PhKL1201_06InduktionBeliebt! - Physik Kl. 11: Thermodynamik (2

PHYSIK KLASSE 12
B
v
+
V
FL
ELEKTRODYNAMIK 6
Die elektromagnetische Induktion
3.6.7, 2015-2016
H. Knopf
Physik Klasse 12.1: Elektrodynamik 6
Dieses Material ist ausschließlich für den unterrichtsbegleitenden Einsatz bestimmt. Dieses Dokument stellt keinen Ersatz für den Unterricht dar. Die Teilnahme an den Unterrichtsveranstaltungen ist zwingend erforderlich. Die Lektüre
der im Anhang angegebenen Literatur wird dringend empfohlen. Jede weitere
Nutzung – insbesondere Vervielfältigung jeglicher Art – bedarf der ausdrücklichen Zustimmung des Autors.
Wie jede Publikation ist auch diese nicht gänzlich frei von Fehlern. Die Benutzung erfolgt auf eigene Gefahr und ohne Gewähr für die Folgen.
Titelbild: Werner von Siemens (1816 - 1892) /25/
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6. KURSHALBJAHR 12.1: ELEKTRODYNAMIK 6 – DIE ELEKTROMAGNETISCHE INDUKTION 4
6.1. DAS ELEKTROMOTORISCHE PRINZIP UND SEINE UMKEHRUNG..................................................................... 4
6.1.1. Das elektromotorische Prinzip ........................................................................................................... 4
6.1.2. Das Generator-Prinzip ...................................................................................................................... 5
6.1.3. Das Induktionsgesetz für einen einzelnen Leiter ................................................................................ 7
6.1.4. Induktion in Leiterschleifen ............................................................................................................... 8
6.1.5. Das Lenzsche Gesetz ........................................................................................................................ 12
6.1.6. Das allgemeine Induktionsgesetz ..................................................................................................... 13
6.2. ANWENDUNGEN DES INDUKTIONSGESETZES ............................................................................................. 14
6.2.1. Der Wechselstromgenerator ............................................................................................................ 14
6.2.1.1. Herleitung der Induktionsspannung .......................................................................................................... 14
6.2.2. Der Transformator ........................................................................................................................... 15
6.2.2.1. Der ideale Transformator .......................................................................................................................... 15
6.2.2.2. Der reale Transformator ............................................................................................................................ 17
6.2.2.2.1. Die Stromrückkopplung ................................................................................................................... 17
6.2.2.2.2. Wirbelströme ................................................................................................................................... 18
6.2.3. Selbstinduktion ................................................................................................................................. 19
6.3. REGISTER KURSHALBJAHR 12.1 : ELEKTRODYNAMIK 6 – DIE ELEKTROMAGNETISCHE INDUKTION .......... 21
6.4. VERZEICHNIS DER ABBILDUNGEN, TABELLEN, QUELLTEXTE UND DEFINITIONEN KURSHALBJAHR 12.1 :
ELEKTRODYNAMIK 6 – DIE ELEKTROMAGNETISCHE INDUKTION ..................................................................... 22
6.5. QUELLEN KURSHALBJAHR 12.1 : ELEKTRODYNAMIK 6 – DIE ELEKTROMAGNETISCHE INDUKTION ........... 24
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6. Kurshalbjahr 12.11: Elektrodynamik 6 – Die elektromagnetische Induktion
6.1. Das elektromotorische Prinzip und seine Umkehrung
6.1.1. Das elektromotorische Prinzip
Wie wir bereits in den vorherigen besprochen haben, bewirkt ein Stromfluss in
einem Leiter, welcher sich in einem Magnetfeld befindet, die Bewegung dieses
Leiters. Die Richtung der dafür verantwortliche Lorentzkraft, ließ sich mit der
Linken-Hand-Regel bestimmen.
Abbildung 1: Schaukelversuch von Oerstedt
Stromrichtung
Lorentzkraft
Magnetfeld
Linke-Hand-Regel (UVW-Regel) für die Lorentzkraft
Wenn
 der Daumen in Stromrichtung (Elektronenbewegung: -  +) zeigt (Ursache) und
 der senkrecht dazu gespreizte Zeigefinger in Richtung des Magnetfeldes
(Nord  Süd) geht (Vermittlung),
 so zeigt der senkrecht dazu gespreizte Mittelfinger in Richtung der Lorentzkraft (Wirkung).
Man nennt diesen Mechanismus auch das elektromotorische Prinzip. Kurzgefasst sieht es so aus:
1
Nach RRL 2003.
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Abbildung 2: elektromotorisches Prinzip
Ursache
Stromfluss
Vermittlung
Magnetfeld
Wirkung
Bewegung
6.1.2. Das Generator-Prinzip
Wenn wir Ursache und Wirkung vertauschen, so müsste bei einer Bewegung
eines Leiters in einem Magnetfeld ein Stromfluss auftreten. D.h. dass aus dem
elektromotorischen Prinzip ein Generator-Prinzip würde. Die Frage ist nur, ob
diese einfache Vertauschung wirklich möglich ist.
Ursache
Bewegung
Abbildung 3: Generator-Prinzip
Bevor wir die Vermutung experimentell überprüfen, versuchen wir das Problem mit einem
Gedankenexperiment zu lösen.
Vermittlung
Magnetfeld
Wirkung
Stromfluss
Dazu denken wir uns einen Stab, der beweglich auf zwei Führungsschienen in einem
Magnetfeld liegt. Über die Führungsschienen
kann ein Spannungsmesser angeschlossen
werden (Abbildung 4).
B
Abbildung 4: Induktionsspannung in einem
Leiter
v
+
V
Wenn ein Leiter durch ein Magnetfeld bewegt wird, so wirkt auf die
Ladungen im Leiter die LorentzPhysik_Klasse12_1-06-ElektroDynamik-Induktion_ON1516.docx * Jan.
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FL
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kraft. Für die Abbildung 4 bedeutet dies, dass die Elektronen sich zum Betrachter bewegen. Dadurch werden an den Enden des Leiters Ladungen getrennt. Also bildet sich zwischen den Enden des Leiters eine Spannung aus. Diese Spannung nennt man Induktionsspannung.
ABER: Im sich bildenden elektrischen Feld zwischen den Enden wird es immer
schwerer, Ladungen zu trennen.
Abbildung 5: Behinderung der Induktion
B
FL
v
+
I
Außerdem muss man beachten, dass auf die Ladungen des Stroms ebenfalls eine
Lorentzkraft wirkt. Diese Kraft wirkt genau der Bewegung der Ladungen entgegen (Abbildung 5).
Wenn die Lorentzkraft nicht behindernd auf die Bewegung des Leiters wirken
würde, sondern im Gegenteil positiv beschleunigend, so würde dies bedeuten,
dass die Geschwindigkeit der Bewegung ohne weitere Ursache immer weiter
steigen würde. Das bedeutet, dass die kinetische Energie immer weiter steigt.
Nach dem Energieerhaltungssatz kann die Energie aber nicht unendlich steigen.
Man würde sonst ein perpetuum mobile 1. Art erhalten.
Dieses Verhalten, dass die Wirkung der Induktionsspannung der Ursache entgegen wirkt, ist unter dem Namen Lenzsche Regel bekannt.
Abbildung 6: experimentelle Überprüfung des Generatorprinzips (mit Messverstärker)
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6.1.3. Das Induktionsgesetz für einen einzelnen Leiter
Wie wir gerade feststellten, so bildet sich im Leiter durch die Ladungstrennung
ein elektrisches Feld. Hierbei gilt:
Gleichung 1
F Feld   F L
Die Feldstärke im Leiter hängt von der Induktionsspannung U ind und der Leiterlänge l ab:
Gleichung 2
E
U ind
l
Weiter gilt für die Feldkraft, die auf die Elektronen wirkt
Gleichung 3
E
Fel Fel
.

q
e
Setzt man Gleichung 2 in Gleichung 3 ein, so bekommt man für die Feldkraft
Gleichung 4
Fel 
U ind e
l
Da laut Gleichung 1 die elektrische Feldkraft und die Lorentzkraft entgegen
wirken, kann man über die Beträge der beiden Kräfte sagen:
FL  Fel
evB 
U ind e
l
Und damit folgt
Gleichung 5: Induktionsgesetz für einen einzelnen Leiter
U ind  vlB
falls v  B
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6.1.4. Induktion in Leiterschleifen
In der Anwendung wird man sich mit einzelnen Leiterstücken nicht begnügen.
Um eine möglichst große Induktionsspannung zu bekommen, setzt man Spulen
ein, in denen die Spannung induziert wird.
Zunächst wollen wir eine einfache Spule – eine mit einer einzelnen Windung –
nehmen und in diesem einfachen Fall das Verhalten untersuchen. Diese Leiterschleife wird senkrecht durch das Magnetfeld bewegt (Abbildung 7).
Die Leiterschleife umschließt eine gewisse Fläche As, die immer senkrecht zum
Feld steht. Wir wollen darauf achten, wie viel von dieser Fläche vom Magnetfeld getroffen wird.
Abbildung 7: Bewegung einer Leiterschleife durch ein Magnetfeld
a)

B

v

Der Leiter befindet
sich vollständig außerhalb.
Es tritt keine Induktionsspannung auf
As = 0
V
b)
Ielektron
Ielektron

B

v
I
+
FL
V
Uind

c)


B
FL
FL
v

V


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Der Leiter tritt in
das Magnetfeld ein
Im im Feld befindlichen Teil der
Schleife entsteht
durch die Lorentzkraft ein Elektronenfluss.
Es entsteht eine
Induktionsspannung
As nimmt zu
Die Schleife ist
vollständig im
Magnetfeld.
Im linken und rechten Teil der Schleife
treten Lorentzkräfte
auf, die sich gegenseitig kompensieren.
Es existiert keine
Induktionsspannung.
As = konstant
S. 8
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d)
B

Ielektron
FL
Ielektron

+
I
v
V
Uind


Der Leiter tritt in
das Magnetfeld ein
Im im Feld befindlichen Teil der
Schleife entsteht
durch die Lorentzkraft ein Elektronenfluss.
Es entsteht eine
Induktionsspannung, die eine umgekehrte Polung gegenüber der
Spannung beim Eintritt hat.
As nimmt ab
Die Leiterschleife umschließt eine gewisse Fläche, die immer senkrecht zum
Feld stand.
Bei einem Generator steht diese Fläche nicht immer senkrecht, sondern wird
gedreht. Offensichtsichtlich funktioniert das ebenfalls.
Abbildung 8: Generator
Dauermagnete
Fläche senkrecht
zum Magnetfeld.
Hier stehen die Querschnittsflächen A der Spulen zwar nicht immer senkrecht
zum Feld, aber man kann sich eine Komponente As von A denken, die senkrecht
steht (Abbildung 9).
Abbildung 9: Veränderung der senkrecht vom Magnetfeld durchsetzten Fläche
a)
As
As maximal.
A
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As nimmt ab.
b)
As
A
As = 0
c)
As
A
As nimmt zu
d)
As
A
Solange sich die Fläche ändert, die vom Magnetfeld senkrecht getroffen wird, so
lange tritt eine Induktionsspannung auf. Dabei gilt:
Gleichung 6
U ind ~
dAt 
At 
bzw. U ind ~
bei konstanter Drehzahl
dt
t
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Aber, wenn wir eine Spule nehmen und diese neben eine andere stellen
(Abbildung 10), so kann man ebenfalls eine Induktionsspannung hervorrufen,
wenn es sich um eine Wechselspannung handelt!
Abbildung 10
N
S
~
N
S
V
Hierbei ist es nicht notwendig, dass die senkrecht vom Magnetfeld getroffene
Fläche verändert wird. D.h. es muss eine weitere Möglichkeit geben!
Was ändert sich hier? – Richtig, die magnetische Flussdichte wird durch den
Wechselstrom verändert. Besonders stark wird die Induktionsspannung, wenn
die Veränderung sehr schnell erfolgt.
Gleichung 7
U ind ~
dBt 
Bt 
bzw. U ind ~
bei gleichmäßiger Veränderung von B
dt
t
 Eine Induktionsspannung entsteht also wenn sich zeitlich die senkrecht vom
Magnetfeld getroffene Fläche ändert oder die magnetische Flussdichte oder beides. Mathematisch lässt sich
das Verhalten durch das Produkt BA ausdrücken.
Abbildung 11: Wilhelm Weber (1804 – 1891) /26/
Dieses Produkt heißt magnetischer Fluss .
Gleichung 8: magnetischer Fluss
  B A
Die Einheit des magnetischen Flusses  lautet:
  B  A
Nm 2 Nm Js
  Tm 


 Vs
Am
A
C
2
Die Einheit Vs wird zu Ehren des Physikers Wilhelm Weber mit Wb (sprich
Weber) abgekürzt.
1Vs=1Wb
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6.1.5. Das Lenzsche Gesetz
Wie wir bereits erwähnten, hat die Lorentzkraft eine weitere Wirkung, die sich
in einer Behinderung der Bewegung des Leiters/ der Leiterschleife zeigt. Diese
Kraft ist ihrerseits ebenfalls eine Lorentzkraft. Dies ist dem Energieerhaltungssatz geschuldet, der verbietet, dass die Bewegung unterstützt und damit schneller wird (Abbildung 12).
Abbildung 12
B
FL
v
+
I
Kontinuierliche Arbeitsverrichtung nötig!
-
Anderenfalls würde es sich um ein perpetuum mobile2
handeln.
Im Jahre 1834 erkannte der Physiker Heinrich Friedrich
Emil Lenz, dass die Wirkung einer Induktionsspannung
immer ihrer Ursache entgegen wirkt.
Abbildung 13: Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804 – 1865) /27/
Definition 1: Lenzsche Regel
Eine Induktionsspannung wirkt ihrer Ursache stets entgegen.
Sehr anschaulich kann die Lenzsche Regel mittels des Thomsonschen Ringversuches gezeigt werden.
Abbildung 14: Ringversuch nach Thomson /28/
Eine Spule wird durch einen Schalter an eine Gleichspannung angeschlossen. Durch den einsetzenden Strom wird in der Spule eine
starke Veränderung des Magnetfeldes hervorgerufen. Dies erzeugt
in einem geschlossenen Metallring eine große Induktionsspannung. Durch den geschlossenen Ring entsteht ein Stromfluss und
damit ein Magnetfeld. Nach der Lenzschen Regel, wirkt das Magnetfeld dem
Spulenmagnetfeld entgegen und der Ring wird nach oben abgestoßen. Warum
ist die Wirkung bei einer Wechselspannung sogar noch größer?
2
Perpetuum mobile 1. Art!
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6.1.6. Das allgemeine Induktionsgesetz
Zusammenfassend kann man aus den Gleichungen Gleichung 6 bis Gleichung 8
folgende Gleichung für eine einzelne Leiterschleife finden:
Gleichung 9
U ind 
d d BA

bzw. U ind 
bei gleichmäßiger Änderung von 

t
dt
dt
Für eine Spule mit N Windungen bekommen wir das sogenannte Induktionsgesetz. Zusätzlich wird das Lenzsche Gesetz durch ein Minuszeichen deutlich gemacht:
Gleichung 10: Induktionsgesetz
U ind   N
d
d BA
 N
dt
dt
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6.2. Anwendungen des Induktionsgesetzes
6.2.1. Der Wechselstromgenerator
6.2.1.1. Herleitung der Induktionsspannung
Ein technische Anwendung des Induktionsgesetzes ist der Wechselstromgenerator bzw. Gleichstromgenerator.
Abbildung 15: Wechsel- und Gleichstromgenerator
a) Gesamtansicht
b) Wechselstromkontakte
c) Gleichstromkontakte
Die Induktionsspannung entsteht hier durch Drehung des Rotors und damit
durch eine Veränderung der senkrecht durchsetzten Querschnittsfläche der Spule. Die magnetische Flussdichte bleibt konstant. Aus dem Induktionsgesetz kann
man eine Formel für die erzeugte Spannung ableiten:
d
dt
d BA 
 N
dt
U ind   N
U ind
Gleichung 11
dA 
 dB
U ind   N 
 A B 
dt 
 dt
Da die magnetische Flussdichte konstant bleibt (
dB
 0 ), folgt daraus:
dt
Gleichung 12
U ind   NB 
dA
(A B)
dt
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6.2.2. Der Transformator
6.2.2.1. Der ideale Transformator
Eine weitere Anwendung ist der Transformator. Der schematische Aufbau ist in
Abbildung 16 zu sehen.
Abbildung 16: unbelasteter Transformator
Die Wechselspannung im
Primärstromkreis erzeugt in
N
der Primärspule einen WechV
selstrom und damit ein wechU
selndes Magnetfeld. Durch
U
S
den Eisenkern, der zwei Spulen verbindet, entsteht das
wechselnde Magnetfeld auch
in der Sekundärspule. Durch die veränderliche magnetische Flussdichte entsteht
laut Induktionsgesetzt eine Induktionsspannung in der Sekundarspule.
N
~
V
1
S
2
Bleibt der Sekundärstromkreis offen (d.h. R   ), so fließt kein Strom und
der Transformator heißt unbelastet.
Die magnetische Flussdichte ist also veränderlich und die senkrecht durchsetzten Querschnittsfläche der Spule ist konstant. Aus dem Induktionsgesetz kann
man eine Formel für die erzeugte Spannung ableiten:
d
dt
d BA 
 N
dt
U ind   N
U ind
Gleichung 13
dA 
 dB
U ind   N 
 A B 
dt 
 dt
Da die magnetische Flussdichte konstant bleibt (
dA
 0 ), folgt daraus:
dt
Gleichung 14: Induktionsspannung am Transformator
U ind   NA
dB
dt
Für den unbelasteten Transformator gilt für das Verhältnis von Primär- zu Sekundärspannung:
Gleichung 15: Spannungsübersetzung am unbelasteten idealen Transformator
U1 N1

U 2 N2
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Durch ein entsprechende Wahl der Windungszahlen N1 und N2 kann man eine
gegebene Spannung hoch transformieren und herunter transformieren.
Abbildung 17: belasteter Transformator
N
N
~
R
S
I2
A
S
I1
A
Befindet sich im Sekundärstromkreis ein Widerstand (z.B. ein beliebiges Gerät) so fließt ein Sekundärstrom und der Transformator heißt belastet.
Für den idealen belasteten Transformator gilt:
Gleichung 16 Stromübersetzung am belasteten idealen Transformator
I1 N 2

I 2 N1
Beim Heruntertransformieren der Spannungen wird also gleichzeitig die Stromstärke herauf gesetzt.
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6.2.2.2. Der reale Transformator
6.2.2.2.1. Die Stromrückkopplung
Während bei einem idealen Transformator die Veränderung der Primärspannung
eine Veränderung der Primärstromstärke und damit eine Veränderung des magnetischen Flusses, also eine Induktionsspannung hervorruft
(kurz: U1~  I1  B1  1  Uind  U2~ ), reagiert der reale Transformator anders.
Abbildung 18: idealer Transformator
N
U2
V
U1
I1
R
V
S
~
N
S
I2
A
A
Das zeigt sich z.B. darin, dass die Spannungsübersetzung (Gleichung 15) und
auch die Stromübersetzung (Gleichung 16) nicht dem erwarteten Verhältnis entsprechen.
Was ist die Ursache dafür? Zum einen kann man die Lenzsche Regel zum anderen die sogenannte Stromrückkopplung als Grund anführen.
Abbildung 19: realer Transformator
N
U2
I1
S
U1
R
V
V
~
N
S
I2
A
A
Rück
Im realen Transformator tritt im Sekundärstromkreis ein Stromfluss auf. Dieser
Wechselstrom erzeugt in der Sekundärspule des Transformators selbst eine Induktionsspannung. Diese Induktionsspannung wirkt nach der Lenzschen Regel
ihrer Ursache entgegen. Diese Ursache liegt in der Änderung des magnetischen
Flusses in der Primärspule. Folglich muss die neue Veränderung des magnetischen Flusses den ursprünglichen behindern! D.h. die die Induktionsspannung
erzeugende Veränderung des magnetischen Flusses  wird durch  Rück verringert. Dies führt zu einer Verkleinerung der Induktionsspannung.
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Abbildung 20: Rückkopplung am realen Transformator
U1~  I1  B1

 
Uind  U 2~
Iind~
BRück
 Rück
Lenzsche Regel

B 2
Da eine kleinere Induktionsspannung eine kleinere Rückkopplung verursacht,
nimmt die Induktionsspannung wieder zu. Dies geht so lange, bis sich ein
Gleichgewichtszustand am Transformator eingestellt hat. Auf jeden Fall wird
die ideale Spannungs- bzw. Stromübersetzung nicht erreicht.
6.2.2.2.2. Wirbelströme
Ein weiteres Phänomen sind die Wirbelströme. Sie entstehen dadurch, dass im
Eisenkern des Transformators ebenfalls eine Induktionsspannung entsteht und
dass im Material Ströme fließen. Diese Ströme sind kreisförmig, was zu ihrem
Namen beigetragen hat. Diese Ströme erwärmen den Eisenkern sehr stark und
vermindern seinen Wirkungsgrad erheblich.
Um die Ströme klein zu halten baut man die Kern nicht massiv sondern in geblätterter Form. Dazu werden gegeneinander isolierte dünnere Eisenplättchen
zusammengepresst. Dadurch fließen die Wirbelströme jeweils in einzelnen
Plättchen und sind dadurch kleiner.
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6.2.3. Selbstinduktion
Wie wir bereits am Transformator gesehen haben, entstehen Induktionsspannungen auch an Stellen, wo sie nicht erwünscht sind. Des weiteren kann eine
Induktionsspannung auch in der Spule entstehen, die das die Induktionsspannung erregende Magnetfeld erzeugt. Hier
spricht man von Selbstinduktion.
Am Beispiel zweier Lampen in einem gemeinsamen Stromkreis mit einer Spule kann
man die Selbstinduktion gut zeigen
(Abbildung 21/ Abbildung 22).
Abbildung 21: Aufbau des Selbstinduktionsversuches
Abbildung 22: Schaltskizze zur Selbstinduktion
Abbildung 23: Details zu Spule und Widerstand
L1
L2
+
-
Abbildung 24: Ströme
IL
Iind
I1
L1
Beobachtung: Beim Einschalten leuchtet die
Lampe L1 etwas später auf. Bei Ausschalten leuchtet sie etwas länger.
I2
Erklärung: Die Stromstärke in der Lampe L1 hat
I sofort ihren Maximalwert und leuchtet sofort auf.
In der Lampe L2 beträgt die Stromstärke IL. Durch
die Induktionsspannung, die in der Spule entsteht,
+ wird ein Induktionsstrom erzeugt. Nach der Lenzschen Regel wirkt dieser Strom der Ursache entgegen. Also gilt:
L2
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Gleichung 17
I L t   I1  I ind t 
Beim Einschalten ist die Induktionsspannung zunächst sehr groß. Dann nimmt
sie im Laufe der Zeit ab. Nach einer endlichen Zeit geht I ind t  auf Null zurück,
da dann keine Induktion mehr auftritt. Die Stromstärke in der Lampe nimmt zu
und die Lampe leuchtet ab einem bestimmten Wert.
Definition 2: Induktivität
Das Maß einer Spule für ihre Fähigkeit sich selbst zu induzieren, heißt Induktivität L.
Für die Induktivität einer Spule gilt:
Gleichung 18: Induktivität
L
L – Induktivität
N – Windungszahlen
A – Querschnittsfläche
l – Länge der Spule
µ0 – magnetische Feldkonstante
µr – relative Permeabilität
0  r N 2 A
l
Einheit von L:
L 
Vs m 2 Vs Wb



 H  H steht für Henry.
Am m
A
A
Die Spannung, die durch Selbstinduktion entstehen kann, kann mit folgender
Formel berechnet werden:
Gleichung 19: Selbstinduktionsspannung
U ind ,selbst   L
dI
I
bzw. U ind ,selbst   L
für eine gleichmäßige Veränderung von I
dt
t
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6.3. Register Kurshalbjahr 12.1 : Elektrodynamik 6 – Die elektromagnetische
Induktion
Daumen 4
Elektrodynamik 4, 21, 22, 24
elektromotorisches Prinzip 4
Elektron 6, 7
Elektronenbewegung 4
Elektronenfluss 8, 9
Energieerhaltungssatz 6, 12
Feld, elektrisches 7
Feldkraft, elektrische 7
Fluss, magnetischer 11
Flussdichte, magnetische 14, 15
Generator 5, 9
Generator-Prinzip 5
Gleichspannung 12
Gleichstromgenerator 14
Hall-Effekt 25
Henry 20
Induktion in Leiterschleifen 8
Induktion, elektromagnetische 1, 4,
21, 22, 24
Induktionsgesetz 7, 13, 14, 15
Induktionsgesetz, einzelner Leiter 7
Induktionsspannung 5, 6, 7, 8, 9, 10,
11, 12, 14, 15, 17, 18, 19, 20
Induktivität 20
Ladungstrennung 6, 7
Lenz 12
Lenzsche Regel 6, 12, 17, 19
Linke-Hand-Regel 4
Lorentzkraft 4, 6, 7, 8, 9, 12
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Magnetfeld 4, 5, 8, 9, 10, 11, 12, 15,
19
Mechanik 24
Mittelfinger 4
Oerstedt, Schaukelversuch 4
Permeabilität, relative 20
perpetuum mobile 1. Art 6
Physik 24
Primärspannung 17
Primärspule 15, 17
Primärstromstärke 17
Ringversuch , Thomsonscher 12
Sekundärspule 15, 17
Sekundärstromkreis 15, 16, 17
Selbstinduktion 19, 20
Spannungsübersetzung 15, 17
Stromrichtung 4
Stromrückkopplung 17
Stromübersetzung 16, 17, 18
Thermodynamik 24
Thomsonscher Ringversuch 12
Transformator 15, 16, 17, 18, 19
Transformator, belasteter 16
Transformator, idealer 15, 16, 17
Transformator, realer 17
Transformator, unbelasteter 15
Weber 11, 24, 26
Wechselspannung 11, 12, 15
Wechselstromgenerator 14
Wirbelströme 18
Zeigefinger 4
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S. 21
Physik Klasse 12.1: Elektrodynamik 6
6.4.Verzeichnis der Abbildungen, Tabellen, Quelltexte und Definitionen
Kurshalbjahr 12.1 : Elektrodynamik 6 – Die elektromagnetische Induktion
Abbildungen:
Abbildung 1: Schaukelversuch von Oerstedt ........................................................ 4
Abbildung 2: elektromotorisches Prinzip.............................................................. 5
Abbildung 3: Generator-Prinzip ............................................................................ 5
Abbildung 4: Induktionsspannung in einem Leiter............................................... 5
Abbildung 5: Behinderung der Induktion ............................................................. 6
Abbildung 6: experimentelle Überprüfung des Generatorprinzips (mit
Messverstärker) ............................................................................................. 6
Abbildung 7: Bewegung einer Leiterschleife durch ein Magnetfeld .................... 8
Abbildung 8: Generator ......................................................................................... 9
Abbildung 9: Veränderung der senkrecht vom Magnetfeld durchsetzten Fläche 9
Abbildung 10 ....................................................................................................... 11
Abbildung 11: Wilhelm Weber (1804 – 1891) /26/ ............................................ 11
Abbildung 12 ....................................................................................................... 12
Abbildung 13: Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804 – 1865) /27/ ...................... 12
Abbildung 14: Ringversuch nach Thomson /28/ ................................................ 12
Abbildung 15: Wechsel- und Gleichstromgenerator .......................................... 14
Abbildung 16: unbelasteter Transformator ......................................................... 15
Abbildung 17: belasteter Transformator ............................................................. 16
Abbildung 18: idealer Transformator.................................................................. 17
Abbildung 19: realer Transformator ................................................................... 17
Abbildung 20: Rückkopplung am realen Transformator .................................... 18
Abbildung 21: Aufbau des Selbstinduktionsversuches ....................................... 19
Abbildung 22: Schaltskizze zur Selbstinduktion ................................................ 19
Abbildung 23: Details zu Spule und Widerstand ................................................ 19
Abbildung 24: Ströme ......................................................................................... 19
Definitionen:
Definition 1: Lenzsche Regel .............................................................................. 12
Definition 2: Induktivität ..................................................................................... 20
Gleichungen, Formeln
Gleichung 1 ........................................................................................................... 7
Gleichung 2 ........................................................................................................... 7
Gleichung 3 ........................................................................................................... 7
Gleichung 4 ........................................................................................................... 7
Gleichung 5: Induktionsgesetz für einen einzelnen Leiter.................................... 7
Gleichung 6 ......................................................................................................... 10
Gleichung 7 ......................................................................................................... 11
Gleichung 8: magnetischer Fluss ........................................................................ 11
Gleichung 9 ......................................................................................................... 13
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S. 22
Physik Klasse 12.1: Elektrodynamik 6
Gleichung 10: Induktionsgesetz .......................................................................... 13
Gleichung 11 ....................................................................................................... 14
Gleichung 12 ....................................................................................................... 14
Gleichung 13 ....................................................................................................... 15
Gleichung 14: Induktionsspannung am Transformator ...................................... 15
Gleichung 15: Spannungsübersetzung am unbelasteten idealen Transformator 15
Gleichung 16 Stromübersetzung am belasteten idealen Transformator ............. 16
Gleichung 17 ....................................................................................................... 20
Gleichung 18: Induktivität .................................................................................. 20
Gleichung 19: Selbstinduktionsspannung ........................................................... 20
Tabellen:
Tabelle 1: Quellen ............................................................................................... 24
Übungen:
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S. 23
Physik Klasse 12.1: Elektrodynamik 6
6.5. Quellen Kurshalbjahr 12.1 : Elektrodynamik 6 – Die elektromagnetische
Induktion
Tabelle 1: Quellen
1
Formeln und Tabellen für die Sekundarstufe I und II
Paetec 1996
2
Formelsammlung bis zum Abitur
Formeln, Tabellen, Daten
Paetec 2003
3
B. Ebert, Chr. Hache,
W. Krug, K. Liebers,
R. Reichwald, W.
Scholz, H.-J. Wilke,
R. Winter
Lehrbuch Physik Sekundarstufe II
Gesamtband
Mechanik, Elektrizitätslehre, Thermodynamik, Optik, Kernphysik, Relativitätstheorie
Volk und Wissen Verlag 1995
4HLB
Chr. Gerthsen, H.
Vogel (Hersg.)
Gerthsen Physik
Springer Verlag 1999
5HLB
E. Grimsehl, W.
Schallreuter, K. Altenburg (Hersg.)
Grimsehl
Lehrbuch der Physik
Band 2: Elektrizitätslehre
B.G. Teubner Verlagsgesellschaft 1984
6
F. Dittmer, E. Kaminski, H.-P. Pommeranz, G. Riedl, R.
Schülbe, Chr. Weber
Rahmenrichtlinien Physik
Land Sachsen-Anhalt 2003
7
F. Dorn, F. Bader
Physik
Oberstufe
Gesamtband 12/13
Schroedel Verlag 1996
8
G. Boysen, H. Heise, Oberstufe Physik
J. Lichtenberger u.a. Ausgabe E
Cornelsen Verlag 2001
9
H. Knopf
Elektrodynamik in der Sekundarstufe II
Manuskript (1994-2003)
10
H. Lindner
Physikalische Aufgaben
Fachbuchverlag Leipzig / Carl Hauser Verlag
(24. Auflage 1984, ... , 32. Auflage 2001)
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S. 24
Physik Klasse 12.1: Elektrodynamik 6
11HLB I. N. Bronstein, K.A.
Semendjajew
Taschenbuch der Mathematik
Teubner Verlagsgesellschaft 1985
12
J. Grehn, J. Krause
Metzler Physik
Schroedel Verlag 1998
13
O. Höfling
Physikaufgaben Sekundarstufe II
Dümmler Verlag 1992 (und spätere Ausgaben)
14
R. Sexl, I. Raab, E.
Streeruwitz
(Hersg. K.Jupe, M.
Ludwig)
W. Bredthauer, W.
Czech, R. v. Dwingelo-Lütten, u.a.
Kursthemen Physik
Elektrodynamik
Diesterweg Verlag 1996
15
16
Groß-Berhag
Felder
Klett Verlag 1996
LexiROM © 1995-1996 Microsoft Corporation und Bibliographisches Institut & F.A. Brockhaus AG. Alle Rechte vorbehalten.
Meyers Lexikon in drei Bänden © Bibliographisches Institut
& F.A. Brockhaus AG, Mannheim 1996
Meyers Lexikonverlag
17HLB Edward Angel
InteractiveComputer Graphics: A Top-Down-Approach with
OpenGL
Morgan Kaufman , 2. Auflage, 2000
18
19
20
http://www.ethbib.ethz.ch/presse/einstein.jpg
G. Boysen, H. Heise, Oberstufe Physik
J. Lichterfeld, H.
Sachsen-Anhalt Klasse 11
Schepers, H.-J.
Cornelsen Verlag 2000
Schlichting
http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Hall_effect.png
21
http://de.wikipedia.org/wiki/Hall-Effekt
22
http://unilab.physik.hu-berlin.de/webalben/e-bestimmung30.05.05-album/slides/P1040794.html
23
http://www.schultuete.net/kursvorstellungen/y/physik/img/no
rdlichter.jpg
24
http://www.schultuete.net/kursvorstellungen/y/physik/img/no
rdlichter_weltall.jpg
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S. 25
Physik Klasse 12.1: Elektrodynamik 6
25
http://portrait.kaar.at/Deutschsprachige%20Teil%205/image4
5.html
26
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/de/5/55/Wilhelm_Edu
ard_Weber_II.jpg
27
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/de/c/c7/Emil_Lenz.jpg
28
http://www.physik.unimuenchen.de/leifiphysik/web_ph10/versuche/12thomson/ring.jpg
HLB
Lehrbuch auf Universitätsniveau
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S. 26