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Anwendung von Induktion in der Technik und Alltag

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 Induktionsschleifen
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Janika

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Fahrraddynamo Induktionsschleifen Induktionsherd

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Induktionsschleifen Induktionsschleifen finden im Straßenverkehr zahlreiche Anwendungsbeispiele. Im Allgemeinen dienen sie dazu, elektronisch festzustellen, dass sich ein Fahrzeug gerade darüber befindet. So dienen sie zum Beispiel als Signalgeber für Schranken bei Parkplätzen, damit es nicht zu Unfällen kommt. Ebenso sind sie vor Garagen und Ampeln verbaut. Mit Hilfe von zwei hintereinanderliegenden Induktionsschleifen kann die Geschwindigkeit von Fahrzeugen, oder die Stärke des Verkehrsaufkommens ermittelt werden. Es gibt zwei Möglichkeiten der Verwendung. Zum einen können die Induktionsschleifen permanent von Wechselstrom durchflossen sein und fungieren somit als Leiterschleife. Der Strom erzeugt laut Örsted ein schwaches Magnetfeld, dessen Stärke sich ändert, sobald ein Fahrzeug darüberfährt. Durch Bauteile aus Eisen verstärkt sich die Stärke des Schleifenfeldes. Diese Magnetfeldänderung induziert einen Stromstoß und sorgt somit für einen Steuerimpuls in der Ampel. Man verwendet die Induktivität, um die Verstimmung der Induktionsschleife festzustellen. Hierfür wird die Induktivität dL (beim Auftreten der Induktion) durch die normale Induktivität L der Spule geteilt. Für normale PKWs liegt dieser Wert bei ca. 6%, bei LKWs sogar nur bei einem bis zwei Prozent. Am unempfindlichsten sind Induktionsschleifen, wenn Motorräder oder Radfahrer darüberfahren. Werden zwei identische Spulen hintereinander angebracht, so kann ganz einfach die Geschwindigkeit festgestellt werden, in der Fahrzeuge die zwei Schleifen passieren. Gleiche Fahrzeuge erzeugen gleiche induktive Impulse. Man berechnet die Geschwindigkeit, indem man den Abstand beider Schleifen durch die Zeitdifferenz,...

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die zwischen der Aufzeichnung zweier gleicher elektronischer Impulse liegt, teilt. Es gibt jedoch auch Induktionsschleifen, die nicht von Strom durchflossen sind. Diese müssen um einiges empfindlicher funktionieren. Fahrzeuge sind stets von einem Magnetfeld umgeben, zum Beispiel durch die Lichtmaschine, in welcher Strom nach dem Generator-Prinzip entsteht. Das Magnetfeld des Autos induziert in der Induktionsschleife beim darüberfahren einen Strom, welcher auch einen Steuerimpuls auslösen kann. Die Funktionsweise dieser Anlagen kann durch fehlerhafte Verlegung beeinträchtigt werden. Die Schleifen dürfen nicht tiefer als 10 cm verlegt werden und deswegen eignen sich auch nicht alle Straßenbeläge zur Verwendung. Ebenso darf der Umfang nicht zu groß sein (>24m), sonst sinkt die Empfindlichkeit. Nicht nur im Straßenverkehr, sondern auch zur Unterstützung von Menschen, die auf Hörhilfen angewiesen sind, können Induktionsschleifen bei Veranstaltungen verwendet werden. Diese werden an den Wänden des Raumes verlegt. Mit Hilfe eines Verstärkers werden akustische Signale in Wechselstrom transkribiert und dieser sendet auf die Induktionsschleife übertragen. Jene übermittelt die Signale an die Hörgeräte, und hörgeschädigte können Konzerten oder Vorträgen folgen, ohne störende Nebengeräusche wahrnehmen zu müssen. Die meisten Hörgeräte haben neben der Verstärkung von Raumschall eine zusätzliche Einstellung für induktiv übertragene Audiosignale. Hier kannst du dein Wissen zu Induktionsschleifen überprüfen: https://learningapps.org/display?v=p3iqtu14n21 Quellen: https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/elektromagnetische- induktion/ausblick/induktionsschleifen-im-strassenverkehr https://www.stadlmayr.at/induktionsschleifen.html https://www.hoerhelfer.de/Wissenswertes/Lexikon/Induktionsschleife/ https://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/physik/artikel/induktionsschleife Fahrraddynamo Ein Fahrraddynamo ist ein kleiner Innenpolgenerator, denn er induziert mithilfe eines rotierenden Magneten einen Strom in der fest verbauten Spule. Es wird also mechanische, in elektrische Energie umgewandelt. Vereinfacht kann man den Aufbau wie folgt beschreiben: Im Gehäuse befindet sich ein Permanentmagnet, welcher über eine Achse mit einem Reibrad verbunden ist, wird durch das Rollen der Räder gedreht. Somit dreht sich beim Fahren auch der Dauermagnet, welcher vom U-förmigen Eisenkern, der unter ihm liegenden Spule verbunden ist. Ändert sich durch diese Drehbewegung stetig das Magnetfeld der Spule, so wird ein Strom induziert, der seine Polung stets ändert. Es entsteht ein Wechselstrom. In der Realität reicht ein zweipoliger Dauermagnet jedoch nicht aus, sondern man verwendet zylinderförmige mehrpolige Dauermagneten. Andernfalls wäre beim langsamen Fahren die Frequenz des Wechselstroms zu gering, um die Lampe gut zum Leuchten zu bringen. Mit mehrpoligen Magneten erreicht man auch bei geringen Drehzahlen genug Spannung. Gehen wir also von einem achtpoligen Exemplar aus (4 Nord- und 4 Südpole). IM unteren Teil des Dynamos befindet sich die Spule, welche um ein zylinderförmiges Weicheisenstück gewickelt ist. Ein Ende der Spule ist mit dem Anschluss auf der Unterseite des Dynamos, das andere mit dem Dynamogehäuse verbunden. Der Weicheisenkern ist mit 4 langen Streifen aus Weicheisen verbunden, welche sich an der Spulenaußenseite befinden. Ein weiterer Weicheisenkäfig, bestehend aus 4 Streifen, steht auf dem Dauermagneten, versetzt zu den unteren Streifen, jedoch sind diese nun nur so lang wie der Dauermagnet selbst und bedecken nicht die Spule. Dreht sich der Magnet nun, so influenziert er an den Eisenstreifen, an dem er sich für den kurzen Moment befindet, einen magnetischen Gegenpol. Die langen Weicheisenstreifen haben die gleiche Polung wie die untere Hälfte des Eisenkerns der Spule, die kürzeren Streifen haben die gleiche Polung wie der obere Teil. Durch dieses, sich ständig ändernde Magnetfeld, wird in der Spule eine Spannung induziert, welche bei ca. 6 V liegt. Hier kannst du dein wissen über den vereinfachten Aufbau eines Dynamos überprüfen: https://learningapps.org/display?v=pyaz884qc21 Über diesen Link findest du ein digitales Kreuzworträtsel zum Thema: https://learningapps.org/display?v=pyb737ebt21 Quellen: https://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/physik/artikel/fahrraddynamo https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/elektromagnetische- induktion/ausblick/fahrraddynamo https://www.schulen-frauenfeld.ch/cm_data/Der Fahrraddynamo Skript.pdf •Dauermagnet Weicheisenstreifen Weicheisenkern -Spule Induktionsherd Induktionsfelder bieten zahlreiche Vorteile gegenüber den üblichen Ceranfeldern und somit erfreuen sie sich immer größerer Beliebtheit. Die Wärme entsteht hierbei nämlich erst im Topf, und nicht in der Platte. Unter der Herdplatte, die meist aus Glaskeramik besteht, befinden sich Magnetspulen, welche durch eine Versorgung mit Wechselstrom 20.000 - 100.000-mal in der Sekunde umgepolt werden. Dieses sich ständig wechselnde Magnetfeld durchdringt fast ungehindert die Kochplatte und gelangt in den Metallboden des Topfes, in dem dadurch Wirbelströme induziert werden. Wirbelströme sind die ringförmigen Bewegungen von Elektronen innerhalb massiver metallischer Körper. Anders als in normalen Leitern können sich die Elektronen nicht vom Minus- zum Pluspol bewegen, sondern bewegen sich innerhalb des Körpers durch die Lorentzkraft so, wie es die Linke Hand Regel vorschreibt. Laut dem Lenz'schen Gesetz versuchen die Wirbelströme, der Ursache ihrer Entstehung zu wirken, und somit durch ein neues Magnetfeld die Veränderungen des ursprünglichen Magnetfelds auszugleichen. Beim Induktionsherd macht man sich diese Wirbelströme zu Nutze, denn sie Erhitzen durch die Elektronenbewegung das Metall. Es sollte daher ein Topf verwendet werden, dessen Boden aus magnetisierbarem Material besteht, damit sich das Magnetfeld der Spulen, vorrangig nach oben, in Richtung der Töpfe ausbreitet. Außerdem eignen sich einige Materialien besser als andere. So leitet Edelstahl schlechter elektrischen Strom als Aluminium, denn es besitzt einen größeren Innenwiderstand und eignet sich dadurch besser. In diesem Fall ist also der ,,Verlust" elektrischer Energie durch die Umwandlung in thermische Energie erwünscht, denn diese sorgt für eine bessere Wärmeentwicklung im Topf. Der sogenannte Skin Effekt trägt ebenso zur besseren Wärmeversorgung bei, denn durch ihn erhöht sich der vermeintliche Innenwiderstand und das Material erhitzt sich besser. Dies geschieht durch die Selbstinduktion, die bewirkt, dass das Magnetfeld der Spule in die unterste Schicht des Topfbodens verdrängt wird und diesen nicht komplett mit dem Magnetfeld durchsetzt. Die Eindringtiefe ist stehts abhängig von der Frequenz der Umpolung und Material des Topfes. 30% der Wärmeleistung wird durch die Umpolung der weiß´schen Bezirke erreicht. Diese treten in ferromagnetischen Stoffen aus, wenn die Magnetisierungsrichtung zufällig gleich ist. Werden diese Bereiche schnell umgepolt, wird elektrische Energie in thermische umgewandelt. Induktionsherde bieten einige Vorteile, so sind sie rund 10% energieeffizienter als normale Kochplatten und haben nur geringe Wärmeverluste, denn die Wärme entsteht erst im Topf und wird auf die Platte übertragen und nicht andersherum. Dadurch sind Induktionsfelder auch ungefährlicher, denn die Platte erhitzt sich nur, wenn ein Topf darauf steht und sie bleibt nach dem Ausschalten nicht so lange heiß. Die Temperatur kann sehr effektiver gesteuert werden und eine schnellere Erwärmung ist möglich. Umso höher die Frequenz des Stromes, desto stärker die Wirbelströme und umso heißer wird auch der Topf. Kurz nach dem Einschalten liegt die Effizienz der Energienutzung schon bei 80%, bei herkömmlichen Ceranfeldern nur bei 50-60%. Nachteile sind jedoch die vergleichbar hohen Anschaffungs- und Reparaturkosten. Außerdem ist eine Strahlenbelastung bei der Verwendung von falschen Töpfen noch nicht ganz ausgeschlossen und auch andere technischen Geräte oder auch Herzschrittmacher können durch die starken Magnetfelder beeinflusst werden. Außerdem ist der Herd nie komplett ausgeschaltet, sondern befindet sich immer in einer Art ,,Standby-Modus".

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die zwischen der Aufzeichnung zweier gleicher elektronischer Impulse liegt, teilt. Es gibt jedoch auch Induktionsschleifen, die nicht von Strom durchflossen sind. Diese müssen um einiges empfindlicher funktionieren. Fahrzeuge sind stets von einem Magnetfeld umgeben, zum Beispiel durch die Lichtmaschine, in welcher Strom nach dem Generator-Prinzip entsteht. Das Magnetfeld des Autos induziert in der Induktionsschleife beim darüberfahren einen Strom, welcher auch einen Steuerimpuls auslösen kann. Die Funktionsweise dieser Anlagen kann durch fehlerhafte Verlegung beeinträchtigt werden. Die Schleifen dürfen nicht tiefer als 10 cm verlegt werden und deswegen eignen sich auch nicht alle Straßenbeläge zur Verwendung. Ebenso darf der Umfang nicht zu groß sein (>24m), sonst sinkt die Empfindlichkeit. Nicht nur im Straßenverkehr, sondern auch zur Unterstützung von Menschen, die auf Hörhilfen angewiesen sind, können Induktionsschleifen bei Veranstaltungen verwendet werden. Diese werden an den Wänden des Raumes verlegt. Mit Hilfe eines Verstärkers werden akustische Signale in Wechselstrom transkribiert und dieser sendet auf die Induktionsschleife übertragen. Jene übermittelt die Signale an die Hörgeräte, und hörgeschädigte können Konzerten oder Vorträgen folgen, ohne störende Nebengeräusche wahrnehmen zu müssen. Die meisten Hörgeräte haben neben der Verstärkung von Raumschall eine zusätzliche Einstellung für induktiv übertragene Audiosignale. 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Ändert sich durch diese Drehbewegung stetig das Magnetfeld der Spule, so wird ein Strom induziert, der seine Polung stets ändert. Es entsteht ein Wechselstrom. In der Realität reicht ein zweipoliger Dauermagnet jedoch nicht aus, sondern man verwendet zylinderförmige mehrpolige Dauermagneten. Andernfalls wäre beim langsamen Fahren die Frequenz des Wechselstroms zu gering, um die Lampe gut zum Leuchten zu bringen. Mit mehrpoligen Magneten erreicht man auch bei geringen Drehzahlen genug Spannung. Gehen wir also von einem achtpoligen Exemplar aus (4 Nord- und 4 Südpole). IM unteren Teil des Dynamos befindet sich die Spule, welche um ein zylinderförmiges Weicheisenstück gewickelt ist. Ein Ende der Spule ist mit dem Anschluss auf der Unterseite des Dynamos, das andere mit dem Dynamogehäuse verbunden. Der Weicheisenkern ist mit 4 langen Streifen aus Weicheisen verbunden, welche sich an der Spulenaußenseite befinden. Ein weiterer Weicheisenkäfig, bestehend aus 4 Streifen, steht auf dem Dauermagneten, versetzt zu den unteren Streifen, jedoch sind diese nun nur so lang wie der Dauermagnet selbst und bedecken nicht die Spule. Dreht sich der Magnet nun, so influenziert er an den Eisenstreifen, an dem er sich für den kurzen Moment befindet, einen magnetischen Gegenpol. Die langen Weicheisenstreifen haben die gleiche Polung wie die untere Hälfte des Eisenkerns der Spule, die kürzeren Streifen haben die gleiche Polung wie der obere Teil. Durch dieses, sich ständig ändernde Magnetfeld, wird in der Spule eine Spannung induziert, welche bei ca. 6 V liegt. 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Dieses sich ständig wechselnde Magnetfeld durchdringt fast ungehindert die Kochplatte und gelangt in den Metallboden des Topfes, in dem dadurch Wirbelströme induziert werden. Wirbelströme sind die ringförmigen Bewegungen von Elektronen innerhalb massiver metallischer Körper. Anders als in normalen Leitern können sich die Elektronen nicht vom Minus- zum Pluspol bewegen, sondern bewegen sich innerhalb des Körpers durch die Lorentzkraft so, wie es die Linke Hand Regel vorschreibt. Laut dem Lenz'schen Gesetz versuchen die Wirbelströme, der Ursache ihrer Entstehung zu wirken, und somit durch ein neues Magnetfeld die Veränderungen des ursprünglichen Magnetfelds auszugleichen. Beim Induktionsherd macht man sich diese Wirbelströme zu Nutze, denn sie Erhitzen durch die Elektronenbewegung das Metall. Es sollte daher ein Topf verwendet werden, dessen Boden aus magnetisierbarem Material besteht, damit sich das Magnetfeld der Spulen, vorrangig nach oben, in Richtung der Töpfe ausbreitet. Außerdem eignen sich einige Materialien besser als andere. So leitet Edelstahl schlechter elektrischen Strom als Aluminium, denn es besitzt einen größeren Innenwiderstand und eignet sich dadurch besser. In diesem Fall ist also der ,,Verlust" elektrischer Energie durch die Umwandlung in thermische Energie erwünscht, denn diese sorgt für eine bessere Wärmeentwicklung im Topf. Der sogenannte Skin Effekt trägt ebenso zur besseren Wärmeversorgung bei, denn durch ihn erhöht sich der vermeintliche Innenwiderstand und das Material erhitzt sich besser. Dies geschieht durch die Selbstinduktion, die bewirkt, dass das Magnetfeld der Spule in die unterste Schicht des Topfbodens verdrängt wird und diesen nicht komplett mit dem Magnetfeld durchsetzt. Die Eindringtiefe ist stehts abhängig von der Frequenz der Umpolung und Material des Topfes. 30% der Wärmeleistung wird durch die Umpolung der weiß´schen Bezirke erreicht. Diese treten in ferromagnetischen Stoffen aus, wenn die Magnetisierungsrichtung zufällig gleich ist. Werden diese Bereiche schnell umgepolt, wird elektrische Energie in thermische umgewandelt. Induktionsherde bieten einige Vorteile, so sind sie rund 10% energieeffizienter als normale Kochplatten und haben nur geringe Wärmeverluste, denn die Wärme entsteht erst im Topf und wird auf die Platte übertragen und nicht andersherum. Dadurch sind Induktionsfelder auch ungefährlicher, denn die Platte erhitzt sich nur, wenn ein Topf darauf steht und sie bleibt nach dem Ausschalten nicht so lange heiß. Die Temperatur kann sehr effektiver gesteuert werden und eine schnellere Erwärmung ist möglich. Umso höher die Frequenz des Stromes, desto stärker die Wirbelströme und umso heißer wird auch der Topf. Kurz nach dem Einschalten liegt die Effizienz der Energienutzung schon bei 80%, bei herkömmlichen Ceranfeldern nur bei 50-60%. Nachteile sind jedoch die vergleichbar hohen Anschaffungs- und Reparaturkosten. Außerdem ist eine Strahlenbelastung bei der Verwendung von falschen Töpfen noch nicht ganz ausgeschlossen und auch andere technischen Geräte oder auch Herzschrittmacher können durch die starken Magnetfelder beeinflusst werden. Außerdem ist der Herd nie komplett ausgeschaltet, sondern befindet sich immer in einer Art ,,Standby-Modus".