Spannung durch Induktion

Präsentation zum Thema: "Spannung durch Induktion"—  Präsentation transkript:

1 Spannung durch Induktion

2 Stromdurchflossener Leiter im Magnetfeld
(Wiederholung) - + Als Folge der Lorentzkraft auf bewegte Ladungen erfährt der Leiter eine Kraftwirkung (elektromotorische Kraft). (Effekt von Ch. Oersted 1820) v Magnetfeld FL Kraftwirkung auf den Leiter Elektronenbewegung

3 Bewegter Leiter im Magnetfeld
U Wird ein metallischer Leiter in einem Magnetfeld durch eine äußere Kraft bewegt, so werden damit auch die in ihm enthaltenen Ladungen bewegt. (M. Faraday 1831) Durch die senkrecht zum Magnetfeld bewegten Ladungen werden diese auf Grund der Lorentzkraft längs des Leiters verschoben. Es entsteht eine Spannung zwischen den Leiterenden; die sog. Induktionsspannung Uind

4 Induktion im bewegten Leiter
Die Bewegungsrichtung der Elektronen, kann mit der „UVW-Regel“ bestimmt werden. U Kraft auf die Ladungsträger Magnetfeld FL v Leiterbewegung Die „Ursache“ ist hier nicht die Stromrichtung längs des Leiters, sondern die Leiterbewegung. Denn: Leiterbewegung ist Ladungsbewegung!

5 Drehung einer Leiterschleife im Magnetfeld
- Drehung durch äußere Krafteinwirkung - Elektronenfluss im Leiter (nach Linke-Hand-Regel) Anschluss eines Verbrauchers: + - - + + - + -

6 Wechselstromgenerator
(rotierende Leiterschleife im Magnetfeld) Animation: ; Diagramm: Natur und Technik Physik 10I (Realschule Bayern); Cornelsen Verlag, Berlin; 2004; S. 52

7 Gleichstromgenerator
Die Wechselspannung kann durch einen Kommutator in eine pulsierende Gleichspannung umgeformt werden. Animation: Diagramm: Natur und Technik Physik 10I (Realschule Bayern); Cornelsen Verlag, Berlin; 2004; S. 52

8 Generatoren Innenpolgenerator Außenpolgenerator
Innenpolgeneratoren werden als Erregermaschinen für Außenpolgeneratoren verwendet. Beim Außenpolgenerator bewegt sich die Induktionsspule zwischen den Polen eines Magneten. Die Schleifringe können durch Funkenbildung beschädigt werden. Bild links unten: Diese Datei ist lizenziert unter der Creative-Commons-Lizenz Namensnennung-Weitergabe unter gleichen Bedingungen 2.0 Deutschland; Urheber: Steffen Kuntoff; u.a. veröffentlicht auf Sonstige:

9 Induktion in Spulen Ursächlich für die Induktionsspannung ist die
Abb. links: Natur und Technik Physik 10I (Realschule Bayern); Cornelsen Verlag, Berlin; 2004; S. 36 Ursächlich für die Induktionsspannung ist die Relativbewegung zwischen Spule und inhomogenem Magnetfeld.

10 So funktioniert ein Fahrradtachometer
Spule Magnet Ein an der Speiche befestigter Magnet induziert bei jeder Umdrehung eine kurze Spannung im Empfänger an der Vorderradgabel (Spule!). Damit kann der Computer jede Umdrehung zählen. Die Strecke und die Geschwindigkeit müssen errechnet werden.

11 Induktion im ruhenden Leiter

12 Induktion im ruhenden Leiter
1. Bewegung des Permanentmagneten in Bezug zur Induktionsspule Bewege den Permanentmagneten wie in der Skizze dargestellt (einmal schnell, einmal langsam) aus den 3 Richtungen auf die Spule (N = 2000) zu bzw. von ihr weg. Wovon hängen Betrag und Polarität der beobachteten Spannung ab? Beschreibe möglichst genau! b) Kann die entstehende Induktionsspannung mit der Lorentzkraft erklärt werden?

13 Induktion im ruhenden Leiter

14 Induktion im ruhenden Leiter
2. Bewegung von Feldspule gegenüber Induktionsspule Anstelle des Permanentmagneten wird ein Elektromagnet (Feldspule mit N = 500) verwendet. Die Feldspule wird mit einer Spannung von ca. 12 V aus dem Netzgerät versorgt. Bewege nun die Feldspule (einmal mit, einmal ohne Eisenkern) so wie in Aufgabe 1 auf die Induktionsspule zu. Unterscheiden sich die Beobachtungen prinzipiell von den Beobachtungen bei Aufgabe 1? Kann das Auftreten der Induktionsspannung mit der Lorentzkraft erklärt werden?

15

16 Elektrische Zahnbürste
U2=5V U1=230V

17 Transformator Der Wechselstrom in der Primärspule erzeugt ein magnetisches Wechselfeld im Eisenkern. Das sich ändernde Magnetfeld induziert in der Sekundärspule eine Wechselspannung. Weshalb kann man einem Transformator nicht mit Gleichspannung betreiben?

18 Transformator (Handy-Ladegerät)

19 Transformator (Handy-Ladegerät)

20 Transformator Primärspule 500 Windungen Sekundärspule 1000 Windungen

21 Transformator eines Umspannwerks

22 Vom Kraftwerk zum Haushalt Verteilung der elektrischen Energie

23 Wirbelstrombremse Shinkansen

24 Wirbelstrombremse ICE

25 Die durch Induktion auftretende Größe
Lenz´sche Regel Die durch Induktion auftretende Größe (egal ob Magnetfeld, Spannung oder Strom) ist stets so gerichtet, dass sie ihrer Entstehungsursache entgegenwirkt. 25 25

26 entstehende Magnetfeld seiner Entstehungsursache entgegenwirkt.
Lenz´sche Regel „Abstoßung der Felder“ S N N S „Mitnahme der Felder“ Der Induktionsstrom (Wirbelstrom) ist stets so gerichtet, dass das durch ihn entstehende Magnetfeld seiner Entstehungsursache entgegenwirkt. 26 26

27

28 Induktionstaschenlampe

29 Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule

30 Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule
Vergleich Spule - Stabmagnet Im Außenbereich: Magnetfeld gleich Im Innenbereich: Homogenes Feld bzw. geordnete Elementarmagnete

31 Magnetfeld eines geraden Leiters
Christian Oerstedt: Ein elektrischer Gleichstrom erzeugt ein Magnetfeld! Die Richtung des Magnetfeldes wechselt mit der Stromrichtung, die Stärke nimmt proportional zum Abstand ab. Die Magnetfeldlinien sind geschlossen. Faustregel: Wenn der Daumen in Richtung der technischen Stromrichtung zeigt, weisen die Finger einer leicht geöffneten Faust in Richtung der kreisförmigen Feldlinien. - +

32 Magnetfeld des elektrischen Stroms
Das Magnetfeld eines geraden Leiters zeigt geschlossene konzentrische Kreise.

33 Magnetfeld des elektrischen Stroms
Wie sieht das Magnetfeld dieses stromdurchflossenen Leiters aus? Wo ist der Nordpol, wo der Südpol? Technische Stromrichtung Das Magnetfeld eines geraden Leiters zeigt geschlossene konzentrische Kreise. Richtung in diesem Fall: im Uhrzeigersinn. Dieses Magnetfeld hat keine Pole!

34 Magnetfeld einer Leiterschleife
Erkläre das Magnetfeld! Gibt es hier Nord- und Südpol?

35 Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule
Was lässt sich über das Feld im Inneren der Spule sagen? Im Inneren einer stromdurchflossenen Spule sind die Feldlinien parallel zur Spulenachse. Es herrscht ein homogenes Feld. Gibt es hier Nord- und Südpol?

36 Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule
Im Inneren einer stromdurchflossenen Spule sind die Feldlinien parallel zur Spulenachse. Es herrscht ein homogenes Feld.

37 Magnetfeld des elektrischen Stroms
Im Inneren einer Spule ergibt sich ein nahezu homogenes Feld, im Außenbereich schließen sich die Feldlinien.

38 Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule
Vergleich Spule - Stabmagnet Im Außenbereich: Magnetfeld gleich Im Innenbereich: Homogenes Feld bzw. geordnete Elementarmagnete

39 Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule

40 Das magnetische Feld Es gibt keine magnetischen Ladungen.
Ein Stabmagnet ist aus elementaren magnetischen Dipolen aufgebaut, die alle in die gleiche Richtung zeigen. Es existiert ein magnetisches Feld, das durch Magnetisierung des Eisens hervorgerufen wird. Die Magnetisierung geschieht durch Ausrichtung der atomaren magnetischen Dipole.

41 Elektromagnete – schulfilm Physik

42

43

44 Die Leiterschaukel im Magnetfeld
Homogenes Feld S Hufeisenmagnet

45 Die Lorentzkraft

46

47

48

49 Prinzip des Elektromotors
Lorentzkräfte auf Leiterschleife im Magnetfeld Lorentzkräfte linksdrehend Kein Drehmoment Totpunkt Lorentzkräfte rechtsdrehend

50 Prinzip des Elektromotors
Leiterschleife mit Kommutator (Polwender) Stromrichtung im Uhrzeigersinn Totpunkt kein Strom Stromrichtung gegen Uhrzeigersinn

51 Technische Realisierung des Elektromotors
Spule mit vielen Windungen Eisenkern (Doppel-T-Anker) Hufeisenmagnet durch Elektromagneten ersetzen Trommelanker (mehrere Leiterschleifen gegeneinander verdrehen)

52 Der Dreifach-T-Anker Vorteil: Kein Totpunkt. Der Motor läuft aus jeder Position von alleine los.

53 Technische Realisierung des Elektromotors
Spule mit vielen Windungen Eisenkern (Doppel-T-Anker) Hufeisenmagnet durch Elektromagneten ersetzen Trommelanker (mehrere Leiterschleifen gegeneinander verdrehen)

54

55 Lorentzkraft auf freie Elektronen

56 Lorentzkraft auf freie Elektronen
Auf ein bewegtes Elektron wirkt im Magnetfeld eine Kraft – die Lorentzkraft Die Richtung der Lorentzkraft ergibt sich durch die 3-Finger-Regel der linken Hand!

57 Lorentzkraft auf freie Elektronen