4 Induktion. Worum geht es? Ein veränderliches Magnetfeld (allgemein Änderung von Φ B ) in der Spule,

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1 4 Induktion Worum geht es? Ein veränderliches Magnetfeld (allgemein Änderung von Φ B ) in der Spule, induziert eine Spannung ( Stromfluss U=RI) in der Spule. Caren Hagner / PHYSIK 2 / Sommersemester 2015 Kapitel 4: Induktion / 1

2 4.1 Induktionsgesetz (Faraday): U ind Michael Faraday: Jede Änderung des magnetischen Flusses durch eine Leiterschleife, induziert darin eine elektrische Spannung U. Caren Hagner / PHYSIK 2 / Sommersemester 2015 Kapitel 4: Induktion / 2

3 4.2 Lenzsche Regel Die durch Veränderung magnetischer Flüsse erzeugten Induktionsströme fließen derart, dass ihre eigenen Magnetfelder der Induktionsursache entgegenwirken oder: Die in Leitern induzierten Ströme sind immer so gerichtet, dass sie die Bewegung durch die sie hervorgerufen wurden zu hemmen versuchen. Beispiel: Magnet bewegt sich auf Ring zu Aluring: Dieser Aluring (mit Schlitz!) weicht dem Magneten nicht aus. Denn: Wegen des Schlitzes können keine Wirbelströme fliessen. Bewegt sich vom Magnet weg Caren Hagner / PHYSIK 2 / Sommersemester 2015 Kapitel 4: Induktion / 3

4 Weitere Versuche zu Induktion, Lenzscher Regel & Wirbelströmen Thomsonscher Ringversuch Kugelrennen Waltenhofsches Pendel (Wirbelstrombremse) unmagnetisierte Kugel magnetisierte Kugel Plastikrohr Kupferrohr Beim Einschalten des Stromes durch die Spule wird der Aluring nach oben katapultiert. Ein Ring mit Schlitz zeigt keine Wirkung. Eine nicht magnetisierte Kugel fällt gleich schnell durch beide Rohre. Eine magnetisierte Kugel, erzeugt beim Fallen durch das Kupferrohr Wirbelströme und wird durch die Lenzsche Regel stark gebremst. Lässt man die magnetisierte Kugel durch das Plastikrohr und die unmagnetisierte Kugel durch das Kupferrohr fallen, kommen beide gleichzeitig an. Caren Hagner / PHYSIK 2 / Sommersemester 2015 Kapitel 4: Induktion / 4

5 Weiteres Beispiel für Induktion, Wirbelströme und Lenzsche Regel: Der schwebende Supraleiter Wirbelstrom Supraleiter B ind Magnet B Magnet Caren Hagner / PHYSIK 2 / Sommersemester 2015 Kapitel 4: Induktion / 5

6 Herleitung des Faradayschen Gesetzes bei a) Flussänderung durch Bewegung eines Leiters: Caren Hagner / PHYSIK 2 / Sommersemester 2015 Kapitel 4: Induktion / 6

7 Herleitung des Faradayschen Gesetzes bei b) Flussänderung durch Rotation: Caren Hagner / PHYSIK 2 / Sommersemester 2015 Kapitel 4: Induktion / 7

8 Versuch zum Wechselstromgenerator: Bei Drehung der Kurbel, fließt Wechselstrom Hufeisenmagnet Spule, wird durch Kurbel gedreht Caren Hagner / PHYSIK 2 / Sommersemester 2015 Kapitel 4: Induktion / 8

9 Wechselstromgenerator: Fahrraddynamo Rad dreht sich, -> Magnet dreht sich, -> Magnetfeld in der Spule ändert sich, -> Spannung wird induziert, Strom fliesst. Wenn sich das Rad schneller dreht, ist die Änderung des magnetischen Flusses größer, eine größere Spannung wird induziert, die Lampe leuchtet heller. Caren Hagner / PHYSIK 2 / Sommersemester 2015 Kapitel 4: Induktion / 9

10 Weiteres Anwendungsbeispiel: Induktionsherd Im Topfboden werden durch das magnetische Wechselfeld elektrische Wirbelströme induziert. Gutes Aufheizen des Topfbodens, wenn das Topfbodenmaterial magnetisch hart ist. Im Kochfeld: Spule in der Wechselstrom ( khz) Fließt, erzeugt magnetisches Wechselfeld. Caren Hagner / PHYSIK 2 / Sommersemester 2015 Kapitel 4: Induktion / 10

11 4.3 Selbstinduktion Definition Caren Hagner / PHYSIK 2 / Sommersemester 2015 Kapitel 4: Induktion / 11

12 4.3.2 Ein- und Ausschaltvorgänge in Stromkreisen mit Induktivität (R, L in Reihe) L (Spule) R U 0 Caren Hagner / PHYSIK 2 / Sommersemester 2015 Kapitel 4: Induktion / 12

13 Versuch: Caren Hagner / PHYSIK 2 / Sommersemester 2015 Kapitel 4: Induktion / 13

14 4.3.3 Energie des elektromagnetischen Feldes Caren Hagner / PHYSIK 2 / Sommersemester 2015 Kapitel 4: Induktion / 14

15 4.4 Gegeninduktion Caren Hagner / PHYSIK 2 / Sommersemester 2015 Kapitel 4: Induktion / 15

16 Der Transformator Schaltsymbol Caren Hagner / PHYSIK 2 / Sommersemester 2015 Kapitel 4: Induktion / 16

17 4.6 Der Transformator Spule 1 Spule 2 Eisenkern (geht durch beide Spulen) Caren Hagner / PHYSIK 2 / Sommersemester 2015 Kapitel 4: Induktion / 17

18 Versuch zur Funktionsweise eines Trafos: Durchschmelzen eines Drahtes Caren Hagner / PHYSIK 2 / Sommersemester 2015 Kapitel 4: Induktion / 18

19 Trafo-Anwendung: Induktionsofen Caren Hagner / PHYSIK 2 / Sommersemester 2015 Kapitel 4: Induktion / 19

20 Induktionsofen zur Metallschmelze Caren Hagner / PHYSIK 2 / Sommersemester 2015 Kapitel 4: Induktion / 20

21 Versuch zur Funktionsweise eines Trafos: Erzeugung hoher Spannungen (Entstehung eines wandernden Lichtbogens) Caren Hagner / PHYSIK 2 / Sommersemester 2015 Kapitel 4: Induktion / 21

22 Anwendung: Hochspannungsleitung - Umspannwerk Transformator in Umspannwerk Übertragung elektrischer Leistung P = U I mit Hochspannungsleitung. Die Verluste in der Leitung sind P verlust = R I 2. Damit sie klein sind, sollte I klein sein, d.h. die Spannung muss möglichst hoch sein. Deshalb baut man Hochspannungsleitungen für die Übertragung elektrischer Leistung (typisch V) Haushalt P = U I U 110kV, I klein U 230V, I groß Kraftwerk Umspanntrafo Überlandleitung Umspanntrafo Caren Hagner / PHYSIK 2 / Sommersemester 2015 Kapitel 4: Induktion / 22