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Magnete
Die Wirkung und der Aufbau lassen sich am einfachsten erklären mit dem Modell der
Elementarmagneten. Innerhalb eines Stoffes (z.B. in ein einem Stück Eisen) liegen
viele kleine Elementarmagneten ungeordnet . Durch einen Permanentmagneten oder
ein durch Strom erzeugtes Magnetfeld kann man die Elementarmagneten ordnen
und den Stoff magnetisieren.
Man kann alle Stoffe in drei Klassen einteilen:
unmagnetische Stoffe: Die Elementarmagnete lassen sich nicht ordnen, der
Stoff hat nie magnetische Eigenschaften (z.B. Holz).
ferromagnetische Stoffe: In diesen Stoffen lassen sich die Elementarmagneten
für kurze Zeit ordnen, dann hat der Körper ein magnetisches Feld (z.B. Eisen).
Nach einer geringen Zeit verschwindet die magnetische Wirkung wieder.
Metalle dieser Gruppe werden für Elektromagneten eingesetzt.
permanenter Magnetismus: Diese Gruppe lässt sich dauerhaft magnetisieren
(z.B. Stahl)
Eingesetzt werden die Eigenschaften der ferromagnetischen Stoffe vor allem bei
Spulen. Fließt Strom durch eine Spule entsteht ein großes magnetisches Feld. Man
kann dieses Feld gut verstärken indem man die Spule mit einem Eisenkern ausfüllt.
Die Elementarmagnete darin werden geordnet und der Eisenkern bekommt eine
eigenes Magnetfeld, welches das der Spule verstärkt. So werden Elektromagnete
aufgebaut, die heute in vielen Bereichen eingesetzt werden (z.B. Medizin,
Mülltrennung, Bewegung schwerer Metallobjekte in der Industrie).
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Magnetismus kann zerstört werden durch:
hohe Temperaturen (ab ca. 700 °C verlieren die Elementarmagnete durch die
hohe kinetische Energie ihre Ordnung)
Erschütterungen
falsche Aufbewahrung (negativer zu negativer Pol und positiver zu positiver
Pol, zerstört die Ordnung der Elementarmagnete)
4.3 Elektromagnetische Induktion
Nachdem man herausgefunden hatte, dass Strom und ein permanentes Magnetfeld
Bewegung erzeugen können, stellten sich Physiker die Frage ob durch Bewegung und
ein Magnetfeld auch Strom erzeugt werden könnte. Ungefähr 1880 wurden die
ersten Generatoren, die Strom erzeugen konnten gebaut (Grundlage unserer
heutigen Stromerzeugung).
Die einfachste Art einer elektromagnetisches Induktion (Stromerzeugung) ist eine
Leiterschleife, die in einem Magnetfeld gedreht wird. Zwischen den Magneten im Bild
verlaufen magnetische Feldlinien (natürlich auch 3-D in die Tiefe). Dreht man nun die
Leiterschleife um die eigene Achse, ändert sich die Anzahl der Feldlinien, die durch
die Leiterschleife verlaufen. Dadurch wird in der Leiterschleife Strom induziert.
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In der Realität wird keine einzelne Leiterschleife verwendet, sondern große Spulen.
Aus technischen Gründen ist in heutigen Generatoren die Spule fest montiert und die
Magneten drehen sich.
U:
N:
v:
B:
induzierte Spannung
Anzahl der Windungen der Spule
Geschwindigkeit mit der sich die Spule(n)/Magneten drehen
Stärke des Magnetfeldes
Die gebräuchlichere Formel für die induzierte Spannung lautet:
dΦ:
des
dt:
Änderung des magnetischen Flusses (Abhängig von der Spule und der Stärke
Magnetfeldes)
Änderung der Zeit
Das negativer Vorzeichen muss laut der Lenz´schen Regel in der Formel enthalten
sein, da der induzierte Strom in die entgegengesetzte Richtung der Bewegung fließt.
Wäre das nicht so, hätte man ein Perpetuum Mobile.
4.4 Gleichstrom - Wechselstrom
Bei Gleichspannung gibt es im Stromkreis einen Plus- und einen Minuspol. Die
Elektronen fließen gleichmäßig vom Minus- zum Pluspol. Man kann daher den
Minuspol als einen Speicher von negativen Ladungen beschreiben. Durch die
Wanderung von Elektronen können zum Beispiel Taschenlampen betrieben werden.
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Da Strom in Generatoren aber durch eine Drehbewegung entsteht, bei der je nach
Stellung der Spule (oder Leiterschleife aus der Grafik weiter vorne) zu den Magneten,
verschieden viele Feldlinien durch die Spule durchgehen, wird nicht konstant gleich
viel Spannung induziert. Die tatsächlich produzierte Spannung gleicht einer
Sinuskurve.
1) Amplitude (hier die maximale Spannung)
2) maximaler Unterschied
3) effektive Spannung Periodendauer (so lange braucht die Leiterschleife für
eine Umdrehung.)
Der Strom, den wir aus der Steckdose bekommen, hat eine Frequenz von 50 Hz, also
50 volle Umdrehungen der Leiterschleife und dementsprechend 100
Richtungswechsel pro Sekunde. Die maximale Spannung beträgt 325V. Weil die
maximale Spannung nur den Spitzenwert angibt, rechnet man immer einen "EffektivWert" aus mit der Formel:
So kommt man auf die bekannten 230V aus der Steckdose. Im Alltag wird immer der
Effektiv-Wert angegeben.
Nach dem gleichen Schema kann man den Effektiv-Wert der Stromstärke ausrechnen:
Die Leistung einer Wechselspannung gibt man als Produkt der Effektiv-Werte an:
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Im Alltag hat sich die Wechselspannung durchgesetzt, weil man sie einfach
transformieren und damit ohne große Verluste über weite Strecken transportieren
kann.
Transformator (Traffo)
Mithilfe eines Transformators kann man die Spannung des Stroms verändern. Er
besteht im Prinzip aus zwei Spulen mit unterschiedlich vielen Windungen.
Fließt durch die erste Spule Strom, entsteht ein Magnetfeld, das in der zweiten Spule
auch Spannung induziert. Die Spannungen haben zueinander das gleiche Verhältnis
wie die Windungszahlen der beiden Spulen (U1 : U2 = N1 : N2).
Sind in der zweiten Spule mehr Windungen als in der ersten, erhält man eine höhere
Spannung und umgekehrt.
Der Strom, der durch die erste Spule fließt, hat eine Spannung von 230V. Die erste
Spule hat 50 Windungen, die zweite 5000. Der Strom, der in der zweiten Spule
induziert wird hat 23.000V.
Man verwendet so hohe Spannungen für den Transport von Strom, weil die Verluste
indirekt proportional zur Spannung sind. Ist die Spannung also 100 Mal so groß, sind
die Verluste nur ein Hundertstel.