6.4.11 Erzeugung von Wechselstrom ****** 1

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V060411
Erzeugung von Wechselstrom
6.4.11 Erzeugung von Wechselstrom
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1 Motivation
Eine kleine Spule im Magnetfeld eines Solenoiden wird durch einen Motor in Rotation versetzt.
Man untersucht die Abhängigkeit der dabei erzeugten Wechselspannung von der Feldstärke und
der Drehzahl.
2 Experiment
Abbildung 1: Versuchsanordnung zur Erzeugung von Wechselstrom
Eine um die senkrechte Achse drehbare kleine Spule mit 1000 Windungen befindet sich im
horizontalen Magnetfeld B eines Solenoiden (siehe Abb. 1, Detail in Abb. 2). Ein kleiner Motor
ausserhalb des Solenoids versetzt über eine Schnur die Spule mit der Frequenz ν in Rotation.
Die dabei erzeugte Wechselspannung wird mit zwei Kontakten abgegriffen und auf den Eingang
eines Oszilloskops gegeben.
Der magnetische Fluss Φ durch die Querschnittsfläche A der Spule beträgt
Φ = A · B = AB cos ϕ ,
(1)
wobei ϕ der Winkel zwischen Magnetfeld und Normalenvektor der Fläche ist. Der Flächenvektor
dreht sich um die vertikale Achse in der Horizontalen mit der Winkelgeschwindigkeit ω = 2πν.
Damit ist
ϕ = ωt ⇒ Φ = AB cos ωt
(2)
Die induzierte Spannung ist gleich
Uind = Φ̇ = ABω sin ωt
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(3)
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ω = 2πν
B
Abbildung 2: Detail: Drehbare Spule im Magnetfeld des Solenoiden
und ist damit proportional sowohl zum Magnetfeld als auch zur Drehzahl. Man demonstriert
dies folgendermassen:
a) Ausgangswert
Man beginnt die Messungen mit der Stromstärke I = 10 A durch den Solenoiden und der
Motordrehzahl ν = ν0 (siehe Abb. 3 a)).
b) Abhängigkeit vom Magnetfeld, U = U (B)
Die Halbierung des Spulenstroms und damit der Feldstärke halbiert die Amplitude der
erzeugten Wechselspannung (siehe Abb. 3 b)).
c) Abhängigkeit von der Drehzahl, U = U (ν)
Die Halbierung der Drehzahl halbiert sowohl die Frequenz als auch die Amplitude der
Wechselspannung (siehe Abb. 3 c)).
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c
I = 10 A , ν = 12 ν0
b
I = 5 A , ν = ν0
a
I = 10 A , ν = ν0
Abbildung 3: Erzeugung von Wechselstrom: a) Ausgangswert Spulenstrom I = 10 A, Drehzahl
ν = ν0 , b) Die Halbierung des Spulenstroms halbiert die Amplitude der erzeugten Wechselspannung, c) Die Halbierung der Drehzahl halbiert sowohl die Frequenz als auch die Amplitude der
Wechselspannung.
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3 Theorie
3.1 Das Induktionsgesetz
Ein zeitlich veränderliches Magnetfeld erzeugt nach Maxwell ein elektrisches Wirbelfeld (siehe
Abb. 4):
∂B
∇×E =−
(4)
∂t
∂B
∂t
B
dr
Rechte-Hand-Regel
E
∇×E =−
∂B
∂t
Abbildung 4: Die Richtung der induzierten E-Feldes. Das Magnetfeld B zeigt nach oben und
nimmt mit der Zeit zu.
Wir integrieren Gl. (4) über die von der Kurve C umrandeten Fläche A und formen das Oberflächenintegral auf der linken Seite mithilfe des Stokesschen Satzes in ein Linienintegral über C
um; beim Integral auf der rechten Seite nehmen wir an, dass sich die Geometrie zeitlich nicht
ändert, so dass wir das Flächenintegral mit der Zeitableitung vertauschen können:
Z
Z ∂B
− (∇ × E) · dA =
· dA
(5)
∂t
A
A
I
Z
∂
⇒ − E · dr =
B · dA = Φ̇
(6)
∂t | {z }
C
A
≡dΦ
Damit erhalten wir für die induzierte Spannung Uind :
Uind = +Φ̇ ,
wobei Φ der magnetische Fluss durch die von C umschlossenen Kurve ist.
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q
0
E(r)
dr
E
1
Ḃ
1
dr
q
0
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Z1
U1(0) = −
Z1
E · dr < 0
E · dr < 0
U1(0) = −
0
0
Abbildung 5: Elektrische Spannung U1(0) des Punktes 1 bezüglich des Punktes 0 für ein
Potential- und für ein Wirbelfeld. Die zeitliche Änderung Ḃ der magnetischen Flussdichte B
zeigt in die Zeichenebene hinein. In beiden Fällen gilt dieselbe Definition der Spannung, die
bei beiden Beispielen negativ ist, so dass die positive Ladung q beschleunigt wird und das Feld
Arbeit leistet.
In den meisten Lehrbüchern erscheint fälschlicherweise ein negatives Vorzeichen in dieser Gleichung. Um dies aber zu erreichen, wird die Spannung U1(0) eines Punktes (1) bezüglich eines
Punktes (0) für elektrische Wirbelfelder entgegengesetzt zur Spannung in Potentialfeldern definiert:
Z1
U1(0) = − E · dr Potentialfeld
Falsch!
0
Z1
(8)
E · dr Wirbelfeld
U1(0) = +
0
Zum Beweis für unsere Behauptung berechnen wir die elektrische Spannung U1(0) des Punktes 1
bezüglich des Punktes 0 für ein Potential- und für ein Wirbelfeld (siehe Abb. 5). Wir verwenden
dazu jeweils eine positive Probeladung q, auf die ja die Kraft F in Richtung des elektrischen
Feldes gemäss
F = qE
(9)
wirkt, was einer negativen Spannung entspricht.
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Als Beispiel für ein Potentialfeld wählen wir das Feld eines Plattenkondensators:
Z1
U1(0) = −
E · dr < 0
(10)
0
Das Wirbelfeld werde durch die zeitliche Änderung Ḃ der magnetischen Flussdichte B erzeugt,
welche im Bild in die Zeichenebene hineinzeigt. Damit ist das induzierte E-Feld entgegengesetzt
zum Uhrzeigersinn gerichtet. Beim Verschieben der Probeladung auf dem Kreisbogen vom Punkt
0 zum Punkt 1 gewinnt die Ladung Energie, so dass für die Spannung gilt:
Z1
U1(0) = −
E · dr < 0
(11)
0
Wir müssen nun noch zeigen, dass für das Ringintegral Gln. (6) und (7) gelten. Die in Richtung
des E-Feldes berechnete Spannung ist
I
Uind = − E · dr < 0
(12)
Der zu dieser Orientierung gehörende Flächenvektor A zeigt aus der Papierebene heraus, so dass
für die zeitliche Änderung des magnetischen Flusses folgt:
Φ̇ = Ḃ · A = −|Ḃ| · |A| < 0
(13)
Aus den identischen Vorzeichen von Uind und Φ̇ folgt schliesslich die Gültigkeit der Gl. (7).
Wenn wir nun die Integrationsrichtung in Gl. (10) umkehren,
Z0
U0(1) = −
E · dr > 0
(14)
1
erhalten wir die positive Spannung
U0(1) = −U1(0) > 0 ,
(15)
so dass auch das Ringintegral in Gl. (12) das Vorzeichen wechselt und bei dieser Integrationsrichtung positiv wird. Nun hängt aber der Flächenvektor A als Axialvektor vom Drehsinn seiner
Umrandung ab, das heisst, A wechselt ebenfalls das Vorzeichen, so dass auch der Fluss des
Magnetfeldes nun positiv ist. Damit gilt unabhängig von der Integrationsrichtung
Uind = +Φ̇
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E
Ḃ
B
A
I
UB(A) = −
E · dr
Abbildung 6: Die in der Schleife induzierte Spannung ist gleich dem Linienintegral des elektrischen Feldes über die Schleife. Das Innere der Leiterschleife ist feldfrei!
3.2 Offene Leiterschleife im veränderlichen Magnetfeld
Wir betrachten eine Leiterschleife in einem Magnetfeld. Wir nehmen an, dass sich das Feld
mit der Zeit ändert. Eine Spannung wird induziert. Siehe Abb. 6. Da die Leitungselektronen
im Metall beweglich sind, werden sie im Uhrzeigersinn so lange verschoben, bis das von ihnen
erzeugte elektrische Feld das äussere, induzierte Feld kompensiert. Aus diesem Grund ist der
Pol B negativ, der Pol A dagegen positiv geladen. Weil das Ringintegral über den Kreis nicht
verschwindet, gilt
I
UB(A) = −
E · dr
(17)
Demnach fällt die gesamte Spannung zwischen den beiden Polen ab, und die elektrische
Feldstärke ist entsprechend dem Verhältnis von Polspalt zu Kreisumfang vergrössert! Da der
Leiter nicht geschlossen ist, fliesst kein Strom.
3.3 Geschlossene Leiterschleife im veränderlichen Magnetfeld
In einer geschlossenen Leiterschleife bewirkt das induzierte elektrische Feld einen Strom. Die
Stromdichte j beträgt bei rein Ohmschem Widerstand
j = σE ,
wobei σ die elektrische Leitfähigkeit bedeutet.
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