Physikepoche Klasse 11. Elektrizitätslehre

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1 Physikepoche Klasse 11 Elektrizitätslehre

2 Stromdurchflossener Leiter Versuch 30 (gerader stromdurchflossener Leiter) Wir schieben einen geraden Kupferdraht durch ein Blatt Papier und schließen den Draht an eine Stromquelle an. Auf das Papierblatt streuen wir Eisenpulver. Die Eisenteilchen ordnen sich ringförmig um den Kupferdraht an. Bringen wir eine Kompassnadel in die Nähe des stromdurchflossenen Leiters, so fängt diese an sich zu bewegen. Aus diesen Beobachtungen können wir schließen, dass sich um einen stromdurchflossenen Leiter ein magnetisches Feld bildet.

3 Stromdurchflossene Spule Versuch 31 (stromdurchflossene Spule) Wir biegen den geraden Leiter zu einer Spirale (wir sagen auch Spule), die in der Mitte von dem Papierblatt geteilt wird. Die Eisenteilchen ordnen sich jetzt zu einem ähnlichen Bild, wie sie es beim stabförmigen Dauermagneten taten. Jede Wicklung der Spule baut ein Magnetfeld wie ein gerader Leiter auf. Die Wirkungen der einzelnen Windungen vereinigen sich zu einem neuen (resultierenden) Feldlinienbild. Bringen wir eine Kompassnadel in die Nähe dieser stromdurchflossenen Spule, so können wie beobachten, dass an den Enden der Spule ein Nordpol bzw. ein Südpol entstanden ist. Ändern wir die Stromrichtung, so ändert sich auch Nord- und Südpol der Spule.

4 Elektromagnetismus Eine Magnetnadel erfährt in der Nähe eines elektrischen Stromes eine Kraft. Diese Kraft muss von einem Magnetfeld stammen, dass mit dem Strom entsteht und nach Abschalten des Stromes wieder verschwindet. Diese Wirkung des elektrischen Stromes wurde 1820 von Hans Christian Oersted ( ) entdeckt. Jeder elektrische Strom ist von einem Magnetfeld umgeben. Die Richtung der Kraftwirkung (Feldlinien) ist von der Richtung des Stromflusses abhängig. Es gilt die Linke-Hand-Regel Umfasst man den Leiter so mit der linken Hand, dass der ausgestreckte Daumen in Richtung des Leiters zum Pluspol der Quelle zeigt, so geben die gekrümmten Finger die Richtung der Feldlinien an.

5 Elektromagnetische Feldlinien Biegt man einen geraden Leiter zu einer Leiterschleife, dann erhält man das folgende Feldlinienbild: Mehrere Leiterschleifen hintereinander bilden eine Leiterspule. Wir können erahnen, wie sich die Feldlinien in einer solchen Leiterspule überlagern und ein neues Feldlinienbild entsteht.

6 Feldlinien einer Spule Die Feldlinien einer Spule sind eine Überlagerung der Feldlinien von vielen Leiterschleifen. Im Inneren der Spule verlaufen die Feldlinien von Süd nach Nord wogegen das äußere Feld von Nord nach Süd zeigt. So haben die Feldlinien einen geschlossenen Verlauf. Mit der Linken-Hand-Regel können wir den Verlauf der Feldlinien bestimmen. Das Magnetfeld einer Spule wird erheblich verstärkt, wenn man einen Eisenkern in das Innere der Spule einbringt. Die Ursache dieses Phänomens sind die Elementarmagnete im Inneren des Eisens, welche sich auf Grund der magnetischen Influenz im Feld der Spule ausrichten und dieses dadurch verstärken. (Dieser Vorgang ist analog wie das Dielektrikum in einem Kondensator.)

7 Elektromagnet Technische Anwendung Elektromagnete haben eine weite Verbreitung in allen Gebieten der Technik gefunden. Elektromagnete werden zum Heben von Eisenschrott eingesetzt, Stellmagnete zum Bewegen mechanischer Teile an fast allen technischen Geräten, in elektromagnetischen Bremsen und Kupplungen an Fahrzeugen.

8 Prinzip des Elektromotors Man kann einen Elektromotor als einen umgekehrten Generator verstehen. Durch eine auf einen Eisenkern (Anker) gewickelte Spule fließt ein Strom, der ein Magnetfeld erzeugt. Dieses Magnetfeld will sich im Magnetfeld des äußeren, feststehenden Magneten ausrichten und bewegt die Spule mit Anker entsprechend. Bei geschickter Bauform des inneren Rotors (Spule, Anker, Stromeinspeisung) und des äußeren Magneten kommt eine kontinuierliche Drehbewegung zustande. Es gibt eine sehr große Anzahl von Bauformen von Elektromotoren, die entsprechend ihres Einsatzes und der verwendeten Stromart sehr unterschiedlich sein können.

9 Der Elektromotor - Geschichte Faraday konnte im Prinzip zeigen, dass sich mit Elektrizität eine fortwährende Bewegung erzeugen lässt. Der erste technisch brauchbare Elektromotor wurde von dem aus Potsdam stammenden Ingenieur Hermann Jacobi ( ) im Jahre 1834 entworfen. Auf einer runden, drehbar gelagerten Holzscheibe (dem Rotor) brachte Jacobi hufeisenförmige Elektromagneten an. Weitere Elektromagnete befanden sich dem Rotor gegenüber auf einer feststehenden Holzscheibe (dem Ständer). Sowohl die Elektromagnete des Ständers als auch die des Rotors waren in Reihe geschaltet. Eine Batterie diente als gemeinsame Stromversorgung für beide Kreise. Auf der Rotorachse hatte Jacobi eine Vorrichtung angeordnet, die als Vorläufer des heute verwendeten Stromwenders angesehen werden kann. Für die kostspielige Weiterentwicklung fand Jacobi in Russland Förderer. Am fuhr auf der Newa in St. Petersburg ein Schiff, das von einem Jacobi-Motor mit 220W Leistung angetrieben wurde und mit ca. 2,5 km/h eine 7,5 km lange Strecke zurücklegte. Im Jahre 1839 konnte die Leistung des Motors auf 700 W gesteigert werden, was zu dieser Zeit ein sehr großer Erfolg war. Ein Problem der frühen Motoren war die elektrische Energiequelle. Jacobi verwandte eine Zink-Platin-Batterie die besonders teuer war. Der Betrieb von Elektromotoren kostete ca. 25 mal so viel wie der von den damals üblichen Dampfmaschinen. Der allgemeine Durchbruch der Elektromotoren erfolgte erst mit der Erfindung der Dynamomaschine durch Werner von Siemens im Jahre 1866.

10 Die Wirkung sich ändernder Magnetfelder auf Leiter Wir haben gelernt, dass bewegte Ladungen, was ein Strom ja letzten Endes ist, ein Magnetfeld erzeugen. Wir wollen nun untersuchen, was passiert, wenn wir einen Leiter durch ein Magnetfeld bewegen oder sich das Magnetfeld durch den Leiter bewegt. Versuch 32a (Bewegter Leiter im Magnetfeld) Wir hängen einen drehbar gelagerten Drahtbügel in das Magnetfeld eines U-Magneten. Schalten wir den Strom ein, so wird der Bügel nach innen oder außen, je nach Flussrichtung des Stromes ausgelenkt. Umgekehrt können wir eine Spannung messen, wenn wir den Bügel mechanisch durch das Magnetfeld des U-Magneten bewegen. Versuch 32b (Leiter im bewegten Magnetfeld) Wir lassen einen Stabmagneten durch das innere einer Spule gleiten. An dem an die Spule angeschlossenen Voltmeter wird eine Spannung angezeigt. Das Magnetfeld des Stabmagneten bewirkt, dass in dem Draht der Spule eine Spannung (also eine Verschiebung oder Trennung von Ladungen) erzeugt wird.

11 Die elektromagnetische Induktion Bewegt man ein elektrisch leitendes Material in einem Magnetfeld oder durchsetzt ein sich bewegendes Magnetfeld ein elektrisch leitendes Material, so wird in dem Material eine Spannung induziert d.h. es findet eine Trennung von Ladungsträger im Leiter statt. Entscheidend für die Stärke der induzierten Spannung ist die Anzahl und die zeitliche Änderung der den Leiter durchsetzenden Feldlinien. Der englische Forscher Michael Faraday entdeckte 1831 die elektromagnetische Induktion. Durch diese Entdeckung stand der Weg offen zu neuen leistungsfähigen Spannungsquellen. Es war nun möglich Maschinen zu bauen, die durch mechanischen Antrieb zu elektrischen Quellen werden. Wie die Richtung der Kraftwirkungen mit der Richtung des magnetischen Feldes zusammenhängt wird durch die die Drei-Finger-Regel beschrieben.

12 Die Drei-Finger-Regel 1. Fall: Stromdurchflossener Leiter im Magnetfeld Zeigt der Daumen der linken Hand in Bewegungsrichtung der Elektronen und der Zeigefinger in Richtung der magnetischen Feldlinien, so gibt der Mittelfinger die Richtung der wirkenden Kraft an. Daumen Stromrichtung von Minus nach Plus Zeigefinger Feldrichtung von Nord nach Süd Mittelfinger Kraftrichtung 2. Fall: Bewegter Leiter im Magnetfeld Zeigen der Daumen der linken Hand in die Bewegungsrichtung des Leiters (Stromrichtung), der Zeigefinger in die Richtung der Feldlinien (von Nord nach Süd), dann zeigt der Mittelfinger in die Richtung in die die negativen Ladungen verschoben werden (Kraftrichtung).

13 Technische Anwendungen der Induktion 1. Wir induzieren eine Spannung im Leiter durch die zeitliche Veränderung der den Leiter durchsetzenden magnetischen Feldlinien Dreht sich eine Spule in einem Magnetfeld, so entsteht an ihren Enden eine Spannung, die über Schleifkontakte an zwei Anschlüssen weitergegeben wird. Eine solche Anordnung heißt Generator. Die vom Generator erzeugte Spannung steigt mit: - wachsender Drehgeschwindigkeit des Rotors - wachsender Stärke des Magnetfeldes. - mit zunehmender Windungszahl und Querschnittsfläche der Spule im Anker

14 Die Wechselspannung Eine Spule befindet sich im Feld eines Magneten. Bei der Drehung ändert sich ständig der Winkel zwischen der Ebene ihrer Windungen und den magnetischen Feldlinien. Entsprechend ändert sich auch der Anteil des Magnetfeldes, der die Spule in der wirksamen Richtung durchsetzt. Diese Änderung induziert eine Spannung an ihren Enden. Durch die Drehung des Ankers wechselt die Richtung der induzierten Spannung ständig. Es entsteht eine Wechselspannung in der Spule.

15 Der Dynamo Es entsteht auch eine Spannung wenn die Spule fest steht und das Magnetfeld von einem sich drehenden Magneten stammt. Diese Vorrichtung heißt Dynamo. Der Fahraddynamo ist eine elektrische Quelle. Durch das Antriebsrädchen wird in seinem Innern ein Magnet gedreht. Der zylinderförmige Magnet ist von einer ringförmigen Spule umgeben. Die Feldlinien des Magneten bewegen sich nun beim Drehen durch die Leiter der Spule und induzieren dort eine Spannung. Schließt man die Enden der Spule zu einem Stromkreis zusammen, so kann ein Strom fließen und zum Beispiel eine Glühbirne zum Leuchten bringen.

16 Der Transformator 2. Wir induzieren eine Spannung im Leiter durch zeitliche Veränderung der Stärke und Richtung der Feldlinien Eie elektromagnetische Spule, die mit Wechselstrom gespeist wird ändert die Stärke und Richtung ständig, in gleicher Weise wie der Strom der durch die Leiter der Spule fließt. Bringen wir nun eine zweite Spule in die Nähe dieser ersten von einem Wechselstrom durchflossenen Spule, so wird in dieser zweiten Spule eine Spannung induziert. Schließen wir diese zweite Spule nun an einen Verbraucher an, dann fließt durch diesen ein Strom. Diese Beobachtung führte zur Entwicklung des Transformators. Der Transformator besteht aus zwei Spulen, die sich auf einen gemeinsamen Eisenkern befinden. Dabei besteht keine elektrische Verbindung zwischen Eisenkern und den beiden getrennten Spulen. Die an die Wechselspannung angeschlossene Spule nennt man Primärspule, die zweite Spule in der die Spannung induziert wird, heißt Sekundärspule.

17 Die Gesetze eines Transformators Wir wollen herausfinden, welchen Einfluss die Anzahl der Windungen der Feldspule (Primärspule), die Spannung an der Primärspule und die Anzahl der Windungen der Induktionsspule (Sekundärspule) auf die induzierte Spannung in der Sekundärspule hat. Versuch 34 Wir stellen uns Transformatoren her bei denen die Primär- und Sekundärspule unterschiedliche Verhältnisse der Windungszahlen haben. Wir messen jeweils die Spannungen der Primär- und Sekundärspulen. Schaltbild mit Transformator

18 Transformatorgleichungen Aus den Messungen im Versuch 34 können wir folgendes Gesetz ableiten: U P = U S n n P S Spannung Pr imärspule SpannungSekundärspule Windungszahl Pr imärspule = WindungszahlSekundärspule Herleitung des Transformatorgesetzes für die Ströme I P Pr P = Pr Pr = = U Pr I Pr Se Se Se N N P Se Se Pr I Se U Pr I I P I Pr P S = = U n n S P I = U Se I Se U Pr U I Se Pr = U = U Strom Pr imärspule WindungenSekundärspule = StromSekundärspule Windungen Pr imärspule Pr Pr N N N N Se Pr Se Pr I Se

19 Energieversorgung von Satteliten Es gibt Versuche mit Forschungssatelliten, durch Induktion Versorgungsstrom aus dem Erdmagnetfeld zu gewinnen. Diese Satteliten ziehen eine lange (bis 20km) Leiterschleife hinter sich her. In dieser Leiterschleife wird beim durchfliegen der Feldlinien des Erdmagnetfeldes eine Spannung bis zu 5000Volt induziert. Es können Ströme bis 1 Ampere fließen. Es werden aber sehr hohe technische Anforderungen an das Kabelmaterial gestellt (Masse, Reißfestigkeit). Solche Satteliten müssen sich mit einer möglichst großen Geschwindigkeit relativ zur Erdoberfläche bewegen

20 Der Wechselstromkreis Im Gleichstromkreis hatten wir die Pole einer Gleichspannungsquelle unter Einbezug von Verbrauchern zu einem Gleichstromkreis verbunden. Die Ladungsträger flossen vom negativen Pol zum positiven Pol der Spannungsquelle. Im Wechselstromkreis verhält es sich genau so, nur das die Flussrichtung der Ladungsträger sich ständig ändert. Es fließt ein so genannter Wechselstrom. Im Wechselstromkreis gelten die gleichen Gesetze wie im Gleichstromkreis mit der Besonderheit, dass sich Spannung und Strom zeitlich ändern.

21 Unser Stromnetz Erzeugung von Strom Verteilung des Stromes Verbrauch des Stromes

22 Wärmekraftwerke In Wärmekraftwerken wird durch verbrennen eines fossilen Wärmeträgers oder durch die Erwärmung von radioaktiven Brennstäben Wasserdampf oder heiße strömenden Verbrennungsgase erzeugt. Die heißen Gase oder der erhitzten Wasserdampf werden in eine Turbine eingeleitet. Die Turbine erzeugt eine Drehbewegung und treibt einen Stromgenerator an der elektrischen Strom erzeugt. Kohlekraftwerk Zur Erzeugung einer KWh werden im Weltdurchschnitt 410g Steinkohle benötigt und in Deutschland 300g

23 Dampfturbine Prinzip Der Dampf wird gegen die Schaufeln der Turbinenräder geleitet, die sich wie Windmühlenflügel drehen bis 3000 mal in der Minute. An der Turbinenachse sind Dynamomaschinen angekoppelt, die dann ihrerseits elektrischen Strom erzeugen. Hinter der Turbine wird der Dampf im sogenannten Kondensator kondensiert, also wieder in seine flüssige Form überführt. Das kondensierte Wasser wird dann über eine Pumpe mit hohem Druck wieder in den Dampferzeuger eingespeist. Damit ist der Betrieb einer Dampfturbine ein Kreisprozess

24 Stromverteilung Ein dichtes Netz von Leitungen und Umspannanlagen verbindet Kraftwerke und Verbraucher. Dieses Leitungsnetz ist, den Aufgaben entsprechend, in verschiedene Spannungsstufen gegliedert: Der Generator liefert eine Spannung von 10kV 60kV. Diese vom Kraftwerk bereitgestellte Spannung wird in bis zu 5-Transformationsstufen zum Verbraucher geleitet. Die Höchstspannungsnetze der 380- und 220-kV-Ebene dienen der weiträumigen Übertragung und dem Stromaustausch mit dem Ausland (Europäisches Verbundnetz). Hochspannungsnetze mit 110-kV-Leitungen übernehmen die regionale Stromverteilung. Es folgen Mittelspannungsnetze zwischen 1 kv und 60 kv. Bei der Stromübertragung geht aus physikalischen Gründen ein kleiner Teil des Stroms als Netzverluste verloren. Vor allem durch hohe Übertragungsspannungen, zusätzliche Umspannstationen und die technische Weiterentwicklung der Transformatoren konnten die Verluste kontinuierlich verringert werden. Die stufenweise Abspannung des Stroms besorgen Umspannwerke und - auf der letzten Stufe zur Niederspannung hin - Netzstationen. Die Umspannwerke enthalten neben Transformatoren auch Schalt- und Messeinrichtungen. Die enormen Spannungen und Stromstärken erfordern dabei besondere technische Vorkehrungen. Zum Beispiel werden die Transformatoren trotz ihrer relativ geringen Verluste so warm, dass sie gekühlt werden müssen und sich meistens in einem Ölbehälter befinden. Die Kontakte der Leistungsschalter zur Unterbrechung des Stromflusses müssen mit Druckluft auseinander getrieben werden. Der dabei entstehende Lichtbogen wird gekühlt und mit Hilfe eines Gasgemischs zum Erlöschen gebracht.

25 Stromverbrauch

26 Welt Stromverbrauch ab 1900 Welt-Strom Verbrauch Stromverbrauch [TWh] Jahr

27 Selbstinduktion Wird der Stromfluss durch eine Spule unterbrochen, dann bricht das die Spule umgebende elektromagnetische Feld zusammen. Nun ist die Spule selbst einem sich ändernden Magnetfeld ausgesetzt. Es wird eine Spannung induziert als Deren Folge ein Strom fließt, der versucht das verschwindende Magnetfeld aufrecht zu halten. Dieser selbst induzierte Strom wirkt sich in Stromkreisen mit starken Spulen (Induktivitäten) oft sehr störend aus. Es entstehen Stromstöße, die empfindliche Bauteile des Stromkreises zerstören können. Lenzsche Regel Alle durch eine Änderung des magnetischen Flusses induzierten Spannungen sind stets so gerichtet, dass die von ihnen hervorgerufenen Ströme die Ursache der Induktion zu hindern versuchen. Oder mit anderen Worten: Der induzierte Strom ist immer so gerichtet, dass sein Magnetfeld der Induktionsursache entgegenwirkt.

28 Versuch 35 Versuch zur Selbstinduktion Die Versuchsschaltung besteht aus einer Parallelschaltung von einem Widerstand und einer Spule, die je noch einmal mit einem Lämpchen in Reihe geschaltet sind. Der Widerstand, der möglichst den selben Widerstandswert haben sollte wie die Spule bewirkt, dass der Strom in beiden Teilen der Parallelschaltung gleich ist, also sich halbiert. Wenn der Strom in der ganzen Parallelschaltung gleich ist, leuchten die beiden Lämpchen gleich hell. Wird der Schalter umgelegt, fängt das Lämpchen, das in Reihe mit dem Widerstand geschaltet ist sofort an zu leuchten, während das Lämpchen, das in Reihe zu Spule geschaltet ist, erst mit einiger Verzögerung anspringt. Wenn sich die Spule also einem größer werdenden Magnetfeld aussetzt, entsteht in ihr ein Strom, der ein Magnetfeld erzeugt, das das stärker werdende Magnetfeld schwächt. Umgekehrt wird, wenn das Ursprungsmagnetfeld schwächer wird in der Spule ein Magnetfeld erzeugt, das das Ursprungsmagnetfeld verstärkt. Der induzierte Spulenstrom, der das Gegenmagnetfeld erzeugt, fließt entgegen der Stromrichtung der Spannungsquelle und kann so das aufleuchten der Glühbirne verzögern.

29 Folgen der Selbstinduktion Der Skin-Effekt Eine Wechselstrom in einem Stromleiter erzeugt ein wechselndes Magnetfeld und durch Selbstinduktion einen so genannten Wirbelstrom im Leiterquerschnitt. Der induzierte Wirbelstrom verringert den Strom im Zentrum und erhöht ihn im äußeren Bereich des Leiters. Man kann zeigen, dass sich der hauptsächliche Stromfluss auf eine Haut (Skin) einer bestimmten Dicke beschränkt. Diese Dicke ist proportional zur Wurzel des spezifischen Widerstandes des Materiales. Aus dieser Erkenntnis heraus ist die Idee entstanden, ein Stromkabel aus vielen dünnen Einzelleitern aufzubauen (Litze).

30 Elektromagnetischer Schwingkreis Ein elektrischer Schwingkreis ist eine Baugruppe aus einer Spule und einem Kondensator. Wenn der Kondensator geladen ist und von der Stromquelle getrennt wir fliest ein Strom über die Spule, bis der Kondensator entladen ist. Der Strom erzeugt in der Spule ein Magnetfeld. Haben sich die Ladungen ausgeglichen bricht das Magnetfeld in der Spule zusammen und es entsteht ein Induktionsstrom im Stromkreis, der den Kondensator wieder auflädt. Nach der Lenzschen Regel ist dieser Strom dem vorhergehenden entgegengesetzt. Nun beginnt die Entladung des Kondensators von neuem und in der Spule entsteht wider das Magnetfeld, aber nun mit umgekehrter Polung. Ohne Verluste, also im Falle das R Null (supraleitenden Schwingkreises), würde dieser Vorgang nie aufhören.

31 Versuch elektromagnetischer Schwingkreis Versuch 36 Über die Stromquelle laden wir den Kondensator auf und trennen den eigentlichen Schwingkreis durch öffnen der beiden Schalter von der Spannungsquelle ab. Wir beobachten den Spannungsverlauf im Schwingkreis mit einem Oszilloskop

32 Hertzscher Dipol Biegt man die Kondensatorplatten des Schwingkreis-Kondensators auf und verkleinert sie zu einer Spitze und reduziert gleichzeitig die Spule des Schwingkreises auf einen geraden Leiter, so erhält man letztendlich einen verkümmerten Schwingkreis mit sehr geringer Kapazität und sehr geringer Induktivität. Solch einen Schwingkreis nennt man Hertzschen Dipol. Heinrich Hertz war der erste Forscher der mit solch einem Dipol elektromagnetische Wellen erzeugen konnte. Bringt man einen zweiten Dipol in das Feld des ersten (Sender) so wird dieser (Empfänger) zum schwingen angeregt. Moduliert man die elektromagnetischen Wellen, so kann man damit Informationen übertragen (Radio, Fernsehen, Mobil Telefone). Heinrich Rudolph Hertz ( )

33 Ausbreitung elektromagnetischer Wellen von einem Dipol aus In dem Bild sind die Feldlinien des elektromagnetische Feldes dargestellt, die sich um einen Hertzschen Dipol bilden, ablösen und in den Raum hinauswandern. Die vom Dipol abgelösten Wellen halten sich durch gegenseitige Induktion aufrecht.

34 Eigenschaften Elektromagnetischer Wellen Dem Physiker Maxwell ( ) ist es gelungen, die Phänomene elektrische und magnetische Felder in einem weitreichenden Gleichungssystem den Maxwelschen Gleichungen miteinander zu verknüpfen. Mit diesen mathematischen Gleichungen konnte er voraussagen, dass wandernde Magnetfelder wandernde elektrische Felder zur Folge haben, und umgekehrt. Dadurch halten sich die beiden Feldarten gegenseitig am Leben; die elektromagnetische Welle kann sich also immer weiter ausbreiten, auch wenn der Dipol schon gar nicht mehr schwingt. Maxwell hatte damit schon die Existenz Elektromagnetischer Wellen vorhergesagt, bevor sie H. Hertz Jahre später experimentell im Labor erzeugen konnte. Dies ist ein glänzender Beweis für die fruchtbare Zusammenarbeit von Physik und Mathematik. James Clark Maxwell ( )