 Erdmagnetfeld Stärkste Magnetfelder im Labor Magnetfeld in Atomen Magnetfeld an der Oberfläche eines Neutronensterns ca T = 1 G (Gauss) ca. 45T ca. 10T ca T

6 6 Magnetfeld um einen Draht

7 7 Magnetfeld einer langezogenen Spule:

8 8 Kraft auf ein geladenes Teilchen im Magnetfeld, Lorentzkraft Magnetfeld in Bildebene hinein x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x Rechte Hand Regel

9 Bahn eines geladenen Teilchens im Magnetfeld 9 1. Geschwindigkeit senkrecht zum Magnetfeld: Kreisbahn 2. Geschwindigkeit schräg zum Magnetfeld: Schraubenlinie Magnetfeld in Bildebene hinein x x x x x Geladenes Teilchen (q negativ) v x x F x x x x x + x x x x x x x x x x x x x

10 Versuch Fadenstrahlrohr: 1. Geschwindigkeit genau senkrecht zum Magnetfeld: Kreisbahn Geschwindigkeit schräg zum Magnetfeld: Schraubenlinie

11 Bedeutung (Beispiele): 11 Magnetische Flasche, Erdmagnetfeld schützt vor kosmischer Strahlung, Polarlichter

12 Sonnenwind = Teilchen (Protonen, Elektronen, He-Kerne) von der Sonne Erdmagnetfeld

13 13 Polarlicht (Aurora Borealis, Aurora Australis)

14 14 Polarlicht über der Erde (gesehen vom Space Shuttle Discovery)

15 1 Magnetische Induktion Worum geht es? Eine Möglichkeit: Ein Ein veränderliches Magnetfeld in in der der Spule Spule (weil (weil Magnet bewegt wird) wird) Bewirkt einen einen Stromfluss in in der der Spule Spule Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V

16 2 Magnetischer Fluss: (diesen Begriff braucht man zur genaueren Beschreibung der Induktion) Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V

17 3 Induktionsgesetz (Faraday): U ind Michael Faraday: Wenn der Magnet bewegt wird, ändert sich der magnetische Fluss Φ in der Spule, eine Spannung wird induziert, die vom Messgerät angezeigt wird. (Je schneller die Bewegung, desto größer die angezeigte Spannung) U = φ t N Jede JedeÄnderung des des magnetischen Flusses durch durcheine eineleiterschleife, induziert darin darineine eineelektrische Spannung U. U. Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V

18 Lenzsche Regel 4 Die Die durch durchveränderung magnetischer Flüsse Flüsseerzeugten Induktionsströme fließen fließenderart, dass dassihre ihreeigenen Magnetfelder der derinduktionsursache entgegenwirken Kurz: Der induzierte Strom ist immer so gerichtet, dass sein Magnetfeld der Induktionsursache entgegenwirkt Beispiel: Erklärung: Ring spürt stärker werdendes Magnetfeld. Wirbelströme werden induziert. Sie erzeugen ein Magnetfeld, das dem Feld des Magneten entgegen gerichtet ist. -> Ring wird abgestoßen (Ring versucht dem stärkeren Magnetfeld auszuweichen). Magnet bewegt sich auf Ring zu Aluring: Bewegt sich vom Magnet weg Dieser Aluring (mit Schlitz!) weicht dem Magneten nicht aus. Denn: Wegen des Schlitzes können keine Wirbelströme fliessen. Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V

19 5 Anwendungsbeispiel für Induktion: Wechselstromgenerator U = φ N t Hier: Der magnetische Fluss ändert sich, weil sich der Winkel zwischen Magnetfeld und Fläche ändert, eine Spannung wird induziert. U ind ( t) = nbaω sin( ωt) Wechselstromgenerator Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V

20 6 Versuch zum Wechselstromgenerator: Bei Drehung der Kurbel, fließt Wechselstrom! Hufeisenmagnet Spule, wird durch Kurbel gedreht Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V

21 7 Wechselstromgenerator: Fahrraddynamo Rad dreht sich, -> Magnet dreht sich, -> Magnetfeld in der Spule ändert sich, -> Spannung wird induziert, Strom fliesst. Magnet Spule Wenn sich das Rad schneller dreht, ist die Änderung des magnetischen Flusses größer, eine größere Spannung wird induziert, die Lampe leuchtet heller! U ind ( t) = nbaω sin( ωt) Wechselstromgenerator Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V

22 8 Anwendungsbeispiel für Induktion: Transformator U = φ N t Hier: Der magnetische Fluss ändert sich, weil sich das Magnetfeld ändert, eine Spannung wird induziert. Eisen Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V

23 9 Anwendungsbeispiel: Induktionsherd Im Topfboden werden durch das magnetische Wechselfeld elektrische Wirbelströme induziert. Gutes Aufheizen des Topfbodens, wenn das Topfbodenmaterial eine hohe Permeabilität µ hat (wenn es magnetisch ist). Im Kochfeld: Spule in der Wechselstrom ( khz) Fließt, erzeugt magnetisches Wechselfeld. Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V

24 Selbstinduktion: 10 Schalter S Spule R 1. Schalter wird geschlossen: Strom fließt durch die Spule, ein Magnetfeld baut sich auf. 2. Die Magnetfeldänderung in der Spule bewirkt Induktion in der Spule! Eine (Gegen-)Spannung entsteht, nach der Lenzschen Regel bewirkt der induzierte Strom ein Magnetfeld in entgegengesetzter Richtung. U ind = L di dt Durch diesen Effekt (= Selbstinduktion) verzögert sich der Stromanstieg beim Einschalten. 3. Schließlich fließt der Strom I 0 = U/R. U L = Induktivität, Einheit 1 Henry 1H = 1Vs/A Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V