Das Induktionsgesetz und die magnetische Flussdichte
Elektrische Zahnbürste
Kleines Netzgerät
Ein alter Fahrraddynamo
Inhaltsverzeichnis
Versuche: Induktion bei technischen Geräten
- LED an Spule mit Eisenkern, Magnet an Eisenkern und wieder weg
- Oszi als Spannungsmessgerät
- eine Schleife um den Eisenkern, Magnet an den Kern
- Primärspule an Wechselspannung, Sekundärspule ans Oszi, mit/ohne Eisenkern
- Folgerung
Alle technischen Geräte nutzen die Änderung der Magnetisierung eines Eisenkerns innerhalb einer Spule.
Versuch: Umkehrung der Leiterschaukel
Im Leiterschaukel-Versuch hat man durch ein Kabel in einem Magnetfeld Strom fließen lassen. Dadurch wurde eine Kraft auf das Kabel ausgeübt und es hat sich bewegt.
Geht das auch andersherum? Die Leiterschaukel wird im Magnetfeld bewegt und die Spannung an den Enden des Leiters gemessen.
- Beobachtung
Tatsächlich kann man eine geringe Spannung messen solange der Leiter sich bewegt. Sobald der Leiter still steht misst man keineSpannung mehr.
Die Polung der Spannung hängt von der Bewegungsrichtung und von der Feldlinienrichtung ab.
- Folgerung
Wird der Leiter bewegt, so bewegen sich auch die darin befindlichen Ladungsträger, im Fall von Metallen die Elektronen. Auf die bewegten Ladungsträger wirkt die Lorenzkraft, wodurch die Ladungsträger parallel zum Leiter angetrieben werden: Es fließt ein Strom! Durch den den Strom entsteht eine Ladungsverschiebung, welche die Induktionsspannung verursacht.
Mit der Drei-Finger-Regel kann man die Polung der gemessenen Induktionsspannung nachvollziehen:
- Daumen: Bewegungsrichtung des Kabels (bewegte positive Ladungsträger)
- Zeigefinger: Feldlinienrichtung
- Mittelfinger: Stromrichtung im Leiter (der positiven Ladungsträger)
Man kann die Überlegung auch für die im Metall bewegten Elektronen anstellen. Dazu
Berechnung der Induktionsspannung mit der Lorentzkraft
Die Ladungsträger im Leiter werden durch die Lorentzkraft in eine Richtung geschoben, wodurch sich den Enden des Leiters ein negativer, bzw. positiver Ladungsüberschuß entsteht. Dadurch ensteht im Leiter ein elektrisches Feld, das auf die Ladungsträger eine zur Lorentzkraft entgegengesetzte Kraft ausübt.
Die Ladungsverschiebung geschieht also nur solange, bis die Ladungsträger im Kräftegleichgewicht sind: Lorentzkraft und die elektrische Feldkraft auf eine Ladung [math] q [/math] sind entgegengesetzt gleich groß:
- [math] F_L = F_e[/math]
Die Lorentzkraft ist proportional zur magnetischen Feldstärke, der Ladung und der Geschwindigkeit der Bewegung.
Zur Berechnung der elektrischen Kraft macht man die Annahme, dass das elektrische Feld im Leiter homogen wie das eines Plattenkondensators ist:
[math]
\begin{array}{rrcll}
& \mu_0 H q v &=& q E & \\
\Rightarrow & \mu_0 H q v &=& q \frac{U}{d} \qquad| \, \mathopen: q \\
\Rightarrow & \mu_0 H v &=& \frac{U}{d} \\
\end{array}[/math]
Das muss man nur noch nach der Spannung auflösen:
- [math]U = \mu_0 H \cdot v d [/math]
Das Produkt [math]v d[/math] gibt an wie schnell sich die vom Leiter überstrichene Fläche [math] A[/math] vergrößert:
- [math]A = s d [/math]
[math]\Rightarrow \dot A = \dot s d = v d[/math]
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Wird ein Leiter der Länge d mit der Geschwindigkeit v senkrecht zu einem Magnetfeld der Stärke H bewegt, so beträgt die induzierte Spannung an den Enden des Leiters:
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Versuch: Leiterschleife im Magnetfeld
- Aufbau
Ein langes Kabel wird mit beiden Enden an ein empfindliches Spannungsmessgerät angeschlossen. Aus dem Kabel formt man eine kleine Schleife.
Ein Ringmagnet stellt ein starkes, relativ homogenes Magnetfeld zur Verfügung.
- a1) Die Schleife wird senkrecht zum Magnetfeld eingetaucht und wieder herausgezogen.
- b1) Die Schleife wird senkrecht zum Magnetfeld festgehalten und dann durch Ziehen/Drücken am Kabel verkleinert oder vergrößert.
- ab2) Die Schleife wird parallel zum Magnetfeld gehalten und a) / b) wird wiederholt.
- c) Die Schleife wird im Magnetfeld gedreht.
- d) Man formt eine oder mehrere zusätzliche Wicklungen zur Schleife und wiederholt die Versuche a) b) c).
- Folgerung
Induktionsspannung bei Änderung der effektiven Fläche der Leiterschleife.
Die magnetische Flußdichte
Die Magnetisierung [math]\vec M[/math] des Stabmagneten...
...wird zur Feldstärke [math]\vec H[/math] addiert...
...und ergibt die magnetische Flußdichte [math]\vec B[/math].
Versuch: Elektrisches Wirbelfeld
- Aufbau
Eine mit Neon gefüllte Glaskugel ist von einer Ringspule umgeben. Man legt eine hochfrequente (ca.10000Hz) Welchselspannung mit etwa 400 V an die Spule und erzeugt so ein sich schnell änderndes torusförmiges magnetisches Wechselfeld.
Bild 1
Rückseite der Geräte
- Beobachtung
Bild 1
Video des Versuchs.
- Ergebnis
Ein geschlossener rosa Kreis entsteht innerhalb der Glaskugel. Dies lässt auf ein elektrisches Feld schließen. Da dies jedoch rund ist, kann es sich nicht um ein Potenzialfeld handeln, sondern nur um ein elektrisches Wirbelfeld.
Um ein sich änderndes Magnetfeld entsteht also ein elektrisches Wirbelfeld.
Links
- Kurzes Script Elektromagnetismus von "SDL-Server"
- Wikipedia: Tonabnehmer
- How Electric Guitar Pickups Work (Malcom Moore 2003)
