Merktext Magnetismus und Elektromagnetismus
Werbung
12.04.2017 D:\840898943.doc Magnetismus und Elektromagnetismus An diesen Drähten kann Wechselspannung abgenommen werden! ~ N Hufeisenmagnet Leiterschaukel S N N LaCh Seite 1 von 13 S S D:\840898943.doc 1 12.04.2017 Magnetismus ............................................................................... 3 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 2 Begriff, Arten von Magnetismus und Magnetarten ................................................... 3 Magnetarten: ............................................................................................................... 3 Geschichte der Magnete ............................................................................................. 3 Pole und Feldlinien..................................................................................................... 3 Wie ist ein Elementarmagnet aufgebaut ..................................................................... 4 Magnetische Felder .................................................................................................... 4 Die Magnetnadel ........................................................................................................ 4 Geografische Lage der Erdmagnetpole ...................................................................... 5 Worterklärungen ......................................................................................................... 5 Anwendungen ............................................................................................................. 5 Entdeckung und Begriff des Elektromagnetismus ................. 6 2.1 2.2 2.3 3 Hans Christian Oersted ............................................................................................... 6 Verstärkung des Elektromagnetismus ........................................................................ 6 Form des Magnetfeldes um einen elektrischen Leiter ............................................... 6 Anwendungen des Elektromagnetismus .................................. 7 3.1 Einfache Messgeräte .................................................................................................. 7 1.1.1. Das Hitzdrahtinstrument .................................................................................... 7 1.1.2. Das Weicheisenmessinstrument ......................................................................... 7 3.2 Das Relais [rölä:] ........................................................................................................ 8 3.3 Die elektrische Klingel ............................................................................................... 8 1.1.3. Aufbau ................................................................................................................ 8 1.1.4. Funktionsweise der Klingel ................................................................................ 9 3.4 Das elektromagnetische Messgerät ............................................................................ 9 1.1.5. Aufbau ................................................................................................................ 9 1.1.6. Funktionsweise ................................................................................................... 9 3.5 Der Elektromotor (Gleichstrommotor)..................................................................... 10 1.1.7. Aufbau .............................................................................................................. 10 1.1.8. Funktionsweise ................................................................................................. 10 3.6 Das Generatorprinzip ............................................................................................... 10 1.1.9. Grundüberlegungen und Versuche von Michael Faraday ................................ 10 1.1.10. Funktionsweise und Aufbau eine Generators / Dynamos ................................ 11 1.1.11. Geschichtliches: Vom Laufrad zur Turbine ..................................................... 12 3.7 Kombinationen aus Oersteds und Faradays Versuchen ........................................... 12 1.1.12. Der elektrische Schwingkreis ........................................................................... 12 1.1.13. Die Antenne...................................................................................................... 12 1.1.14. Die elektromagnetische Welle ......................................................................... 12 LaCh Seite 2 von 13 12.04.2017 D:\840898943.doc 1 Magnetismus 1.1 Begriff, Arten von Magnetismus und Magnetarten Der Begriff kommt aus dem Griechischen und drückt eine Zustandsänderung eines Stoffes aus, auf den ein Magnetfeld einwirkt. Nach ihrem Verhalten unterscheidet man zwischen diamagnetischen, ferromagnetischen und paramagnetischen Stoffen. Ferromagnetische Stoffe sind Eisen, Kobalt und Nickel. Sie stärken das Magnetfeld erheblich. Paramagnetische Stoffe sind Platin, Aluminium, Luft. Sie stärken das Magnetfeld sehr gering. Diamagnetische Stoffe sind Silber, Kupfer, Wismut. Sie schwächen das Magnetfeld sehr gering. 1.2 Magnetarten: Man unterscheidet zwischen: a) Stabmagneten: N S N S b) Hufeisenmagneten: c) Ringmagneten: 1.3 Geschichte der Magnete Die natürlichen Magneteisensteine entstehen in Skandinavien und im Ural. Sie bestehen aus Eisenoxid. Diese Magneteisensteine sind nur schwach magnetisch. Wahrscheinlich wurden sie nach der Stadt Magnesia in Thessalien benannt. Schon im alten Ägypten waren magnetische Kräfte bekannt. Im 19. Jahrhundert verband man jedoch Zauberei und Magie mit den magnetischen Kräften: Man glaubte, Magnete könnten Soldaten, die von Schwertern aus Eisen verwundet wurden, heilen. 1.4 Pole und Feldlinien Jeder Magnet hat zwei Pole: einen Nord- und einen Südpol. Ein Pol kommt niemals allein vor. Zwischen den Polen zweier Magneten bestehen Kraftwirkungen. Gleichartige Pole stoßen sich ab, ungleiche Pole ziehen sich an. Magnetisches Feld = der Raum, in dem ein Magnet Kraftwirkungen ausübt. Es entstehen magnetische Feldlinien, die die Richtung der wirkenden Kraft anzeigen. Verlaufen die Feldlinien parallel, so ist das Feld homogen. Eine Feldlinie eines Magneten ist eine geschlossene Linie. Feldlinien geben die Richtung der Kraft an, die ein Nordpol erfährt, den man ins Feld bringt. Südpole erfahren Kräfte gegen die durch Pfeile gekennzeichnete Feldlinienrichtung. Die Feldlinien zeigen vom LaCh Seite 3 von 13 D:\840898943.doc 12.04.2017 Magneten weg. Am Südpol kehren sie wieder zu ihm zurück. Das Feld ist in der Nähe der Pole eines Stabmagneten am stärksten. Feldlinien laufen zwischen ihren Polen weitgehend parallel und gerade. Diesen Bereich nennt man homogen. Bringt man stoffliche Materie (nicht magnetische Stoffe) in ein magnetisches Feld, so ändert sich die magnetische Induktion. Unter der Kraftwirkung des Feldes orientieren sich die im Stoff vorhandenen Dipole in der Feldrichtung und erhöhen so die magnetische Induktion. Dipole bestehen immer aus einem Nord- und Südpol. Monopole gibt es nicht (sogar Atome sind zweipolig). Hypothese (Annahme): Ferromagnetische Stoffe enthalten Elementarmagneten in Form von Dipolen. 1.5 Wie ist ein Elementarmagnet aufgebaut Alle Nordpole vom Dipol zeigen nach links. Am linken Ende liegen sie frei. Rechts entsteht durch freiliegende Südpole der starke Südpol. In der Mitte des Magneten liegen benachbarte Nord- und Südpole nahe beieinander. In der Mitte ist der Magnet sehr schwach, da sich die Pole nach innen hin abschwächen. Zerbricht man den Magneten, so hat man wieder einen Magneten mit Nord- und Südpol. Man kann sich selbst einen "Magneten" herstellen, indem man mit einem Magneten über ein leitendes Metall, immer in die gleiche Richtung, streicht. Dabei richten sich die Elementarmagnete in dem Metall aus. Ein Magnet zieht Eisenkörper erst dann an, wenn er dessen Elementarmagneten ausgerichtet hat. Von dem so magnetischen Eisenstück wird auch der Magnet angezogen. 1.6 Magnetische Felder Magnetische Felder üben auf Ladungsträger Kräfte aus, wenn sich diese relativ zum Feld bewegen. Dabei ist es gleichgültig, ob diese frei im Raum oder als elektrischer Strom durch einen Leiter fließt. Die Richtung der Kraft ist rechtwinklig zur Bewegung und zum Feld. Sie wird als "Lorenz Kraft" bezeichnet. Das magnetische Feld ist der Wirkungsbereich eines Magneten; dort wirkt er auf ferromagnetische Körper. Magnetfelder gibt es auch im Vakuum. 1.7 Die Magnetnadel Eine freie bewegliche Magnetnadel stellt sich unter der Wirkung des magnetischen Erdfeldes in Richtung der Feldlinien ein. Diese Richtung weicht von der Horizontalen und von der Nord-Süd-Richtung ab. Sie wird zur Orientierung und zur Feststellung der Lage der magnetischen Pole (z.B.: einer stromdurchflossenen Spule) verwendet. In China war die Richtkraft der Kompassnadel schon im 1. Jahrhundert bekannt. In Europa wurde dieses erst um 1200 entdeckt. Mit der Kompassnadel wagten sich Seefahrer wie Christopher Kolumbus auf die hohe See. Als erster konnte der Engländer Newton zwischen der Anziehungskraft eines Magneten und der von der Erde ausgeübten Schwerkraft, die auf alle Körper einwirkt, unterscheiden (um 1700). LaCh Seite 4 von 13 D:\840898943.doc 1.8 12.04.2017 Geografische Lage der Erdmagnetpole Der magnetische Südpol der Erde liegt in der Nähe des geografischen Nordpols. Auf der Karte genau bei 74° nördlicher Breite und 100° westlicher Länge. Der magnetische Nordpol liegt in der Nähe des geografischen Südpols. Auf der Karte genau bei 72° südlicher Breite und 155° östlicher Länge. Zu beachten ist, dass die magnetischen Pole langsam wandern. Die hier genannten Werte beziehen sich auf Messungen in den 70er Jahren. 1.9 Worterklärungen Deklination( = Missweisung):Darunter versteht man die Abweichung einer Magnetnadel von der geografischen Nord-Süd-Richtung, unter ihrer Abweichung von der Horizontalen. Induktion: Voraussetzung ist immer eine zeitliche Änderung des magnetischen Flusses, die durch Veränderung des Magnetfeldes oder Bewegung des Leiters im Feld erzielt werden kann. Homogen: Dichte an allen Stellen gleich. 1.10 Anwendungen Magneten werden als Schließmagneten bei Kästen und dergleichen verwendet. Bei Videokassetten, Tonbandkassetten, Disketten und Festplatten wird ebenfalls das Prinzip des Magnetismus angewandt. Deshalb sind diese Speichermedien auch gegen äußere Magnetfelder (Radios, Handys, …) auch empfindlich. Ebenfalls muss auf Wärmestrahlung acht gegeben werden. LaCh Seite 5 von 13 D:\840898943.doc 2 2.1 12.04.2017 Entdeckung und Begriff des Elektromagnetismus Hans Christian Oersted Der dänische Physiker führte Untersuchungen an verschiedenen Materialien durch. Er überprüfte deren Leitfähigkeit. Nach dem folgenden Aufbau stand in der Nähe der Versuchsanordnung eine Magnetnadel. Diese schlug aus, sobald Oersted den Strom ein- oder ausschaltete. Polte er die Stromrichtung um (Umdrehen der Batterie), so schlug die Nadel entgegengesetzt aus. Er folgerte daraus: Ein stromdurchflossener Leiter baut um sich herum ein Magnetfeld auf: 2.2 Verstärkung des Elektromagnetismus Aufgrund weiterer Versuche stellte Oersted fest, dass sich dieser Elektromagnetismus verstärken ließ durch: - mehr Strom - mehr Windungen (nicht nur ein Leiterstück) - höhere Spannung - einen Eisenkern aus Weicheisen Weicheisen hat den Vorteil, dass es nach der Magnetisierung den Magnetismus wieder verliert. Dies kann in vielen Elektrogeräten sinnvoll eingesetzt werden. (Siehe später). 2.3 Form des Magnetfeldes um einen elektrischen Leiter Wiederum aufgrund von Versuchen mit Eisenfeilspänen und Magnetnadeln wies Oersted nach, dass das Magnetfeld um einen elektrischen Leiter ihn in konzentrischen Kreisen umgibt. LaCh Seite 6 von 13 D:\840898943.doc 12.04.2017 (Das sind Kreise, die alle denselben Mittelpunkt haben). Also wie Dosen, die immer größer werdend einen Stab umgeben: von oben gesehen von vorne gesehen Bald folgten viele Entdeckungen. So vor allem auch die elektromagnetischen Messgeräte: 3 3.1 1.1.1. Anwendungen des Elektromagnetismus Einfache Messgeräte Das Hitzdrahtinstrument Es beruht darauf, dass sich ein Draht beim Erwärmen ausdehnt und so auf einen Zeiger drückt. Je mehr der Zeiger verschoben wird, umso stärker war der durch den Leiter fließende Strom (keine direkte Anwendung des Elektromagnetismus). 1.1.2. Das Weicheisenmessinstrument Strom fließt durch eine Spule, welche einen Weicheisenkern in ihr Inneres hineinzieht. Und zwar umso mehr, je mehr Strom durch das Messgerät fließt, weil dann ja auch der Magnetismus größer ist. Der Weicheisenkern ist an einem Zeiger befestig, der dann mit dem Weicheisenkern bewegt wird. Ist kein Stromfluss mehr vorhanden, bricht das Magnetfeld zusammen und eine Feder holt den Zeiger wieder auf die Nullstellung zurück. LaCh Seite 7 von 13 12.04.2017 D:\840898943.doc Das Relais [rölä:] + 3.2 -- Grundprinzip ist, dass bei Lichteinfall Strom fließt und somit der Elektromagnet über die Battrie Strom erhält. Er wird magnetisch und kann eine Feder anziehen. Durch die Bewegung der Feder wird der rechte Stromkreis geschlossen. Dadurch ist die Lampe in den viel stärkeren Stromkreis geschaltet, sie leuchtet. Also kann mit einem Relais mit Hilfe eines schwachen Stromes (Batterie) ein gefährlicherer Stromkreis (220 V) geschlossen und geöffnet werden. Früher wurde Relais in Telefonzentralen verwendet. Relais findet man heute noch bei Blinkern von Autos u. dgl. 3.3 1.1.3. Die elektrische Klingel Aufbau Unterbrecher Glockenschale Anker Klöppel Stromquelle Elektromagneten Stromkabel LaCh Seite 8 von 13 D:\840898943.doc 1.1.4. 12.04.2017 Funktionsweise der Klingel Strom fließt in die Elektromagneten. Dadurch werden diese magnetisch und ziehen den Anker an. Der Klöppel schlägt auf die Glockenschale. Der Stromkreis ist nun zwischen Anker und Unterbrecher unterbrochen. Deshalb fließt kein Strom mehr, die Elektromagneten verlieren den Magnetismus und der Klöppel federt nach oben. (Dabei unterstützt ihn eine Feder). Der Stromkreis ist nun wieder geschlossen. Der ganze Vorgang wiederholt sich. 3.4 1.1.5. Das elektromagnetische Messgerät – Das Drehspulmessgerät Aufbau Eine Spule ist zwischen den Polen eines Hufeisenmagneten drehbar aufgehängt. Fliesst ein Strom durch die Spule, erfährt diese ein Drehmoment. Ein an der Spule angebrachter Zeiger gibt Auskunft über die jeweilige Stromstärke (Funktionsweise eines Drehspulmessgeräts). 1.1.6. Funktionsweise Bei den Anschlüssen wird der zu messende Strom in das Messgerät geleitet. Durch den Strom wird die Spule mit dem Weicheisenkern magnetisch. Sie richtet sich nach dem Magnetfeld des Dauermagneten. Sie verdreht sich also. Da der Zeiger an diesem Elektromagnet befestigt ist, dreht er sich mit. Je mehr Strom in die Spule fließt,. umso stärker ist die Ablenkung durch das äußere Magnetfeld. Fließt kein Strom mehr, bricht das Magnetfeld des Elektromagneten zusammen. Es gibt keine magnetischen Kräfte mehr und eine Spiralfeder holt den Zeiger wieder in die Nullstellung zurück. LaCh Seite 9 von 13 12.04.2017 D:\840898943.doc 3.5 1.1.7. Der Elektromotor (Gleichstrommotor) Aufbau Der Gleichstrommotor Kollektorring Rotor S N Kommutator = Stromrichtungswender Statormagnet Stromquelle für den Rotor 1.1.8. Funktionsweise Strom fließt über die Bürsten zur Spule des Rotors. Daher bildet sich ein Magnetfeld aus (mit Nord- und Südpol). Am Statormagnet (das ist ein Permanentmagnet) befinden sich natürlich ebenfalls zwei Pole. Nun kommt es zwischen den beiden Magnetfeldern zu Abstoßung bzw. Anziehung. Der Rotor dreht sich so lange, bis die Bürsten auf die Stromrichtungswender (Kommutatoren) zu liegen kommen. Der Stromfluss ist unterbrochen. Der Elektromagnet des Rotors hat kurzzeitig kein Magnetfeld. Nun dreht sich durch den Schwung der Rotor aber weiter, was dazu führt, dass die Bürsten auf die andere Hälfte des Kollektorrings zu liegen kommen. Der Strom fließt nun in die andere Richtung. Dadurch polt sich das Magnetfeld des Rotors um. Das Magnetfeld des Stators aber bleibt gleich. Dadurch ergibt sich Abstoßung und der Rotor dreht sich weiter. 3.6 1.1.9. Das Generatorprinzip Grundüberlegungen und Versuche von Michael Faraday Während Oersted Versuche durchführte, die ihn auf den Elektromagnetismus brachten, überlegte Faraday zuerst und führte dann Versuche aus. Er vermutete, dass sich das Prinzip: aus Strom wird Magnetfeld auch umdrehen ließ. Folglich baute er folgenden Versuch auf: LaCh Seite 10 von 13 12.04.2017 D:\840898943.doc An diesen Drähten kann Wechselspannung abgenommen werden! ~ N Hufeisenmagnet Leiterschaukel S Die Leiterschaukel bewegte er zwischen den Polen des Hufeisenmagneten. Ein angeschlossenes Strommessgeräte schlug beim Hineinschwingen der Schaukel nach links, beim Herausschwingen nach rechts aus. Je heftiger Faraday die Leiterschaukel bewegte, umso kräftiger Schlug der Zeiger des Messgerätes aus. Als zweiten Schritt verwendete er dann anstelle eines Leiterstücks eine Spule. Er stellte ebenfalls eine Verstärkung des Zeigerausschlags fest. Erklärung: Durch die Bewegung des Leiters im Magnetfeld wird eine Kraft auf die Elektronen im Leiter ausgeübt. Diese Kraft treibt die Elektronen im Leiter vorwärts. Je mehr Windungen vorhanden sind, umso mehr Elektronen können bewegt werden, umso größer ist auch der gesamte Strom! 1.1.10. Funktionsweise und Aufbau eine Generators / Dynamos Diese Idee von Michael Faraday wird heute in großen Genertoren angewendet. Anstelle des Hufeisenmagneten verwendet man Elektromagneten. Die Schwingung der Schaukel wird durch eine Drehung ersetzt. Diese Drehung erreicht man dadurch, dass Wasser auf Turbinen geleitet wird und diese in Drehung versetzen. Die so erreichte Spannung beträgt mehrere 1000 Volt. 3.6.1 Die Francis Turbine Francis-Turbinen sind am weitesten verbreitet, da sie universell einsetzbar sind. Sie werden in Österreich bis zu Fallhöhen von 500 Metern eingesetzt. LaCh Seite 11 von 13 12.04.2017 D:\840898943.doc 3.6.2 Die Kaplan Turbine Große Kaplan-Turbinen sind vorwiegend vertikal eingebaut, so daß das Wasser von oben nach unten durchströmt. Eine Kaplan-Turbine im Donaukraftwerk Aschach hat einen Laufraddurchmesser von 8,4 m und ein Gesamtgewicht von 1 300 Tonnen. Kaplan-Turbinen laufen äußerst schnell und haben einen Wirkungsgrad bis zu 95 %. 1.1.11. Geschichtliches: Vom Laufrad zur Turbine Das Wasserrad wird seit Tausenden Jahren zur Verrichtung von Arbeit verwendet. Es wird dabei Lageenergie (potentielle Energie) in Bewegungsenergie (kinetische Energie) umgewandelt. So wurden Wasserräder bereits vor mehr als 5 000 Jahren in Mesopotamien zum Wasserschöpfen verwendet. Auch in Asien war diese Technik bekannt. Die Römer betrieben mit Wasserrädern unter anderem Getreidemühlen und Sägeden Jahren zur Verrichtung von Arbeit verwendet. Es wird dabei Lageenergie (potentielle Energie) in Bewegungsenergie (kinetische Energie) umgewandelt. So wurden Wasserräder bereits vor mehr als 5 000 Jahren in Mesopotamien zum Wasserschöpfen verwewerke. Der Durchmesser der größten Wasserräder betrug mehr als 20 m. Bereits im antiken Griechenland war die Nutzung der Wasserkraft bekannt, wie überlieferte Konstruktionszeichnungen beweisen. Die einfachste und älteste Form des Wasserrades ist das Stoßrad. Seine Schaufeln tauchen schräg in das strömende Wasser ein. Dabei wird nur die Bewegungsenergie des Wassers genützt (Aktionsprinzip). 3.7 Kombinationen aus Oersteds und Faradays Versuchen 1.1.12. Der elektrische Schwingkreis 1.1.13. Die Antenne Der oben beschriebene Schwingkreis wird nun GEDANKLICH auseinandergebogen. Es entsteht eine Antenne. Zum Unterschied von oben können nun das elektrische und das magnetische Feld in den freien Raum entweichen. Man spricht hier von einer elektromagnetischen Welle. 1.1.14. Die elektromagnetische Welle Diese elektromagnetische Welle hat folgende Eigenschaften: Sie hat eine bestimmte Wellenlänge LaCh Seite 12 von 13 D:\840898943.doc 12.04.2017 Sie hat eine bestimmte Frequenz 1.1.15. Elektromagnetische Wellen in Natur und Technik Die Sonne strahlt eine Vielzahl von verschiedenen elektro-magnetischen Wellen ab. Teilweise können wir sie sehen oder spüren. Dies ist allerdings nur ein ganz kleiner Bestandteil der vielen Wellenarten (ein kleiner Bestandteil des Spektrums). Den Großteil nehmen wir überhaupt nicht wahr. LaCh Seite 13 von 13
