R. rinkmann http://brinkmann-du.de eite 1 26.11.2013 Verhalten eines Leiters im Magnetfeld Kraftwirkungen im Magnetfeld. Gleichnamige Magnetpole stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an. Im Magnetfeld sind Kräfte wirksam. Auf Kraftwirkungen im Magnetfeld beruhen viele technische Anwendungen des Magnetismus. Elektromotoren, chütze, und Relais sind nur einige eispiele hierfür. Kraftwirkung auf einen stromdurchflossenen Leiter. Versuch Leiterschleife in das Magnetfeld eines Hufeisenmagneten bringen und von einem tromstoß durchfließen lassen - + L L Auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld wird eine Kraft ausgeübt. Die Erklärung dieses achverhalts ist einfach. Ein stromdurchflossener Leiter hat ein konzentrisches Magnetfeld, dessen Richtung mit Hilfe der rechten austregel (Rechtsschraubenregel) bestimmt werden kann. Die Magnetfelder von Dauermagnet und Leiter überlagern sich derart, dass links vom Leiter eine eldschwächung und rechts vom Leiter eine eldverstärkung auftritt. Links vom Leiter haben die eldlinien beider Leiter entgegengesetzte Richtung, rechts vom Leiter gleiche Richtung (daher die eldverstärkung). Der Leiter wird in Richtung der eldschwächung abgedrängt. Im eldlinienmodell haben eldlinien das estreben, sich zu verkürzen. Eine Verkürzung der eldlinien führt zu einer Leiterbewegung nach links. Wenn die eldlinien senkrecht zum Leiter verlaufen, ist die Kraft abhängig von: - der lussdichte des Dauermagneten - der tromstärke I im Leiter - der Leiterlänge L im Magnetfeld Erstellt von R. rinkmann ph09_12 02.09.2007 21:48 eite 1 von 8
R. rinkmann http://brinkmann-du.de eite 2 26.11.2013 Als Gleichung geschrieben: Vs VAs Ws = L I = A m 2 m = m = m = Die magnetische lussdichte gibt Auskunft über die tärke des magnetischen eldes. Die Einheit der lussdichte ist Vs/m 2 Man schreibt: [] = Vs/m 2. ür die Kraftwirkung gilt erneut eine Rechtsschraubenregel: I Wird die Richtung des tromes auf kürzestem Weg in Richtung der eldlinien gedreht, so gibt der Vorschub der Rechtsschraube die Kraftrichtung an. Kraftwirkung zwischen stromdurchflossenen Leitern. Versuch Zwei stromdurchflossene Leiter in Abhängigkeit von der tromrichtung untersuchen I 1 1 I1 I 2 r r I 2 1 L Je nach tromrichtung wirken zwischen stromdurchflossenen Leitern Anziehungsoder Abstoßungskräfte. ür zwei im Abstand r parallel geführte Leiter gelten folgende Gesetzmäßigkeiten: Der Leiter 1 umgibt sich mit einem Magnetfeld der lussdichte μ0 I1 1 = 2 π r 1 = lussdichte von Leiter 1 6 Vs μ 0 = 1, 256 10 magnetische Am eldkonstante oder Permeabilität. I 1 = trom im Leiter 1 r = Abstand vom Leiter 1 Erstellt von R. rinkmann ph09_12 02.09.2007 21:48 eite 2 von 8
R. rinkmann http://brinkmann-du.de eite 3 26.11.2013 ür die magnetische lussdichte 1 gilt im Mittelpunkt des Leiters 2, also im Abstand r vom Leiter 1 : μ0 I1 1 = 2 π r Wird der zweite Leiter ebenfalls von einem trom durchflossen, so befindet sich ein stromdurchflossener Leiter (I 2 ) in einem Magnetfeld 1. Auf den Leiter 2 wird die Kraft = 1 I 2 L ausgeübt. Damit ergibt sich die Gleichung μ0 I1 I2 L = 2π r Die gleiche Kraft wird auf den Leiter 1 ausgeübt. Diese Gleichung wird als Amperesches Gesetz bezeichnet. Die Kraftrichtung ist abhängig von den tromrichtungen in den Leitungen. I 1 I 2 I I 1 2 ei parallelem tromfluss ziehen beide Leiter sich gegenseitig an. ei antiparallelem tromfluss stoßen die beiden Leiter sich voneinander ab. eispiel chaltschrank. Zwei 10 m lange tromschienen werden vom trom I = 100 A in entgegengesetzter Richtung durchflossen. Der tromschienenabstand beträgt 10 cm. Welche Kraft wird auf die tromschienen ausgeübt? gegeben : I = I = 100A, l = 10m, a = 10 cm 1 2 gesucht : I1 I2 6 100 A 100 A 1 =μ0 l = 1, 256 10 10 m = 1, 256 = 0, 2 2π a 2π 0,1m 1π Erstellt von R. rinkmann ph09_12 02.09.2007 21:48 eite 3 von 8
R. rinkmann http://brinkmann-du.de eite 4 26.11.2013 Definition der tromstärke 1 A auf chemischem Wege A elektrischer Leiter Elektrischer trom: Die Anzahl der Elektronen, die pro ekunde durch den Querschnitt eines Leiters fließen, sind ein Maß für die Größe des elektrischen troms. Da wir die Anzahl der Elektronen nicht zählen können, brauchen wir eine eindeutige Messvorschrift. Die Einheit der elektrischen Ladung ist 1 Coulomb (1 C ). 18 1 Coulomb ist die Ladung von 6 10 Elektronen. Die elektrische tromstärke ist definiert als Ladung/Zeit. tromstärken werden in Ampere gemessen. Q 1C I = 1A = 1C = 1As t s Durch einen Leiter fließt genau dann ein trom von 1A, wenn durch den Leiterquerschnitt etwa 6 Trillionen Elektronen pro ekunde fließen. rage: Wie viel ist 1A? Wie wird die Maßeinheit quantitativ festgelegt? rüher benutzte man elektrochemische Verfahren zur eststellung der Einheit 1A Das heißt, der trom 1A erzeugt pro ekunde etwa 1/5 cm 3 Knallgas. Diese Methode ist für heutige Verhältnisse zu ungenau. Erstellt von R. rinkmann ph09_12 02.09.2007 21:48 eite 4 von 8
R. rinkmann http://brinkmann-du.de eite 5 26.11.2013 Die Definition der tromstärke 1 A auf elektromechanischem Wege Kraftmesser I=1A r = 1m = 210 7 Heute benutzt man die Anziehungskraft zwischen zwei parallelen stromdurchflossenen Leitern. I=1A L= 1m Definition 1 Ampere ist die tärke eines zeitlich konstanten elektrischen tromes, der durch zwei im Vakuum parallel im Abstand von 1 m von einander angeordnete, geradlinige, unendlich lange Leiter von vernachlässigbar kleinem kreisförmigen Querschnitt fließend, zwischen diesen Leitern je 7 Meter Leiterlänge die Kraft = 2 10 hervorrufen würde. erechnungsbeispiel: Kraftwirkung zwischen zwei parallelen stromdurchflossenen Leitern, die sich in einem Abstand von 1 m voneinander befinden und von einem trom der tärke 1 A durchflossen werden. gegeben: I = I = 1A, L = 1m, gesucht: 1 2 I1 I2 6 Vs 1A 1A =μ0 L = 1,256 10 1m 2π a Am 2π 1m 11 6 Vs A A 6 Ws 7 = 1,256 1 10 m = 0,2 10 = 2 10 2π 1 Am m m Erstellt von R. rinkmann ph09_12 02.09.2007 21:48 eite 5 von 8
R. rinkmann http://brinkmann-du.de eite 6 26.11.2013 Das Drehspulmessgerät Versuch Drehspule im Magnetfeld. Was geschieht, wenn wir trom durch die pule leiten?. ließt trom durch die pule, so wird diese magnetisch. ie hat dann einen ordpol und einen üdpol. Der üdpol der pule wird vom ordpol des Magneten angezogen. Der ordpol der pule wird vom üdpol des Magneten angezogen. Die pule dreht sich. Der Draht, an dem die pule hängt, möchte diese wieder in die Ausgangslage zurückdrehen. Je stärker der trom, desto größer die Drehung. Das ist das Grundprinzip eines trommessgerätes. Da sich im Magnetfeld des Hufeisenmagneten eine pule dreht, heißt ein solches Messgerät Drehspulmessgerät. ei einem Drehspulmessgerät wird der trom der pule über zwei edern zugeführt. ließt trom durch die pule, so verdreht sie sich. Dabei wird die eder gespannt. An der pule ist ein Zeiger angebracht, der die Größe des tromes anzeigt. Merke Eine Drehspule reagiert nur auf Gleichstrom. ei Wechselstrom ändern sich die Pole der pule ständig. Es erfolgt keine Drehung. Erstellt von R. rinkmann ph09_12 02.09.2007 21:48 eite 6 von 8
R. rinkmann http://brinkmann-du.de eite 7 26.11.2013 Das Magnetfeld einer pule ist umso stärker, je größer der trom in ihr ist. Dies nutzt man für Messgeräte aus. eim Drehspulinstrument wird eine pule im eld eines Dauermagneten verdreht. Die Drehung erfolgt gegen piralfedern. Elektromotor mit Dauermagnet. + - + - + - + - Ein einfacher Elektromotor besteht aus einem Dauermagneten, einem Läufer mit Wicklung und einem tromwender mit ürsten. Die Wicklung kann sich nur dann drehen, wenn der trom im richtigen Moment umgeschaltet wird. Diese Umschaltung erfolgt durch den tromwender, auch Kommutator genannt. unktionsprinzip: Zwischen den Polen eines Dauermagneten dreht sich eine stromdurchflossene pule. Der trom in dieser wird durch den tromwender so gesteuert, dass magnetische Kräfte den Läufer immer in derselben Richtung antreiben. Um starke Motoren zu erhalten, füllt man die pule mit Eisen aus. Erstellt von R. rinkmann ph09_12 02.09.2007 21:48 eite 7 von 8
R. rinkmann http://brinkmann-du.de eite 8 26.11.2013 Gleich- und Allstrommotor. etz etz M eld M eld Motoren, die für Gleich - und Wechselstrom geeignet sind, erhalten keinen Dauermagneten. Dieser wurde durch einen Elektromagneten ersetzt. eim Richtungswechsel des tromes vertauschen sich deshalb zugleich die Läuferpole und die eldpole. Die Drehrichtung bleibt erhalten. Versieht man solche Motoren außerdem mit einem Trommelläufer mit vielen Magnetsegmenten, so hat der Motor keinen Totpunkt und läuft sehr ruhig. Erstellt von R. rinkmann ph09_12 02.09.2007 21:48 eite 8 von 8