Das Faraday’sche Induktionsgesetz (quantitativ) Wenn sich der magnetische Fluss Φ durch eine Leiterschleife zeitlich ändert, wird in der Leiterschleife eine Spannung Uind(t) induziert: U ind(t) = − dΦ _ dt Der magnetische Fluss durch eine Leiterschleife ändert sich, wenn sie im Feld gedreht wird. Bei einer Drehung um den Winkel α wird der magnetische Fluss um den Faktor cos( α) kleiner (12.1). Der Induktionsstrom Die Induktionsspannung verursacht in einem geschlossenen Leiterkreis einen Induktionsstrom, für seine Richtung gilt folgende Regel: Die Lenz’sche Regel Der Induktionsstrom ist so gerichtet, dass er seiner Ursache entgegenwirkt. Experiment: Die Leiterschaukel als Stromkreis 12.1 E1 Lass eine Leiterschaukel im Magnetfeld schwingen! Dabei wird Spannung induziert, im geschlossenen Stromkreis fließt Strom. Überlege, in welche Richtung zum Draht die auftretende Lorentzkraft wirkt! Stelle eine Hypothese auf und erkläre, wie die Lorentzkraft die Bewegung der Leiterschaukel beeinflusst (12.2). Der induzierte Strom wirkt seiner Ursache entgegen. Die Lorentzkraft bremst wegen dem Energieerhaltungssatz die Leiterschaukel, ihre kinetische Energie wird in elektrische umgewandelt. Was wäre die Folge, wenn der Induktionsstrom seine Ursache verstärken würde? Demoexperiment: Wirbelströme 12.2 E1 Eine Platte aus Aluminium schwingt als Pendel zwischen den Polen eines Elektromagneten. Beschreibe das Verhalten des Pendels nach dem Einschalten des Magneten. Was ist vermutlich die grundlegende Ursache des Effekts? (12.3) Das Pendel wird abgebremst. Die Ursache ist das Auftreten von Wirbelströmen, das sind in sich geschlossene elektrische Ströme im metallischen Pendelkörper. Man kann den Pendelkörper als eine Vielzahl geschlossener Leiterkreise auffassen, die sich im inhomogenen Magnetfeld bewegen. In jedem dieser Leiterkreise induziert die Flussänderung einen Strom – die auf ihn wirkende Lorentzkraft hemmt die Bewegung. Verwendet man einen vielfach geschlitzten Pendelkörper, dann sind die Wirbelströme auf kleine Bereiche beschränkt und die Bremswirkung verringert sich dadurch deutlich (12.3 rechts). Experiment: Fallen alle Körper gleich schnell? 12.3 E4 Du brauchst: zwei etwa 1,5m lange, gerade Rohre mit 10 bis 15mm Durchmesser, je eines aus Kunststoff bzw. Kupfer, einen kleinen Stabmagneten und ein etwa gleich großes Holzstäbchen Lass den Magneten bzw. das Holzstäbchen durch die verschiedenen Rohre fallen und vergleiche die Falldauern. Erkläre deine Beobachtung und nimm dabei Bezug auf die physikalische Modellierung von Fallbewegungen. 12.1 Der magnetische Fluss durch die zu den Feldlinien geneigte Fläche (A) ist ebenso groß wie der magnetische Fluss durch die zu den Feldlinien senkrechte Fläche A·cos( α). A B A · cos (α) α 12.2 Bewegt sich die Leiterschaukel im Magnetfeld, wird Strom induziert. Die Lorentzkraft FL wirkt der Bewegung entgegen. v N S A F 1 1 12.3 Die Bewegung des Metallpendels wird im Feld eines Dauer- oder Elektromagneten durch induzierte „Wirbelströme“ gebremst. Dieser Effekt wird z. B. als „Wirbelstrombremse“ bei Bussen, LKWs und bei Achterbahnen genutzt. 12 Elektrodynamik 1 Grundlagen der Elektrotechnik Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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