Die elektromagnetische Induktion

Die elektromagnetische Induktion
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Inhalt
Die elektromagnetische Induktion
Wird ein Leiter durch das Magnetfeld geführt, so bewegen
sich mit ihm auch seine freien Elektronen. Bewegte
Elektronen werden von einem Magnetfeld durch die
Lorentzkraft senkrecht zur ihrer Bewegungsrichtung
abgelenkt. Auf der einen Seite des Leiters bildet sich ein
Elektronenüberschuß, auf der anderen Seite ein
Elektronenmangel. Zwischen den Leiterenden entsteht
eine
Spannung.
Ist der Stromkreis geschlossen, so ruft die
Induktionsspannung einen Strom hervor. Die Richtung des
Stromes ist von der Bewegungsrichtung des Leiters und
von der Richtung des Magnetfeldes abhängig. Sie kann
mit der Generatorregel (rechte Hand) bestimmt werden.
Die induzierte Spannung wird fast immer von
Leiterschleifen oder von Spulen abgenommen.
Erkenntnis:
Bewegt man die Leiterschleife im Magnetfeld in eine Richtung, so ändert sich der magnetische Fluß in der Schleife.
Es wird während der Bewegung eine Spannung induziert. Diesen Vorgang nennt man Induktion. Die Richtung der
induzierten
Spannung
hängt
von
der
Richtung
der
Bewegung
ab.
Generatorprinzip: Magnetfeld und Bewegung eines Leiter erzeugen eine Spannung.
Die Rechte- Hand- Regel
Hält man die rechte hand so, daß die Feldlinien vom
Nordpol her auf die Innenfläche der Hand treffen und der
abgespreizte Daumen in die Bewegungsrichtung zeigt, so
fließt der Induktionsstrom in Richtung der ausgestreckten
Finger.
Lenz'sche Regel
Bei der Bewegung des Leiters durch das Magnetfeld wird im Leiter eine Spannung induziert, die einen Strom zur
Folge hat. Durch diesen Strom wird ein Magnetfeld um den Leiter hervorgerufen, daß sich dem Polfeld überlagert.
das Feld um den Leiter ist so gerichtet, daß sich das gemeinsame resultierende Feld vor dem Leiter verdichtet und
deshalb auf den Leiter eine Kraft gegen die Bewegung ausübt. Aus der Richtung des Feldlinienstaus vor dem Leiter
läßt sich die Stromrichtung bestimmen.
Erkenntnis:
Der durch eine Induktionsspannung hervorgerufene Strom ist stets so gerichtet, daß er der Ursache der Induktion
entgegenwirkt.
Induktion in Spulen
Für den Vorgang der magnetischen Induktion ist nicht das Schneiden von Feldlinien das Entscheidende, sondern nur
die Änderung des Magnetflusses, der den Leiterkreis durchsetzt. Deshalb entstehen auch in ruhenden Drahtspulen
beim Annähern oder Entfernen eines Dauermagneten eine Induktionsspannung.
Erkenntnis:
In einer Drahtwindung oder Spule wird eine Urspannung induziert, wenn der von der Drahtwindung oder Spule
umfaßte Magnetfluß sich ändert.
Die Größe der erzeugten Induktionsspannung hängt ab:
1. Von der Windungszahl der Spule und damit von der Leitungslänge
Nur bei der Reihenschaltung von Spulen erhöht sich die
Windungszahl und somit die Leitungslänge. Bedeutet bei
der Reihenschaltung erhöht sich die Induktionsspannung.
Bei der Parallelschaltung wird nur der Querschnitt
(Stromdichte) erhöht.
2. Von der Geschwindigkeit der Feldänderung
Die Geschwindigkeit der Leiterschleife bzw. Magneten
kann im linearen Bereich oder wie im Generator üblich im
Kreis erzeugt werden.
Lineare Bewegung
3. Von der Größe der magnetischen Induktion B
Nur bei Parallelschaltung von Spulen wird die
Induktionsdichte B vergrößert und somit vergrößert sich
auch die Induktionsspannung.
Induktion durch Bewegung
In Formelbuchstaben:
U0 = B . l . v . z
In Einheiten:
[ V = Vs . m . m ]
m2
s
Erklärung:
U0
= Induktionsspannung
Kreisbewegung
B
l
v
z
= Induktivitätsdichte Tesla = [T]
= wirksame Leitungslänge
= Geschwindigkeit
= Leiterzahl
Induktive Spannungserzeugung
Elektrische Spannung läßt sich mit Hilfe des magnetischen Feldes erzeugen. Dabei kann entweder der Leiter in einem
feststehenden Feld umlaufen oder das umlaufende Feld am feststehenden Leiter vorbei. Mit beiden Möglichkeiten wird
im Generator Spannung erzeugt.
Erklärung:
Das Magnetfeld (Stator oder Hauptfeld) wird durch zwei
mit Polschuhen versehenen Spulen erzeugt. Die
Leiterschleife entspricht den Zweipolrotor. Die in die
Bürstenbrücke eingesetzten Kohlen greifen die bei
Bewegung des Rotors erzeugte Spannung ab und führt sie
dem Meßinstrument zu.
Bewegt man den Rotor, der zu Beginn waagerecht im
Polfeld stehen soll, so zeigt das Meßgerät einen
Ausschlag der nach einer Rotordrehung nun 90° am
größten ist. Es wird die Höchstzahl von Kraftlinien
geschnitten in senkrechter Position: positive maximale
Spannung (siehe Darstellung unten). Nach einer
Umdrehung von 90° sinkt die Spannung auf Null ab. Bei
weiteren 90° erreicht die Spannung wieder ein Maximum
aber in entgegengesetzter Richtung. Nach einer
Gesamtdrehung des Rotors von 360° beträgt die
Spannung wieder Null.
In der Praxis rücken an Stelle der Dauermagneten Elektromagnete, die an eine Gleichspannung angeschlossen sind.
Zum Nachweis des Zeitlichen Verlaufs der vom Generator erzeugten Spannung kann man die Spannungskurve am
Kathodenstrahl-Ozillographen sichtbar machen.