Learn4Vet. Magnete. Man kann alle Stoffe in drei Klassen einteilen:

Transkript

1 Magnete Die Wirkung und der Aufbau lassen sich am einfachsten erklären mit dem Modell der Elementarmagneten. Innerhalb eines Stoffes (z.b. in ein einem Stück Eisen) liegen viele kleine Elementarmagneten ungeordnet. Durch einen Permanentmagneten oder ein durch Strom erzeugtes Magnetfeld kann man die Elementarmagneten ordnen und den Stoff magnetisieren. Man kann alle Stoffe in drei Klassen einteilen: unmagnetische Stoffe: Die Elementarmagnete lassen sich nicht ordnen, der Stoff hat nie magnetische Eigenschaften (z.b. Holz). ferromagnetische Stoffe: In diesen Stoffen lassen sich die Elementarmagneten für kurze Zeit ordnen, dann hat der Körper ein magnetisches Feld (z.b. Eisen). Nach einer geringen Zeit verschwindet die magnetische Wirkung wieder. Metalle dieser Gruppe werden für Elektromagneten eingesetzt. permanenter Magnetismus: Diese Gruppe lässt sich dauerhaft magnetisieren (z.b. Stahl) Eingesetzt werden die Eigenschaften der ferromagnetischen Stoffe vor allem bei Spulen. Fließt Strom durch eine Spule entsteht ein großes magnetisches Feld. Man kann dieses Feld gut verstärken indem man die Spule mit einem Eisenkern ausfüllt. Die Elementarmagnete darin werden geordnet und der Eisenkern bekommt eine eigenes Magnetfeld, welches das der Spule verstärkt. So werden Elektromagnete aufgebaut, die heute in vielen Bereichen eingesetzt werden (z.b. Medizin, Mülltrennung, Bewegung schwerer Metallobjekte in der Industrie).

2 Magnetismus kann zerstört werden durch: Learn4Vet hohe Temperaturen (ab ca. 700 C verlieren die Elementarmagnete durch die hohe kinetische Energie ihre Ordnung) Erschütterungen falsche Aufbewahrung (negativer zu negativer Pol und positiver zu positiver Pol, zerstört die Ordnung der Elementarmagnete) 4.3 Elektromagnetische Induktion Nachdem man herausgefunden hatte, dass Strom und ein permanentes Magnetfeld Bewegung erzeugen können, stellten sich Physiker die Frage ob durch Bewegung und ein Magnetfeld auch Strom erzeugt werden könnte. Ungefähr 1880 wurden die ersten Generatoren, die Strom erzeugen konnten gebaut (Grundlage unserer heutigen Stromerzeugung). Die einfachste Art einer elektromagnetisches Induktion (Stromerzeugung) ist eine Leiterschleife, die in einem Magnetfeld gedreht wird. Zwischen den Magneten im Bild verlaufen magnetische Feldlinien (natürlich auch 3-D in die Tiefe). Dreht man nun die Leiterschleife um die eigene Achse, ändert sich die Anzahl der Feldlinien, die durch die Leiterschleife verlaufen. Dadurch wird in der Leiterschleife Strom induziert.

3 In der Realität wird keine einzelne Leiterschleife verwendet, sondern große Spulen. Aus technischen Gründen ist in heutigen Generatoren die Spule fest montiert und die Magneten drehen sich. U: induzierte Spannung N: Anzahl der Windungen der Spule v: Geschwindigkeit mit der sich die Spule(n)/Magneten drehen B: Stärke des Magnetfeldes Die gebräuchlichere Formel für die induzierte Spannung lautet: dφ: des dt: Änderung des magnetischen Flusses (Abhängig von der Spule und der Stärke Magnetfeldes) Änderung der Zeit Das negativer Vorzeichen muss laut der Lenz schen Regel in der Formel enthalten sein, da der induzierte Strom in die entgegengesetzte Richtung der Bewegung fließt. Wäre das nicht so, hätte man ein Perpetuum Mobile. 4.4 Gleichstrom - Wechselstrom Bei Gleichspannung gibt es im Stromkreis einen Plus- und einen Minuspol. Die Elektronen fließen gleichmäßig vom Minus- zum Pluspol. Man kann daher den Minuspol als einen Speicher von negativen Ladungen beschreiben. Durch die Wanderung von Elektronen können zum Beispiel Taschenlampen betrieben werden.

4 Da Strom in Generatoren aber durch eine Drehbewegung entsteht, bei der je nach Stellung der Spule (oder Leiterschleife aus der Grafik weiter vorne) zu den Magneten, verschieden viele Feldlinien durch die Spule durchgehen, wird nicht konstant gleich viel Spannung induziert. Die tatsächlich produzierte Spannung gleicht einer Sinuskurve. 1) Amplitude (hier die maximale Spannung) 2) maximaler Unterschied 3) effektive Spannung Periodendauer (so lange braucht die Leiterschleife für eine Umdrehung.) Der Strom, den wir aus der Steckdose bekommen, hat eine Frequenz von 50 Hz, also 50 volle Umdrehungen der Leiterschleife und dementsprechend 100 Richtungswechsel pro Sekunde. Die maximale Spannung beträgt 325V. Weil die maximale Spannung nur den Spitzenwert angibt, rechnet man immer einen "Effektiv- Wert" aus mit der Formel: So kommt man auf die bekannten 230V aus der Steckdose. Im Alltag wird immer der Effektiv-Wert angegeben. Nach dem gleichen Schema kann man den Effektiv-Wert der Stromstärke ausrechnen: Die Leistung einer Wechselspannung gibt man als Produkt der Effektiv-Werte an:

5 Im Alltag hat sich die Wechselspannung durchgesetzt, weil man sie einfach transformieren und damit ohne große Verluste über weite Strecken transportieren kann. Transformator (Traffo) Mithilfe eines Transformators kann man die Spannung des Stroms verändern. Er besteht im Prinzip aus zwei Spulen mit unterschiedlich vielen Windungen. Fließt durch die erste Spule Strom, entsteht ein Magnetfeld, das in der zweiten Spule auch Spannung induziert. Die Spannungen haben zueinander das gleiche Verhältnis wie die Windungszahlen der beiden Spulen (U 1 : U 2 = N 1 : N 2 ). Sind in der zweiten Spule mehr Windungen als in der ersten, erhält man eine höhere Spannung und umgekehrt. Der Strom, der durch die erste Spule fließt, hat eine Spannung von 230V. Die erste Spule hat 50 Windungen, die zweite Der Strom, der in der zweiten Spule induziert wird hat V. Man verwendet so hohe Spannungen für den Transport von Strom, weil die Verluste indirekt proportional zur Spannung sind. Ist die Spannung also 100 Mal so groß, sind die Verluste nur ein Hundertstel.