2_9_Elektromotorische_Kraft

Elektromotorische Kraft
1
Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters
Linke-Faust-Regel:
Ist die Bewegungsrichtung der Elektronen bekannt,
kann mit der „Faustregel“ der Richtungssinn
der Feldlinien ermittelt werden.
(Ch. Oersted 1820)
Dabei zeigt bei der
physikalischen Stromrichtung
der Daumen der linken Hand in
Stromrichtung, die Finger geben
die Magnetfeldrichtung an.
2
Leiterschaukel
Kraft
FL = 1 N
Kräfte auf Ströme im Magnetfeld:
1. Magnetfeld eines äußeren Magneten
2. Bewegung der Elektronen
3. Kraftwirkung auf den Leiter (Lorentzkraft FL)
Strom
I=1A
Stärke des Magnetfeldes:
B = 1 T (Tesla)
.
3
Die Lorentzkraft
Hendrik A. Lorentz
(1853-1928)
Auf Elektronen (Ladungen), die sich in einem Magnetfeld
bewegen, wirkt eine Kraft. Sie heißt Lorentzkraft FL.
Sie wirkt senkrecht zur Bewegungsrichtung der Elektronen
und senkrecht zu den Feldlinien des Magnetfelds.
Kathodenstrahlröhre:
Ablenkspule
B
v
FL
4
Masse des Elektrons me
Fadenstrahlrohr
Kräftegleichgewicht:
FL  e  v  B
FZentripetal
me 
Geschwindigkeit
v über :
evr  B
v2
er  B

,
v
1
W  me v 2  e U 0 , also v 
2
e  r 2  B2
me 
 9.11031 kg ,
2 U 0
v2
 me 
r
2  e U 0
me
mit Beschleunigungsspannung U0
Elementarladung e (Millikan-Versuch)
5
Richtung und Größe der Lorentzkraft
UVW-Regel:
Ursache: Strom(richtung) → Daumen
Vermittlung: Magnetfeld
→ Zeigefinger
(Kraft)Wirkung:
Bewegungsrichtung → Mittelfinger
U
V
W
6
Zurück zur Leiterschaukel
.
W
FLL
V
B
U
FG1
FG2
7
Anwendungsbeispiel: Lautsprecher
Kraft F
bei Wechselstrom
N
Membran
Zentrierspinne
NS
Korb
Dauermagnet
SN
Schwingspulen
Polkern mit unterer Polplatte
S
8
Stromdurchflossene Leiterschleife im Magnetfeld
1. Magnetfeld B eines äußeren Magneten
2. Bewegung v der Elektronen
3. Kraftwirkung auf den Leiter (Lorentzkraft FL)
FL
v
B
B
-
+
v
„Totpunkt“ ist erreicht,
wenn die Spulenwindung
senkrecht steht.
(Lorentz-Kräfte FL
kompensieren sich und üben
kein Drehmoment mehr aus.)
FL
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Drehspulinstrument
(1) Weicheisenkern
• vermindert magn. Widerstand
• homogenes Feld im Luftspalt
(2) Permanentmagnet
(3) Polschuhe
(4) Skala
(5) Spiegelskala
(6) Rückstellfeder
(7) Drehspule
(8) Ruhelage
(9) Maximalausschlag
(10) Spulenkörper
(11) Justierschraube
(12) Zeiger
(13) Südpol
(14) Nordpol
10
Spule im Magnetfeld
Die Spulenbewegung lässt sich über das Magnetfeld der Spule bestimmen
(Linke-Hand-Regel):
S
S
N
N
Elektronenbewegung
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Elektromotor 1
www.walter-fendt.de
Um eine fortlaufende Drehbewegung zu erhalten,
benötigt der Motor einen selbstregelnden,
drehfähigen Anschluss (Kommutator, Kollektor).
hier: Gleichstrommotor mit Dauermagnet
www.wikipedia.de
Was passiert bei Wechselspannung ?
Anker dreht bis in den „Totpunkt“ und
bleibt dort stehen.
+
12
Elektromotor 2
Universalmotor
Gleichsspannung
www.wikipedia.de
•Stator ist kein Dauermagnet, sondern
eine Spule.
•Anker- und Statorspule sind in Reihe
(Reihenschluß)
+
-
Statorspule bewirkt konstantes Magnetfeld wie ein Dauermagnet.
( = Gleichstrommotor mit Dauermagnet)
Wechselspannung
~
~
Anker- und Statorspule polen gleichzeitig um, wodurch der Drehsinn
konstant bleibt . „Totpunkt“ gibt es immer noch, in dem sich ungleichnamige
Pole von Anker- und Stator gegenüberstehen (Abhilfe: Kommutator)
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Gleichstrommotor
www.wikipedia.de
(Scheibenwischermotor Trabant)
www.wikipedia.de
Verschiedene Formen von Elektromotoren
Wechselstrommotor
(Reihenschlussmotor, Antrieb der Radialturbine eines Staubsaugers)
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Reihenschluß-Elektromotor
Wechselspannung (AC):
• Haushaltsgeräte (Staubsauger, Mixer, Haartrockner, …)
• Werkzeuge (Bohrmaschine, Kreissägen, Hobel, Schleifmaschinen, …)
• Eisenbahn (bis 2003 in der Baureihe E 103,
ab 1979 Drehstromtechnik mit E 120)
E 103
E 120
Gleichspannung (DC) :
• Fahrzeug-Startermotoren (Autoanlasser, …)
• Golfwägen und Elektrofahrzeuge (Rollstuhl, …)
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Hall-Effekt
Edwin Herbert Hall
1855-1938
d
b
EH
-
UH
16