spannung durch induktion

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Spannung durch Induktion http://www.youtube.com/watch? v=LhFWSnFvWGY http://www.youtube.com/watch?v=a4pOJONgUe4 http://www.youtube.com/watch? v=7dh0Cue9Pws

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Page 1: Spannung durch Induktion

Spannung durch Induktion

http://www.youtube.com/watch?v=LhFWSnFvWGY

http://www.youtube.com/watch?v=a4pOJONgUe4

http://www.youtube.com/watch?v=7dh0Cue9Pws

Page 2: Spannung durch Induktion

Stromdurchflossener Leiter im Magnetfeld

Als Folge der Lorentzkraft auf bewegte Ladungen erfährt der Leiter eineKraftwirkung (elektromotorische Kraft).

(Effekt von Ch. Oersted 1820)

v

Magnetfeld

FL

2Elektronenbewegung

Kraftwirkungauf den Leiter

(Wiederholung)+ -

Page 3: Spannung durch Induktion

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 Leitersverschoben.

3

Es entsteht eine Spannung zwischen denLeiterenden;die sog. Induktionsspannung Uind

Page 4: Spannung durch Induktion

Induktion im bewegten Leiter

Magnetfeld

U

4

Kraftauf die Ladungsträger

Die Bewegungsrichtung der Elektronen, kann mit der „UVW-Regel“ bestimmt werden.

FL

Die „Ursache“ ist hier nicht die Stromrichtung längs des Leiters, sondern die Leiterbewegung. Denn: Leiterbewegung ist Ladungsbewegung!

vLeiterbewegung

Page 5: Spannung durch Induktion

-

+

Drehung einer Leiterschleife im Magnetfeld

- Drehung durch äußere Krafteinwirkung- Elektronenfluss im Leiter (nach Linke-Hand-Regel)

+ -

-

+

Anschluss eines Verbrauchers:

+ -

5

Page 6: Spannung durch Induktion

Wechselstromgenerator(rotierende Leiterschleife im Magnetfeld)

6w

ww

.phy

sik3

D.d

e

Page 7: Spannung durch Induktion

GleichstromgeneratorDie Wechselspannung kann durch einen Kommutator in eine pulsierende Gleichspannung umgeformt werden.

7w

ww

.phy

sik3

D.d

e

Page 8: Spannung durch Induktion

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.

8

ww

w.h

ellfi

rez.

de

ww

w.w

ikip

edia

.de

Page 9: Spannung durch Induktion

Induktion in Spulen

Ursächlich für die Induktionsspannung ist die Relativbewegung zwischen Spule und inhomogenem Magnetfeld.

U

9

Page 10: Spannung durch Induktion

So funktioniert ein Fahrradtachometer

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.

MagnetSpule

Page 11: Spannung durch Induktion

Induktion im ruhenden Leiter

Page 12: Spannung durch Induktion

1. Bewegung des Permanentmagneten in Bezug zur Induktionsspule

Induktion im ruhenden Leiter

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.

a) Wovon hängen Betrag und Polarität der beobachteten Spannung ab? Beschreibe möglichst genau!

b) Kann die entstehende Induktionsspannung mit der Lorentzkraft erklärt werden?

Page 13: Spannung durch Induktion

Induktion im ruhenden Leiter

Page 14: Spannung durch Induktion

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.

a) Unterscheiden sich die Beobachtungen prinzipiell von den Beobachtungen bei Aufgabe 1?

b) Kann das Auftreten der Induktionsspannung mit der Lorentzkraft erklärt werden?

Page 15: Spannung durch Induktion
Page 16: Spannung durch Induktion

Elektrische Zahnbürste

U1=230V

U2=5V

Page 17: Spannung durch Induktion

Transformator

Weshalb kann man einem Transformator nicht mit Gleichspannung betreiben?

Der Wechselstrom in der Primärspule erzeugt ein magnetisches Wechselfeld im Eisenkern.Das sich ändernde Magnetfeld induziert in der Sekundärspule eine Wechselspannung.

Page 18: Spannung durch Induktion

Transformator (Handy-Ladegerät)

Page 19: Spannung durch Induktion

Transformator (Handy-Ladegerät)

Page 20: Spannung durch Induktion

Transformator

Primärspule500 Windungen

Sekundärspule1000 Windungen

Page 21: Spannung durch Induktion

Transformator eines Umspannwerks

Page 22: Spannung durch Induktion

Vom Kraftwerk zum HaushaltVerteilung der elektrischen Energie

Page 23: Spannung durch Induktion

Wirbelstrombremse Shinkansen

Page 24: Spannung durch Induktion

Wirbelstrombremse ICE

Page 25: Spannung durch Induktion

Lenz´sche Regel

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

Page 26: Spannung durch Induktion

Lenz´sche Regel

Der Induktionsstrom (Wirbelstrom) ist stets so gerichtet, dass das durch ihn entstehende Magnetfeld seiner Entstehungsursache entgegenwirkt.

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„Abstoßung der Felder“

„Mitnahme der Felder“

NS SN

Page 27: Spannung durch Induktion
Page 28: Spannung durch Induktion

Induktionstaschenlampe

Page 29: Spannung durch Induktion

Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule

Page 30: Spannung durch Induktion

Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule

Vergleich Spule - Stabmagnet

Im Außenbereich: Magnetfeld gleich

Im Innenbereich: Homogenes Feld bzw. geordnete Elementarmagnete

Page 31: Spannung durch Induktion

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.

+

-

Page 32: Spannung durch Induktion

Magnetfeld des elektrischen Stroms

Das Magnetfeld eines geraden Leiters zeigt geschlossene konzentrische Kreise.

Page 33: Spannung durch Induktion

Magnetfeld des elektrischen Stroms

Das Magnetfeld eines geraden Leiters zeigt geschlossene konzentrische Kreise.Richtung in diesem Fall: im Uhrzeigersinn.Dieses Magnetfeld hat keine Pole!

Technische Stromrichtung

Wie sieht das Magnetfeld dieses stromdurchflossenen Leiters aus?Wo ist der Nordpol, wo der Südpol?

Page 34: Spannung durch Induktion

Magnetfeld einer Leiterschleife

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

Page 35: Spannung durch Induktion

Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule

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

Was lässt sich über das Feld im Inneren der Spule sagen?

Gibt es hier Nord- und Südpol?

N S

Page 36: Spannung durch Induktion

Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule

Im Inneren einer stromdurchflossenen Spule sind die Feldlinien parallel zur Spulenachse.

Es herrscht ein homogenes Feld.

Page 37: Spannung durch Induktion

Magnetfeld des elektrischen Stroms

Im Inneren einer Spule ergibt sich ein nahezu homogenes Feld, im Außenbereich schließen sich die Feldlinien.

Page 38: Spannung durch Induktion

Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule

Vergleich Spule - Stabmagnet

Im Außenbereich: Magnetfeld gleich

Im Innenbereich: Homogenes Feld bzw. geordnete Elementarmagnete

Page 39: Spannung durch Induktion

Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule

Page 40: Spannung durch Induktion

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.

Page 41: Spannung durch Induktion

http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=vzlg-jD5uUU

http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=O2E4jPiwqEU

http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=BkUrGSo8640

http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=TtrynAaLU1I#t=0Elektromagnete – schulfilm Physik

http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=0t8yDnyOaQ8

Page 42: Spannung durch Induktion
Page 43: Spannung durch Induktion
Page 44: Spannung durch Induktion

Die Leiterschaukel im Magnetfeld

Hufeisenmagnet

Homogenes Feld

N

S

Page 45: Spannung durch Induktion

Die Lorentzkraft

Page 46: Spannung durch Induktion
Page 47: Spannung durch Induktion
Page 48: Spannung durch Induktion
Page 49: Spannung durch Induktion

Prinzip des Elektromotors

Lorentzkräftelinksdrehend

Kein DrehmomentTotpunkt

Lorentzkräfterechtsdrehend

Lorentzkräfte auf Leiterschleife im Magnetfeld

Page 50: Spannung durch Induktion

Prinzip des Elektromotors

Leiterschleife mit Kommutator (Polwender)

Stromrichtungim Uhrzeigersinn

Totpunktkein Strom

Stromrichtunggegen Uhrzeigersinn

Page 51: Spannung durch Induktion

Technische Realisierung des Elektromotors

• Spule mit vielen Windungen• Eisenkern (Doppel-T-Anker)• Hufeisenmagnet durch Elektromagneten ersetzen• Trommelanker (mehrere Leiterschleifen gegeneinander verdrehen)

Page 52: Spannung durch Induktion

Der Dreifach-T-Anker

Vorteil: Kein Totpunkt. Der Motor läuft aus jeder Position von alleine los.

Page 53: Spannung durch Induktion

Technische Realisierung des Elektromotors

• Spule mit vielen Windungen• Eisenkern (Doppel-T-Anker)• Hufeisenmagnet durch Elektromagneten ersetzen• Trommelanker (mehrere Leiterschleifen gegeneinander verdrehen)

Page 54: Spannung durch Induktion
Page 55: Spannung durch Induktion

Lorentzkraft auf freie Elektronen

Page 56: Spannung durch Induktion

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!

Page 57: Spannung durch Induktion

Lorentzkraft auf freie Elektronen