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Elektromagnetische Induktion Wichtiges Grundwissen für den Lehramtsstudierenden der Haupt- und Realschule Universität Augsburg Didaktik der Physik 1.

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Präsentation zum Thema: "Elektromagnetische Induktion Wichtiges Grundwissen für den Lehramtsstudierenden der Haupt- und Realschule Universität Augsburg Didaktik der Physik 1."—  Präsentation transkript:

1 Elektromagnetische Induktion Wichtiges Grundwissen für den Lehramtsstudierenden der Haupt- und Realschule Universität Augsburg Didaktik der Physik 1

2 Stromdurchflossener Leiter im Magnetfeld Als Folge der Lorentzkraft auf bewegte Ladungen erfährt der Leiter eine Kraftwirkung. U V W 2 Elektronenbewegung Kraftwirkung auf den Leiter (Wiederholung)

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. Durch die senkrecht zum Magnetfeld bewegten Ladungen werden diese auf Grund der Lorentzkraft längs des Leiters verschoben. 3 Es entsteht eine Spannung zwischen den Leiterenden; die sog. Induktionsspannung

4 Induktion im bewegten Leiter V U 4 (Kraft-)Wirkung auf die Ladungsträger Die Bewegungsrichtung der Elektronen, kann mit der UVW-Regel bestimmt werden. W Die Ursache ist hier nicht die Stromrichtung längs des Leiters, sondern die Leiterbewegung. Denn: Leiterbewegung ist Ladungsbewegung! U Ursache = Ladungsbewegung

5 Modell der Stromleitung (nach dem Bohr´schen Atommodell) In metallischen Leitern sind die Atome regelmäßig angeordnet; sie haben relativ leicht abspaltbare Elektronen in der äußeren Schale, die von einem Atom zum nächsten diffundieren können. (Cu: 1 Elektron auf der N-Schale; Ag: 1 Elektronen auf der O-Schale) Man spricht hier auch von einem Elektronen-Strom. 5

6 - + Drehung einer Leiterschleife im Magnetfeld - Drehung durch äußere Krafteinwirkung - Elektronenfluss im Leiter (UVW-Regel der linken Hand) V (Zeigefinger) W ( Mittelfinger) U (Daumen) V W U Anschluss eines Verbrauchers: +- 6

7 Induktion in Spulen Ursächlich für die Induktionsspannung ist die Relativbewegung zwischen Spule und Magnet. U 7

8 Lenz´sche Regel 8 Die durch Induktion auftretende Größe (egal ob Kraft, Spannung, Strom, oder Magnetfeld) ist stets so gerichtet, dass sie ihrer Entstehungsursache entgegenwirkt.

9 Lenz´sche Regel Der Induktionsstrom ist stets so gerichtet, dass das durch ihn entstehende Magnetfeld seiner Entstehungsursache entgegenwirkt. 9 Abstoßung der Felder Mitnahme der Felder SNNS In Schulbüchern steht meist:

10 Induktion im bewegten Leiter W V U I 10 (entgegen der Ursache) (Kraft-)Wirkung FaFa FLFL Ersetzt man beim Leiterschaukelversuch von Folie 4 den Spannungsmesser durch ein Amperemeter, so kann im Leiterkreis ein Strom fließen sobald man mit einer äußeren Kraft F a an ihm zieht. Elektronen- fluss (Lenz´sche Regel)

11 Selbstinduktion - Einschaltvorgang 24V – Beim Einschalten leuchtet das mit der Spule in Reihe geschaltete Lämpchen erst später auf. 0 I L1 I ind I t I L2 Das sich aufbauende Magnetfeld der Spule hat einen Induktionsstrom zur Folge, was (nach der Lenz´schen Regel) dazu führt, das der Strom durch die Spule nur langsam ansteigt. L1L2 11

12 Selbstinduktion – Ausschaltvorgang (1) 24V – Beim Ausschalten bricht das Magnetfeld der Spule zusammen. Die an den Spulenanschlüssen auftretende Induktionsspannung wirkt jetzt in Richtung des ursprünglichen Stroms und verzögert das Abnehmen des Stroms durch die Lampe. 0 I t 12

13 Selbstinduktion – Ausschaltvorgang (2) 24V – 0 U0U0 U ind U t Wenn der Strom nicht über einen Parallelzweig abfließen kann, so kann beim Ausschalten ein Abreißfunken entstehen. 13

14 Wechselstromgenerator (rotierende Leiterschleife im Magnetfeld) 14

15 Gleichstromgenerator Die Wechselspannung kann durch einen Kommutator in eine pulsierende Gleichspannung umgeformt werden. 15

16 Generatoren InnenpolgeneratorAußenpolgenerator Außenpolgeneratoren werden heute fast nur noch als Erregermaschinen für Innenpolgeneratoren verwendet. Beim Außenpolgenerator bewegt sich die Induktionsspule zwischen den Polen eines Magneten. Die Schleifringe können durch Funkenbildung beschädigt werden. 16

17 Wirbelströme Kraftwerksgeneratoren haben Wirkungsgrade von bis zu 98%. Um dies zu erreichen, werden z. B. die Wirbelströme durch lamellenartige Bleche klein gehalten. Ein anwachsendes Magnetfeld induziert im Eisenkern der Stator- oder Rotorwicklung eine Spannung, in deren Folge ein Wirbelstrom entsteht, dessen Magnetfeld gegen das ursächliche Magnetfeld wirkt. Man nennt sie Wirbelströme, da die Induktionsstromlinien wie Wirbel in sich geschlossen sind und keine festen Bahnen haben. 17

18 Grundprinzip des Transformators (1) Zwei Spulen stehen einander gegenüber, sind aber nicht leitend miteinander verbunden. Die Spule 1 (Primär-, Feldspule) kann ein Magnetfeld aufbauen, wenn sie von einem Strom durchflossen wird. Dieses Magnetfeld durchsetzt auch Spule 2 (Sekundär,- Induktionsspule) und kann in ihr eine Spannung induzieren. (1) Ist der Schalter geöffnet, fließt kein Strom. (2) Der Schalter wird geschlossen: Spule 1 baut ein Magnetfeld auf; dieses zunehmende Magnetfeld durchsetzt auch Spule 2. In Spule 2 entsteht eine Induktionsspannung. (3) Das Magnetfeld in Spule 1 ist voll aufgebaut und ändert sich nicht mehr. In Spule 2 ändert es sich ebenfalls nicht. keine Induktionsspannung (4) Der Schalter wird geöffnet. In Spule 1 und 2 nimmt das Magnetfeld ab. Es entsteht wieder eine Induktionsspannung. 18

19 Grundprinzip des Transformators (2) Ein Eisenkern in der Feldspule verstärkt die Feldänderung. Beim Auf- und Abbau des Magnetfeldes werden die Elementarmagnete im Eisenkern ausgerichtet und verstärken so die Änderung des Gesamtfelds der Spule. Dadurch ändert sich auch das Feld in Spule 2 stärker, was wiederum eine größere Induktionsspannung ergibt. Spule 2 19 Ein zusätzlicher Eisenkern in Spule 2 würde die Feldänderung noch mehr verstärken.

20 Grundprinzip des Transformators (3) Zwei Spulen auf einem Eisenkern = Transformator Besonders gut wird der Effekt, wenn Spule 1 und Spule 2 einen Eisenkern tragen und dieser geschlossen wird. Die ringförmigen magnetischen Feldlinien verlaufen dann vollständig im Eisenkern. Eine solche Anordnung nennt man einen Transformator. Für einen Transformator gilt: Windungszahlverhältnis: U 1 · I 1 = η · U 2 · I 2 Energieübertragung: U 1 N 1 U 2 N 2 =n = 20

21 Hochspannungsübertragung Verringerung der Leitungsverluste durch Hochspannung P G = 110 MW P L = 110 MW P V = 110 MW U G = 22 kV U L = 220 kV U V = 220 V I G = 5000 A I L = 500 A I V = A Leitungswiderstand: R = 0,05 /kmLeitungsverlust: P th = R I² P th = 12,5 kW/km Für 50km Leitungslänge: P th = 625 kW 0,6% von P L mit U L = 22 kV gerechnet: P th = 62,5 MW 60% von P L I = P/U 21

22 Hochspannungstransformator 230V ~ 600 Windungen Windungen Zündanlage eines PKW: 22 2mm

23 Hochstromtransformator => Der Nagel glüht auf und schmilzt durch. Arbeit mit vergleichsweise geringen Spannungen: Sekundärseitig fließen sehr viele Ladungen. => Reibungswärme Solche Hochstrom- transformatoren werden beim Schweißen oder Schmelzen von Metallen eingesetzt. 23 Wasser kocht, Metall schmilzt.


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