Elektromagnetische Induktion Wichtiges Grundwissen für den Lehramtsstudierenden der Haupt- und Realschule Bildquelle: Christian Weiss Universität Augsburg Didaktik der Physik

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

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. Es entsteht eine Spannung zwischen den Leiterenden; die sog. Induktionsspannung

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

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“.

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

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 Magnet.

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

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

Induktion im bewegten Leiter (Lenz´sche Regel) I 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 Fa an ihm zieht. V Elektronen- fluss U Fa FL W (Kraft-)Wirkung (entgegen der Ursache)

Selbstinduktion - Einschaltvorgang Beim Einschalten leuchtet das mit der Spule in Reihe geschaltete Lämpchen erst später auf. I IL1 L1 L2 IL2 24V – t Iind 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.

Selbstinduktion – Ausschaltvorgang (1) t 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.

Selbstinduktion – Ausschaltvorgang (2) Uind 24V – U0 t Wenn der Strom nicht über einen Parallelzweig abfließen kann, so kann beim Ausschalten ein „Abreißfunken“ entstehen.

Wechselstromgenerator (rotierende Leiterschleife im Magnetfeld) Animation: www.physik3D.de ; Diagramm: Natur und Technik Physik 10I (Realschule Bayern); Cornelsen Verlag, Berlin; 2004; S. 52

Gleichstromgenerator Die Wechselspannung kann durch einen Kommutator in eine pulsierende Gleichspannung umgeformt werden. Animation: www.physik3D.de; Diagramm: Natur und Technik Physik 10I (Realschule Bayern); Cornelsen Verlag, Berlin; 2004; S. 52

Generatoren Innenpolgenerator Außenpolgenerator 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 http://www.hellfirez.de/web/referate/inhalte/Physik_Energie.htm Sonstige: www.wikipedia.de Außenpolgeneratoren werden heute fast nur noch als Erregermaschinen für Innenpolgeneratoren verwendet.

Wirbelströme 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. Kraftwerksgeneratoren haben Wirkungsgrade von bis zu 98%. Um dies zu erreichen, werden z. B. die Wirbelströme durch lamellenartige Bleche klein gehalten. Grafik: http://de.academic.ru/dic.nsf/dewiki/1519510

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 Quelle: http://www.schule-bw.de/unterricht/faecher/physik/online_material/e_lehre_1/induktion/trafo1.htm (4) Der Schalter wird geöffnet. In Spule 1 und 2 nimmt das Magnetfeld ab. Es entsteht wieder eine Induktionsspannung.

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. Quelle: http://www.schule-bw.de/unterricht/faecher/physik/online_material/e_lehre_1/induktion/trafo1.htm Spule 2 Ein zusätzlicher Eisenkern in Spule 2 würde die Feldänderung noch mehr verstärken.

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. Quelle: http://www.schule-bw.de/unterricht/faecher/physik/online_material/e_lehre_1/induktion/trafo1.htm Für einen Transformator gilt: U1 N1 U2 N2 = n = Windungszahlverhältnis: Energieübertragung: U1 · I1 = η · U2 · I2

Hochspannungsübertragung Verringerung der Leitungsverluste durch Hochspannung UG = 22 kV UL = 220 kV UV = 220 V PG = 110 MW PL = 110 MW PV = 110 MW IG = 5000 A IL = 500 A IV = 500.000 A Foto mitte und rechts: Andreas Löbhard Foto links: www.wikipedia.de - Lizenzfrei Pth = 12,5 kW/km Für 50km Leitungslänge: Pth = 625 kW ≈ 0,6% von PL mit UL = 22 kV gerechnet: Pth = 62,5 MW ≈ 60% von PL I = P/U Leitungswiderstand: R = 0,05 Ω/km Leitungsverlust: Pth = R ∙ I²

Hochspannungstransformator 2mm 230V~ 600 Windungen 24000 Windungen Zündanlage eines PKW: Bild „Zündanlage eines PKW“: Natur und Technik Physik 10/I (Realschule Bayern); Cornelsen Verlag, Berlin; 2004; S. 63

Hochstromtransformator Arbeit mit vergleichsweise geringen Spannungen: Sekundärseitig fließen sehr viele Ladungen. => Reibungswärme => Der Nagel glüht auf und schmilzt durch. Bild „Hochstromtransformator“: Natur und Technik Physik 10/I (Realschule Bayern); Cornelsen Verlag, Berlin; 2004; S. 62 Bild „Punktschweißgerät“: www.wikipedia.de Bild „Schmelzofen“: http://www.hs-uttendorf.salzburg.at/soft/trafo/versuche/rinne.htm Wasser kocht, Metall schmilzt. Solche Hochstrom- transformatoren werden beim Schweißen oder Schmelzen von Metallen eingesetzt.