Vorlesung 6
Werbung
1 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 Medizin I Caren Hagner V6 8.6.2007 Wiederholung: 2 Kraft auf ein geladenes Teilchen im Magnetfeld (Lorentzkraft): r r r F = q ⋅v × B Rechte Hand Regel q = Ladung des Teilchens v = Geschwindigkeit des Teilchens B = magnetische Kraftflussdichte Bahn eines geladenen Teilchens im Magnetfeld: a) v senkrecht B: Kreisbahn b) sonst: Schraubenlinie zwischen den Feldlinien + - Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld: r r r F = I ⋅l × B I = Stromstärke l = Länge des Leiters im Magnetfeld B = magnetische Kraftflussdichte Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin I F B Caren Hagner V6 8.6.2007 3 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 Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V6 8.6.2007 4 Magnetischer Fluss: (diesen Begriff braucht man zur genaueren Beschreibung der Induktion) Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V6 8.6.2007 5 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. Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V6 8.6.2007 6 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 Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Dieser Aluring (mit Schlitz!) weicht dem Magneten nicht aus. Denn: Wegen des Schlitzes können keine Wirbelströme fliessen. Caren Hagner V6 8.6.2007 7 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 ) Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Wechselstromgenerator Caren Hagner V6 8.6.2007 8 Versuch zum Wechselstromgenerator: Bei Drehung der Kurbel, fließt Wechselstrom! Hufeisenmagnet Spule, wird durch Kurbel gedreht Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V6 8.6.2007 9 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 ) Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Wechselstromgenerator Caren Hagner V6 8.6.2007 10 Anwendungsbeispiel für Induktion: Transformator ∆φ U =− N ∆t Hier: Der magnetische Fluss ändert sich, weil sich das Magnetfeld ändert, → eine Spannung wird induziert. Eisen Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V6 8.6.2007 11 Weiteres Beispiel für Induktion, Wirbelströme und Lenzsche Regel: Der schwebende Supraleiter Wirbelstrom Supraleiter Bind Magnet B Magnet Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V6 8.6.2007 12 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. Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V6 8.6.2007 13 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. Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V6 8.6.2007 14 Einschaltvorgang mit Spule (Induktivität): R L (Spule) U0 Ausschaltvorgang mit Spule (Induktivität): R L (Spule) U0 Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V6 8.6.2007 15 Einschaltvorgang mit Kondensator (Kapazität): R C U0 Ausschaltvorgang mit Kondensator (Kapazität): R C U0 Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V6 8.6.2007 16 Wechselstrom Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V6 8.6.2007 17 Anwendungsbeispiel für Induktion + Wechselstrom: Der Transformator Spule 2 Spule 1 Eisenkern (geht durch beide Spulen) Wechselstrom in Spule1 erzeugt wechselndes ein Magnetfeld in dieser Spule. Die Feldlinien verlaufen im Eisenkern. Sie durchdringen auch Spule 2. In Spule 2 herrscht deshalb auch ein wechselndes Magnetfeld. Dadurch wird in Spule 2 ein Wechselstrom induziert. Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V6 8.6.2007 18 Der Transformator Schaltsymbol Magnetfeld im Eisen Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V6 8.6.2007 19 Versuch zur Funktionsweise eines Trafos: Durchschmelzen eines Drahtes Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V6 8.6.2007 20 Trafo-Anwendung: Induktionsofen Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V6 8.6.2007 21 Induktionsofen zur Metallschmelze Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V6 8.6.2007 22 Versuch zur Funktionsweise eines Trafos: Erzeugung hoher Spannungen (Entstehung eines wandernden Lichtbogens) Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V6 8.6.2007 23 Anwendung: Hochspannungsleitung - Umspannwerk Transformator in Umspannwerk Übertragung elektrischer Leistung P = U·I mit Hochspannungsleitung. Die Verluste in der Leitung sind Pverlust = R·I2. Damit sie klein sind, sollte I klein sein, d.h. die Spannung muss möglichst hoch sein. Deshalb baut man Hochspannungsleitungen für die Übertragung elektrischer Leistung (typisch 110.000 V) Haushalt P = U·I Kraftwerk U 110kV, I klein Umspanntrafo Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin U 230V, I groß Überlandleitung Umspanntrafo Caren Hagner V6 8.6.2007 24 Tesla Transformator (historisches Experiment) zur Erzeugung hoher Spannungen & elektromagnetischer Wellen em-Wellen werden abgestrahlt Extrem hohe Spannung Die 2 Spulen des Tesla Trafos Funkenstrecke Wechselspannung aus der Steckdose Kondensator Bringt man eine Leuchtstoffröhre in die Nähe, leuchtet diese auf (em-Wellen!) Netzgerät Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V6 8.6.2007
