Cusanus-Gymnasium Wittlich. Physik Die Induktion. Die Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter

Transkript

1 Die Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter I F B - + I B F

2 Grundversuch 1 zur Induktion lat: inductio -Einführung Bewegt man einen Magneten (ein Magnetfeld) relativ zu einer Spule (zu einem Leiter), dann wird an den Enden der Spule (des Leiters) eine Spannung erzeugt (induziert)!

3 Grundversuch 2 zur Induktion lat: inductio -Einführung Bewegt man einen Leiter relativ zu einem Magnetfeld, dann wird an den Enden des Leiters eine Spannung induziert! v B I

4 Der Generator

5 Der Generator

6 Die sinusförmige Wechselspannung

7 Die Idee zum Elektromotor 1

8 Die Idee zum Elektromotor 2 Statt der Kompassnadel bauen wir eine drehbar gelagerte stromdurchflossene Spule (also einen Elektromagneten) ein.

9 Die Idee zum Elektromotor 3 Jetzt lassen wir den Strom mit abwechselnder Richtung durch die Spule fließen.

10 Die Idee zum Elektromotor 4 (Der Polwender)

11 Der Gleichstromelektromotor Anker (Spule mit Kern) N N S Polwender Kohleschleifkontakte S - +

12 Gleichstromelektromotor -+ Durch den Polwender wird die Stromrichtung in der rotierenden Spule immer so gewählt, dass die Pole des Spulenmagnetfelds richtig entstehen. Der Motor läuft in diesem Fall links herum.

13 Gleichstromelektromotor Drehrichtung Stromrichtung Polwender Spule Magnet F B I I F B

14 Der Transformator

15 Der Transformator Up Us Primärspule I-Kern (Joch) U-Kern Sekundärspule

16 Der unbelastete Transformator I P I S U P U S n P n S n P 300 Primärseite U P [V] Sekundärseite n S 300 U S [V] !

17 Der unbelastete Transformator I P I S U P U S n P n S n P 300 Primärseite U P [V] Sekundärseite n S 300 U S [V]

18 Der unbelastete Transformator I P I S U P U S n P n S Spannungsverhältnisse am unbelasteten Transformator U U S P n n S S S = = P Spannung Spannung P Windungszahl Windungszahl P

19 Der Transformator U U S P = US = 25 U S n n S P = 4000V

20 Ströme am belasteten Transformator I P I S U P U S n P 300 Primärseite I P [A] 0, , , Sekundärseite n S 300 I S [A] 0, , ,

21 Ströme am belasteten Transformator I P I S U P U S I P I S n n s P = p Stromstärke Stromstärke S = Windungszahl Windungszahl s p

22 Hochstrom-Transformator I P I S n s = P P IS = np s I n 20A 75 = = n 8 188A

23 Das Induktionsgesetz B t U i = U i(b,v,l) v l t s + t Vermutung : U i Ui B Ui v Ui l

24 Das Induktionsgesetz Ui B U i Ui v Ui B v l l B [ ] Ui = B v l N m Nm U i = 1 m = 1 = 1V Am s As v l t s + t t U i

25 Das Induktionsgesetz Ui = B v l s = B l t s l = B t = A B t B v U i l A t s + t t

26 A Ui = B t Für die momentane Induktionsspannung gilt damit: U (t) i A (B ) t = lim t 0 = B A i ( t) Das Induktionsgesetz B v U i l A t s + t Das Pr odukt Φ = B A heißt Magnetischer Fluß Φ B = wird deswegenoft alsmagnetische Flußdichte bezeichnet A t

27 t : A = B A + B A U i Cusanus-Gymnasium Wittlich = Φ Das Faradaysche Induktionsgesetz In einer Leiterschleife mit einer Win dung wird eine Spannung induziert, wenn sich der magnetische Fluss in dieser Schleife verändert. U = Φ Φ = B A = B A cosα i B α A Der Flächenvektor A steht senkrecht auf der Fläche und hat einen Betrag der gerade dem Flächeninhalt von A entspricht.

28 U i Cusanus-Gymnasium Wittlich = Φ Das Faradaysche Induktionsgesetz In einer Spule mit n Windungen wird eine Spannung induziert, wenn sich der mag netische Fluss in der Spule verändert. U = n Φ Φ = B A = B A cosα i Hängt auch B von der Zeit ab, dann gilt : Φ = B A = B A + B A Ui = n i(b A + B A)

29 Das Faradaysche Induktionsgesetz In einer Leiterschleife mit 1 Windung wird eine Spannung induziert, wenn sich der magnetis che Fluss in dieser Schleife veränder t. U = Φ Φ = B A= B A cosα i U i Durch die Bewegung des Magneten ändert sich der Fluss in der Leiterschleife mit der Fläche A. D.h. an den Enden entsteht eine Induktionsspannung U i Wie ist diese Spannung gepolt?

30 Induktionsgesetz - Lenzsche Regel U i I Verbinde ich die beiden Enden der Leiterschleife, dann fließt in der Leiterschleife ein Strom I. Dieser Strom muss nun so gerichtet sein, dass das von ihm erzeugte Magnetfeld dem die Induktion erzeugenden Magnetfeld entgegengerichtet ist.

31 t : A = B A + B A Cusanus-Gymnasium Wittlich Induktionsgesetz - Lenzsche Regel

32 Versuch zur Lenzschen Regel V B Ring I Ring + - B Sp I Sp Lenz sche Regel: Eine induzierter Strom erzeugt immer ein Magnetfeld, das dem flusserzeugenden Magnetfeld entgegen gerichtet ist.

33 Der Funkeninduktor Selbstunterbrecher Sekundärspule Primärspule n klein 1 Eisenkern n 2 >100000

34 Einschaltvorgang: I und damit B ändern sich sehr schnell. Die Selbstinduktion I und damit B sind stark positiv. U = n i(b A + B A) i I = n ( µ 0 n ) A l 2 A = ( n µ 0 ) I l B I = µ 0 n l

35 U = n i(b A + B A) i I Die Selbstinduktion I = n ( µ 0 n ) A l 2 A = (n µ 0 ) I l = L U i [L] = 1 = L I A = 1H "Henry " B I = µ 0 n l

36 Die Selbstinduktion B I = µ 0 n l

37 Die Selbstinduktion - +