Wiederholung: Magnetfeld: Ursache eines Magnetfelds: • bewegte

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Wiederholung: Magnetfeld:
Ursache eines Magnetfelds:
• bewegte elektrische Ladungen
• veränderliches Elektrisches Feld
Magnetfeld um
stromdurchflossenen
Draht
N
S
Magnetfeld um stromführenden Draht
der zu einer Schleife gebogen ist
B
B
I
Experimentalphysik I/II für Studierende der Biologie und Zahnmedizin
I
Caren Hagner
21.01.2008
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Beispiele magnetischer Felder (Feldlinien)
Magnetfeld einer
stromdurchflossenen Spule
(Elektromagnet)
Permanentmagnet
Die magnetischen Feldlinien bilden immer in Schleifen!
• sie haben keinen Anfang und kein Ende
• sie sind immer geschlossen
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Das Erdmagnetfeld
B
I
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Caren Hagner
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Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld
Rechte Hand Regel
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Magnetische Kraftflussdichte B und magnetische Feldstärke H
Erdmagnetfeld
Stärkste Magnetfelder im Labor
Magnetfeld in Atomen
Magnetfeld an der Oberfläche
eines Neutronensterns
ca. 10-4T = 1 G (Gauss)
ca. 45T
ca. 10T
ca. 108T
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Magnetfeld um einen Draht
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Magnetfeld einer langezogenen Spule:
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Kraft auf ein geladenes Teilchen im Magnetfeld, Lorentzkraft
Magnetfeld in Bildebene hinein
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
Rechte Hand Regel
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Bahn eines geladenen Teilchens im Magnetfeld
1. Geschwindigkeit senkrecht zum Magnetfeld:
Kreisbahn
2. Geschwindigkeit schräg zum Magnetfeld:
Schraubenlinie
Magnetfeld in Bildebene hinein
x
x
x
x
x
Geladenes Teilchen (q negativ)
x
x
Fx
x
x
x
x
v
x
x
+ x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
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Versuch Fadenstrahlrohr:
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1. Geschwindigkeit genau senkrecht
zum Magnetfeld:
Kreisbahn
2. Geschwindigkeit schräg zum
Magnetfeld:
Schraubenlinie
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Bedeutung (Beispiele):
“Magnetische Flasche”,
Erdmagnetfeld schützt vor kosmischer Strahlung, Polarlichter
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Erdmagnetfeld
Sonnenwind =
Teilchen (Protonen, Elektronen, He-Kerne)
von der Sonne
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Polarlicht
(Aurora Borealis,
Aurora Australis)
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Polarlicht über der Erde (gesehen vom Space Shuttle Discovery)
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Magnetische Induktion
Worum geht es?
Eine Möglichkeit:
Ein
Einveränderliches
veränderlichesMagnetfeld
Magnetfeld
in
inder
derSpule
Spule
(weil
(weilMagnet
Magnetbewegt
bewegtwird)
wird)
Bewirkt
Bewirkteinen
einenStromfluss
Stromfluss
in
inder
derSpule
Spule
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Caren Hagner V5 21.1.2008
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Magnetischer Fluss:
(diesen Begriff braucht man zur genaueren Beschreibung der Induktion)
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Induktionsgesetz (Faraday):
Uind
Michael Faraday:
1791-1867
Wenn der Magnet bewegt wird, ändert sich der magnetische Fluss Φ in der Spule,
eine Spannung wird induziert, die vom Messgerät angezeigt wird.
(Je schneller die Bewegung, desto größer die angezeigte Spannung)
∆φ
U =−
N
∆t
Jede
JedeÄnderung
Änderungdes
desmagnetischen
magnetischenFlusses
Flussesdurch
durcheine
eineLeiterschleife,
Leiterschleife,
induziert
induziertdarin
darineine
eineelektrische
elektrischeSpannung
SpannungU.
U.
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Lenzsche Regel
Die
Diedurch
durchVeränderung
Veränderungmagnetischer
magnetischerFlüsse
Flüsseerzeugten
erzeugtenInduktionsströme
Induktionsströme
fließen
fließenderart,
derart,dass
dassihre
ihreeigenen
eigenenMagnetfelder
Magnetfelderder
derInduktionsursache
Induktionsursache
entgegenwirken
entgegenwirken
Kurz: Der induzierte Strom ist immer so gerichtet,
dass sein Magnetfeld der Induktionsursache entgegenwirkt
Beispiel:
Erklärung:
Ring spürt stärker werdendes Magnetfeld.
Wirbelströme werden induziert.
Sie erzeugen ein Magnetfeld, das dem Feld
des Magneten entgegen gerichtet ist.
-> Ring wird abgestoßen (Ring versucht dem
stärkeren Magnetfeld auszuweichen).
Magnet bewegt sich
auf Ring zu
Aluring:
Bewegt sich vom Magnet weg
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Dieser Aluring
(mit Schlitz!)
weicht dem Magneten
nicht aus.
Denn: Wegen des Schlitzes
können keine Wirbelströme
fliessen.
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Anwendungsbeispiel für Induktion:
Wechselstromgenerator
∆φ
U =−
N
∆t
Hier: Der magnetische Fluss ändert sich, weil sich der Winkel zwischen
Magnetfeld und Fläche ändert,
→ eine Spannung wird induziert.
U ind (t ) = −nBAω sin(ωt )
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Wechselstromgenerator
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Versuch zum Wechselstromgenerator:
Bei Drehung
der Kurbel, fließt Wechselstrom!
Hufeisenmagnet
Spule,
wird durch
Kurbel gedreht
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Wechselstromgenerator:
Fahrraddynamo
Rad dreht sich, -> Magnet dreht sich,
-> Magnetfeld in der Spule ändert sich,
-> Spannung wird induziert, Strom fliesst.
et
Magn
Spule
Wenn sich das Rad schneller dreht,
ist die Änderung des magnetischen Flusses
größer, eine größere Spannung wird induziert,
die Lampe leuchtet heller!
U ind (t ) = − nBAω sin(ωt )
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Wechselstromgenerator
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Anwendungsbeispiel für Induktion:
Transformator
∆φ
U =−
N
∆t
Hier: Der magnetische Fluss ändert sich, weil sich das Magnetfeld ändert,
→ eine Spannung wird induziert.
Eisen
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Anwendungsbeispiel: Induktionsherd
Im Topfboden werden
durch das magnetische
Wechselfeld elektrische
Wirbelströme
induziert.
Gutes Aufheizen des Topfbodens,
wenn das Topfbodenmaterial
eine hohe Permeabilität µ hat
(wenn es „magnetisch“ ist).
Im Kochfeld:
Spule in der
Wechselstrom (20 - 100 kHz)
Fließt, erzeugt magnetisches
Wechselfeld.
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Selbstinduktion:
Spule
R
Schalter S
U
1. Schalter wird geschlossen:
Strom fließt durch die Spule, ein Magnetfeld baut sich auf.
2. Die Magnetfeldänderung in der Spule bewirkt Induktion in der Spule!
Eine (Gegen-)Spannung entsteht, nach der Lenzschen Regel
bewirkt der induzierte Strom ein Magnetfeld in entgegengesetzter
Richtung.
U ind
dI
= −L ⋅
dt
L = Induktivität,
Einheit 1 Henry 1H = 1Vs/A
Durch diesen Effekt (= Selbstinduktion) verzögert sich der Stromanstieg beim
Einschalten.
3. Schließlich fließt der Strom I0 = U/R.
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