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Physik
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Elektromotor
• Wo liegt an einer stromdurchflossenen Spule welcher Magnetpol? Wenn man die Spule aus der Sicht eines Elektrons (kommt vom
Minuspol) sieht, gilt folgender (zugegeben dummer) Merkspruch:
Wenn sie mit der Uhr sich dreht, zeigt die Nase dir nach Süd.
D.h., wenn das in die Spule einsteigende“ Elektron die Spule sich im
”
Uhrzeigersinn drehen sieht, ist vor ihm der Südpol. Erklären kann man
das außer mit meinem Merkspruch mit der Linke-Hand-Regel.
• In welche Richtung dreht sich der Motor? Die Richtung, in die sich
der Motor dreht, wird von den Magnetpolen der Spulen und des Permanentmagneten bestimmt. Dabei ziehen sich andersnamige Pole an.
• Warum ist es nötig, dass sich die Polung der Spulen ändert und
wie geschieht das? Tut sie das nicht, so bleibt der Motor in einer Stellung (Südpol der Spule zeigt auf Nordpol des Permanentmagneten) stehen.
In genau dieser Stellung muss die Polung umgekehrt werden (Elektronen
fließen andersherum durch die Spule, also drehen sich auch die Magnetpole um). Dies geschieht durch den so genannten Kommutator, der aus
unterteilten Abschnitten eines Metallrings besteht. Durch den Schwung,
den die Spule hat, rutschen die Schleifer über die Unterbrechung zwischen
zwei Abschnitten hinweg und polen so die Spulen um.
• Funktioniert so ein Motor auch mit Wechselstrom? Nein, denn
Wechselstrom ändert sehr schnell seine Polung (z.B. 50 mal in der Sekunde) und der Motor würde so nur sehr schnell hin und her vibrieren.
• Was ist der Vorteil eines Motors mit drei Ankerspulen? Ein solcher
Motor kann in jeder Stellung anlaufen (bei zwei Spulen gibt es immer
die Stellung, in der die Spulen sich nicht entscheiden können“) und die
”
Umsprünge bei Umpolungen sind kleiner, weshalb der Motor schneller und
leiser läuft.
Siehe auch Physikbuch, S. 250/251.
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Drei-Finger-Regel
Definition: Die Drei-Finger-Regel besagt, in welche Richtung bei elektromagnetischen Phänomenen ein Ausschlag erfolgt. Dabei zeigt der Daumen der linken Hand vom elektrischen Minuspol zum Pluspol (Fließrichtung der Elektronen), der Zeigefinger vom magnetischen Nordpol zum Südpol (Richtung der
Magnetfeldlinien) und der Mittelfinger gibt den Ausschlag an. Anwendung findet diese Regel z.B. bei Leiterschaukeln und Braunschen Röhren, S. 252/253.
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Induktion
Was ist Induktion? Wenn ein Leiter (z.B. eine Spule) einem sich ändernden
Magnetfeld (entweder bewegend oder an- und abschwellend) ausgesetzt ist, dann
entsteht in diesem Leiter ein Strom. Wenn sich das Magnetfeld nicht ändert,
geschieht nichts! Wenn dich der Leiter keine Magnetfeldlinien schneidet, passiert
auch nichts. Die Stromrichtung kann man mit der Drei-Finger-Regel erklären.
3.1
Generator
Wie funktioniert ein Generator? Beim Generator bewegt sich ein Leiter
durch ein Magnetfeld. Dabei wird im Leiter ein Strom induziert, der genutzt
werden kann. So kann man aus Bewegungsenergie elektrische Energie machen.
Wenn man die Achse eines Motors von Hand dreht, so wird auch ein Strom
induziert, also ist jeder Motor auch ein Generator. Je nachdem, ob man einen
Kommutator einsetzt oder nicht, ist der entstehende Strom ein Wechsel- oder
Gleichstrom. Ein Dynamo ist ein Generator ohne Permanentmagnet, der sein
Magnetfeld mit einem Elektromagneten selbst erzeugt. Siehe auch S. 257-259.
3.2
Transformator
Definition: Ein Transformator besteht aus zwei Spulen, die nicht leitend verbunden sind. Fließt durch eine dieser Spulen ein Wechselstrom, dann wird auch
in der anderen Spule ein Wechselstrom induziert.
Wie berechnen sich die Spannungen und Stromstärken im Transformator? Allgemein gilt:
hohe Windungszahl - hohe Spannung - niedriger Strom
Wenn ein Transformator aus einer Spule mit zehn und einer mit hundert Windungen besteht, so ist die Spannung an der Spule mit hundert Windungen
zehnmal so groß wie an der mit zehn Windungen, der Strom aber ist nur ein
zehntel so groß, weil sonst Energie aus dem Nichts“ entstehen würde, was
”
unmöglich ist. Daher gelten folgende Formeln (n1 und n2 sind die Primär- und
Sekundärwindungszahlen des Transformators, U1 und U2 sind die Primär- und
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Sekundärwindspannungen des Transformators und I1 und I2 sind die Primärund Sekundärströme des Transformators):
U2
n2
=
U1
n1
(1)
n1
I2
=
I1
n2
(2)
Warum funktioniert ein Transformator nicht mit Gleichstrom? Der
Transformator beruht auf dem Induktionsprinzip. Wenn die Primärspule von
Gleichstrom durchflossen wird, bleibt das entstehende Magnetfeld gleich und es
wird in der Sekundärspule daher kein Strom induziert. Nur wenn das Magnetfeld, z.B. bei einer von Wechselstrom durchflossenen Spule, andauernd schwankt,
kann auf Dauer ein Strom induziert werden.
Werden wird überhaupt hohe oder niedrige Spannungen gebraucht?
Hohe Spannungen werden zum Beispiel bei der Stromübertragung über weite
Strecken (Hochspannungsleitung) benötigt. Je höher der fließende Strom ist, desto höher ist auch der Verlust durch den Widerstand der Stromleitung. Da aber
P = U · I ist, kann bei höherer Spannung U die gleiche Leistung P mit einem
geringerem Strom I übertragen werden. Daher sind die Verluste viel geringer (S.
265). Hochspannung wird auch dann benötigt, wenn Funkenbildung erwünscht
ist, wie z.B. bei Zündkerzen. Durch die hohe Spannung springen“ die Elektro”
nen über und verursachen dabei einen Funken, der ein explosives Gasgemisch
entzündet. Allgemein gilt:
• Es funkt, wenn die Spannung hoch ist.
• Es glüht, wenn der Strom hoch ist.
Dabei ist ein hoher Strom besonders leicht mit geringer Spannung zu erreichen
(da P = U · I), was z.B. beim Schweißen angewendet wird.
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