Elektromagnetismus

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Schalter geschlossen, so bewegt sich die Kompassnadel. Wird die Stromrichtung umgekehrt, so dreht sich die Nadel in die Gegenrichtung Um jeden Strom durchflussenem Leiter bildet sich ein Magnetfeld. Bewegte Ladungen sind dessen Ursache. Feldlinien als Modellvorstellung S Rechte-Faust-Regel Richtung des elektrischen Stroms Richtung des Magnetfelds N Schnittbild einer Spule Magnetnadel richten sich tangential zu den Feldlinien aus Feldlinien schneiden sich nie. Außerhalb vom magneten verlaufen die Feldlinien vom Nord- zum Südpol, innerhalb genau umgekehrt. Feldlinien veranschaulichendes die Struktur des Feldes, dienen aber nur als Modell + C S N N Innerhalb einer stromdurchflossenen Spule ist das Magnetfeld homogen, außerhalb gleicht es dem eines Stabmagneten gleichstark = homogen (verlaufen parallel mit gleichen Abständen) Schließen wir die rechte Faust so um den Draht, dass der abgespreizte Daumen in Stromrichtung zeigt, so geben die Finger die Magnetfeldrichtung an Eisenpfeilspäne in der Umgebung eines Stabmagneten + Symbole für die Zeichnungen: Drahtschleifen U in die Zeichenebene hinein aus der Zeichenebene heraus Schnittbild einer Drahtschleife: Das Erdmagnetfeld magnetische Feldlinien Kompass- nadel Drei-Finger-Regel Rotationsachse der Erde Breitenkreis geografischer Südpol Technische Stromrichtung Strom I Richtung der Magnetfeldlinien S Leiter I N Magnetfeld von magnetische Kraft geografischer Nordpol Richtung der Kraft magnetische Achse + Leiter 2 magnetischer Südpol Gegenseitige Kräfte von zwei stromdurchflossenen Leitern Strom 2 elektrischer Strom fester. innerer Kern flüssiger, äußerer Kem Erdmantel magnetischer Nordpol Erde von innen Dort wo der geographische Nordpol liegt, liegt ebenfalls der magnetische Südpol und wo der geographische Südpol liegt, liegt ebenfalls der magnetische Nordpol. Die magnetischen Pole stimmen nicht mit den geographischen überein. Das Magnetfeld der Erde ähnelt dem eines Stabmagneten. Es entsteht unter anderem durch flüssiges Eisen im Kern und durch elektrische Ströme im Inneren. Kraft auf Ströme Leiterschaukel im Magnetfeld S Sobald Strom durch die Leiterschaukel fließt, wird diese nach rechts ausgelenkt. Die Auslenkung erfolgt in entgegengesetzer Richtung, wenn die Stromrichtung umgekehrt wird oder der Magnet umgedreht wird. Wenn die Stromrichtung parallel zur Magnetfeldrichtung ist, so ist F=0 Das gleiche Magnetfeld, das bisher durch einen Dauermagneten verursacht war, kann man auch mit einem Elektromagneten erzeugen. Dadurch ergibt sich ein weiterer Vorteil: Die konkreten Gegenstände, die diese Felder erzeugen, müssen nicht genauer betrachtet werden. Entscheidend sind Stärke und Richtung des Magnetfelds. Hier erzeugt der Stromfluss in Leiter I ein Magnetfeld, das mit der Rechten-Hand- Regel dargestellt werden kann. An der Stelle des zweiten Drahtes hat das Magnetfeld die eingezeichnete Richtung senkrecht zur Stromrichtung des zweiten Drahtes. Wenden wir nun die Drei-Finger-Regel a, so sehen wir dass Kraft auf Leiter I Leiter 2 wird also von Leiter I angezogen Lautsprecher Aufgabe 3-Lautsprecher Die Abbildung rechts zeigt den Aufbau eines Induktionslautsprechers. Als Magnet dient ein Hohlzylinder (Südpol) mit einem „Polschuh" (Nordpol) in der Mitte, um den ein dünner Draht gewickelt ist. Darüber befindet sich eine Membran, die sich bei einer Verschiebung der Spule verformt und so eine Schallwelle erzeugt. Halterung für Membran a.) Nun wird der Anschluss A der Spule mit dem Pluspol einer Batterie verbunden. Der Anschluss B entsprechend mit dem Minuspol. Beschreibe den physikalischen Effekt und nenne die Richtung, in die sich die Membran auslenkt. b.) Die Batterie wird nun durch eine Wechselspannung ersetzt. Beschreibe was nun passiert. Kraft auf bewegte Ladungen Lorentzkraft auf Ströme im Leiter B Lorentzkraft auf freie Ladungen (Fadenstrahlrohr) Membran Abitur BW 1996 LK a) Die Kraft und die Membran geht nach oben b) Die Kraft geht nach unten und oben abwechselnd? Die Mebram schwingt ebenfalls im gleichen Takt wie der Strom und wechselt ebenfalls von unten nach oben bzw. von oben nach unten Elektromotor Elektromotoren wandeln elektrische Energie in mechanische Bewegung um. Elektromotoren sind somit das Gegenstück zu Generatoren, die mechanische Bewegung in elektrische Energie umwandeln. Es gibt viele verschiedene Arten und Bauformen von Elektromotoren. Allerdings basieren Elektromotoren grundlegend alle auf einem ähnlichen Prinzip, das am Beispiel eines einfachen Elektromotors mit einem Permanentmagneten verdeutlicht wird Rotor (Anker) Kommutator Bürsten Anschlussklemme Dauermagnet als Stator (Südpol) Einfachanker als Rotor Dauermagnet als Stator (Nordpol) Wichtigsten Bestandteile Stator (Magnet) Der Stator (Permanentmagnet) erzeugt ein äußeres Magnetfeld Anschlussklemme Bürsten/ Schleifkontakte Energiequelle -Der Rotor/Anker (drehbar gelagerte Spule mit Eisenkern) befindet sich im magnetfeld des Stators und wird von Strom durchflossen. So wird er zum Elektromagneten mit Nord- und Südpol. Es wirkt eine magnetische Kraft, die gemäß der Drei- Finger-Regel der rechten Hand den Rotor dreht. -Kurz bevor der rotierende Elektromagnet die waagrechte Position erreicht und dort aufgrund der magnetischen Kraft stehen bleiben würde, wird der Stromfluss im Rotor durch den Kommutator/Polwender unterbrochen. Der Rotor durchläuft die Waagrechte (Trägheit!). In diesem Moment bewirkt der Kommutator, dass der Strom im Elektromagneten wieder fließt, jedoch jetzt in umgekehrter Richtung wie zuvor. Der Elektromagen bildet erneut Nord- und Südpol aus, allerdings auch umgekehrt wie zuvor. So dreht sich der Rotor im äußeren Magnetfeld des Stators weiter. Bewegung des Rotors/Ankers Zu Beginn steht der Rotor senkrecht zum Magnetfeld des Stator-Magneten. Wird nun der Rotor an die Stromquelle ngeschlossen und der Schalter wie in Abb. 3 geschlossen, so wird der Rotor zum Elektromagneten mit Nord- und Südpol Der Rotor bewegt sich aufgrund der Anziehung der verschiedenen Pole um eine Vierteldrehung. Dann bleibt der Rotor jedoch stehen. Grund hierfür ist, dass die verschiedenen Pole von Stator und Rotor nun nahe beieinander liegen, sich anziehen und sich der Rotor nicht mehr weiter dreht. Damit sich der Rotor weiter dreht, müssen die Pole des Stators oder des Rotors vertauscht werden. Da die Pole des Stators, die hier Dauermagnete sind, nicht einfach umkehren kann, benötigt man also einen Mechanismus, der die Magnetpole des Rotors umkehrt. Diese Funktion übernimmt meist der sog. Kommutator. Erläutere, wie man bei einem Elektromotor die Drehrichtung ändern kann. 1 Möglichkeit: Die Stromrichtung wird an der Energiequelle umgepolt (Plus- und Minuspol vertauschen). 2. Möglichkeit: Umkehren des äußeren Magnetfeldes (Stator umdrehen) Wie kann die Drehgeschwindigkeit des Rotors erhöht werden? IMöglichkeit: Erhöhung der Stromstärke (Rotor) 2. Möglichkeit: Stärker Permanentmagnet (Stator) Indunktionsspannung Wenn sich das Magnetfeld, das eine Leiterschleife durchsetzt, ändert, entsteht zwischen den Enden der Leiterschleife eine Induktionsspannung. Sie ist umso größer, je schneller sich das Magnetfeld ändert. Im Feldlinienmodell entsteht eine Induktionsspannung zwischen den Enden einer Leiterschleife genau dann, wenn sich die Anzahl der Feldlinien, die die Leiterschleife durchsetzen, ändert. Möglichkeiten fürs Auftreten von Induktionsspannung Eintauchen: Leiterschleife dreht sich: Induktion Magnetfeld wird stärker: T Spezialfall: Gerader Leiter und Spule aV 0 (B C Pu Q Bei einer Spule werden mehrere Leiterschleifen miteinander verbunden, dies verstärkt auch die Induktionsspannung, da mehr freie Elektronen beteiligt sind. ↑ Energieerhaltung bei der Induktion Auf einem Wagen befindet sich eine gewickelte Spule, die mit einem Kabel kurzgeschlossen ist. Man bewegt nun einen starken Stabmagneten hinein bzw. hinaus und beobachtet in welche Richtung sich der Wagen bewegt S N S V ↑ ↑ V V ↓ Keine Kraft N + Bewegt sich ein gerader Leiter quer durch ein Magnetfeld, so kann man auch die Lorentzkraft als Erklärung für die Induktionsspannung heranziehen mit Bewegung des Leiters werden auch die Elektronen im Leiter bewegt. Diese Elektronen erfahren jedoch keine Kraft, da sie senkrecht zu den Feldlinien und der Bewegungsrichtung sind. Es kommt zur Ladungstrennung längs des Leiters, die als Induktionsspannung messbar ist. S N 00000 100000 Induktionsspannung ↓ geschlossener Stromkreis ? nein kein Induktionsstrom Induktionsstrom teeeee Kraft S N Entgegen S V V V N F S F N F Die Abstoßung zwischen Magnet und Wagen lässt sich mit folgender Kausalkette erklären: I Wenn man den Stabmagneten auf die Spule zu bewegt, entsteht zwischen den Enden der Spule eine Induktionsspannung. 2. Dadurch, dass das Kabel den Stromkreis schließt, bewirkt die Induktionsspannung einen Induktionsstrom. 3. Dieser Strom baut ein Magnetfeld auf, welches dem Magnetfeld des Stabmagneten entgegengerichtet ist. 4. So entsteht eine abstoßende Kraft, die den Wagen zurückweichen lässt. Änderung des Magnetfelds in der Spule Abstoßung Abstoßung Wenn der Stromkeis geschlossen ist, wirkt der Induktionsstrom seiner Ursache entgegen Anziehung Antrieb durch Magnetfelder Aus der Energieerhaltung folgt: Der Induktionsstrom ist stets so gerichtet, dass er seine Ursache hemmt. L Fließt Strom in der linken Spule, wird dort ein Magnetfeld aufgebaut, das durch den Eisenkern noch verstärkt wird Funktionsweise eines Generators Ein Generator besteht aus einem starren Magnetfeld (Stator) und einer drehbar gelagerten Spule (Rotor). Wenn man die Spule dreht, ändert sich die Anzahl der Feldlinien in der Spule, sodass zwischen ihren Enden eine Spannung induziert wird, die über Schleifkontakte abgegriffen wird V U 2. Diese magnetfeldänderung führt in der rechten Spule auf dem Wagen zu einer Induktionsspannung 3. Die Spannung wiederum führt zu einem Induktionsstrom, der so gerichtet ist, dass er seiner Ursache entgegenwirkt - also dem sich aufbauenden Magnetfeld des Elektromagneten. 4. So sind die beiden Magnetfelder entgegengerichtet und der Wagen wird abgestoßen 90° 180 270° 360° Generator als Energiewandler Ziel: Kinetische Energie (Wind, Wasser) in elektrische Energie umwandeln Energie wird in Form von Rotationsenergie an den Generator weitergegeben, welche sie in elektrische Energie umwandelt. Ein Teil wird jedoch in innerer Energie umgewandelt. Der Wirkungsgrad gibt an, wie effizient die Energieumwandlung ist. 90° 180 270° 360° v t U 90° 180 270° 360° 90° 180 270° 360° Der Drehwinkel der Spule (beginnend bei 0° in liegender Position) ändert sich kontinuierlich. Dadurch wird eine sinusförmige Wechselspannung induziert. Selbstverstärkendes Magnetfeld Rotor Stator N B4 Dynamoelektrisches Prinzip. -Polschuh Primärsseite Primärspannung UI -Polschuh Die Funktion lässt sich mit folgender Kausalkette erklären: . Eine bewegliche Spule ist auf einem Eisenkern aufgewickelt (,,Doppel-T-Anker") und rotiert zwischen zwei anfänglich nur schwach magnetisierten Polschuhen (vgl B4). 2. Dabei entsteht Induktionsspannung, die am Kommutator abgegriffen wird Aus der Wechselspannung wird dadurch eine Gleichspannung 3. Es fließt nun Gleichstrom durch den Elektromagneten, weil der Stromkreis geschlossen ist. Dadurch werden die Polschuhe stärker magnetisiert und das Magnetfeld zwischen den Polschuhen wird stärker. 4. Die Induktionsspannung erhöht sich. Das führt zu einer höheren Stromstärke im Elektromagneten, bis eine Sättigungsgrenze erreicht ist und der Generator in vollem Betrieb arbeitet. Technische Anwendungen Das Prinzip eines Transformators Wechselspan- nungsquelle Spule Eisenkern Eisenkern Sekundärseite Sekundärspannung U2 N₁ U₁ N₁ N₂ = N₂ Ил Иг bzw. Windungszahl ni Windungszahl 2 Folgende Kausalkette erklärt, wie damit Spannung übertragen wird: I. An die Primärspule wird die Wechselspannung V, angelegt, deshalb fließt in ihr Wechselstrom. 2. Der Wechselstrom erzeugt ein sich ständig änderndes Magnetfeld (Wechselmagnetfeld"). 3. Der Eisenkern verstärkt das Magnetfeld und verlängert es in die Sekundärspule hinein. 4. Zwischen den Enden der Sekundärspule entsteh das Wechselmagnetfeld eine Induktionsspannung U2 Ein Transformator funktioniert nur mit Wechselspannung, weil eine dauerhafte Induktionsspannung eine dauerhafte Magnetfeldänderung benötigt. Energieübertragung beim Transformator Ausgangs- leistung P₂ Eingangs- leistung P₁ Was rein kommt muss auch raus kommen Transformator Übersetzung beim idealen Transformator n = 100% E₁=E₂ 4t (Energieerhaltung) Formel: U₁=230 230 V~ E₁ At U₁ Из P₁ = P₁₂ U₁·1₁ = U₂ · 1₂ = N₁=500 E₂ At Hochspannung: Hörner-Blitz-Versuch 100000 |_\ U₂ №₂₁ U₂ N₂ = bzw. N₁=500 ееее Hochstromtransformation Eisenkem E₁ At=E₂ At P₁₂₁ = P₂ U₁₁ U₂₂ U₁ 12 U₂ 1₁ Î №₁ 4₁ N₂ 12 Eisen kem Из N₂ U₁ N₁ Leeeeeeee Из N₂=23000 = N₂ №₁ • U₁ • U₁ = Zeitspanne, während der Strom fließt Wir sehen, dass aus Gründen der Energieerhaltung das Verhältnis der Spannungen am Transformator umgekehrt zum Verhältnis der Stromstärken sein muss. Das gilt jedoch nur für einen "idealen" Transformator, bei dem man Umwandlungen in innere Energie vernachlässigt Beim idealen Transformator gilt für die Verhältnisse der Windungszahlen n, Spannungen U und Stromstärke I von Primär- und Sekundärseite: U₂? U₂₁ U₂ 23000 500 N₁ N₂ 12 Diese Gesetzte gelten nur näherungsweise, weil ein idealer, verlustfreier Transformator in der Praxis nicht realisierbar ist. N₂ N₂₁ Erklärung der Blitze Durch die sehr hohe Spannung U2 springt ein Funke über (ionisiert Luft) und erwärmt die Luft. Diese steigt auf, solange bis der Bogen reißt. •230V 10580V 10,6 kV Durch den Widerstand (Nagel) in der Sekundärspule fließt ein Sekundärstrom 12. Wegen des Windungsverhältniss wird 12 sehr groß ->Leitungen erwärmen sich ->Nagel beginnt zu glühen (elektrisches schweißen)