2.10 Elektromagnetische Induktion

Elektromagnetische Induktion
Wichtiges Grundwissen für den Lehramtsstudierenden der
Haupt- und Realschule
Universität Augsburg
Didaktik der Physik
1
Stromdurchflossener Leiter im Magnetfeld
(Wiederholung)
Als Folge der Lorentzkraft
auf bewegte Ladungen
erfährt der Leiter eine
Kraftwirkung.
V
W
U
Kraftwirkung
auf den Leiter
Elektronenbewegung
2
Bewegter Leiter im Magnetfeld
U
Wird ein metallischer Leiter in einem
Magnetfeld durch eine äußere Kraft
bewegt, so werden damit auch die in
ihm enthaltenen Ladungen bewegt.
Durch die senkrecht zum Magnetfeld
bewegten Ladungen werden diese auf
Grund der Lorentzkraft längs des Leiters
verschoben.
Es entsteht eine Spannung zwischen den
Leiterenden; die sog. Induktionsspannung
3
Induktion im bewegten Leiter
U
Die Bewegungsrichtung der Elektronen,
kann mit der „UVW-Regel“ bestimmt
werden.
V
(Kraft-)Wirkung
W auf die Ladungsträger
U
Ursache
= Ladungsbewegung
Die „Ursache“ ist hier nicht die Stromrichtung
längs des Leiters, sondern die Leiterbewegung.
Denn: Leiterbewegung ist Ladungsbewegung!
4
Modell der Stromleitung
(nach dem Bohr´schen Atommodell)
In metallischen Leitern sind die Atome regelmäßig angeordnet; sie haben relativ leicht
abspaltbare Elektronen in der äußeren Schale, die von einem Atom zum nächsten
diffundieren können. (Cu: 1 Elektron auf der N-Schale; Ag: 1 Elektronen auf der O-Schale)
Man spricht hier auch von einem Elektronen-„Strom“.
5
Drehung einer Leiterschleife im Magnetfeld
- Drehung durch äußere Krafteinwirkung
- Elektronenfluss im Leiter (UVW-Regel der linken Hand)
W (Mittelfinger)
Anschluss eines Verbrauchers:
V (Zeigefinger)
U (Daumen)
+
-
+
+
-
-
U
V
W
6
+
Induktion in Spulen
U
Ursächlich für die Induktionsspannung ist die
Relativbewegung zwischen Spule und Magnet.
7
Lenz´sche Regel
Die durch Induktion auftretende Größe
(egal ob Kraft, Spannung, Strom, oder Magnetfeld)
ist stets so gerichtet, dass sie ihrer
Entstehungsursache entgegenwirkt.
8
Lenz´sche Regel
„Abstoßung der Felder“
N
S
S
N
„Mitnahme der Felder“
In Schulbüchern steht meist:
Der Induktionsstrom ist stets so gerichtet, dass das durch ihn
entstehende Magnetfeld seiner Entstehungsursache entgegenwirkt.
9
Induktion im bewegten Leiter
(Lenz´sche Regel)
I
Ersetzt man beim Leiterschaukelversuch
von Folie 4 den Spannungsmesser durch
ein Amperemeter, so kann im Leiterkreis
ein Strom fließen sobald man mit einer
äußeren Kraft Fa an ihm zieht.
V
U
Fa
FL
Elektronenfluss
W
(Kraft-)Wirkung
(entgegen der Ursache)
10
Selbstinduktion - Einschaltvorgang
Beim Einschalten leuchtet das mit der Spule in
Reihe geschaltete Lämpchen erst später auf.
I
IL1
L1
24V –
L2
IL2
0
t
Iind
Das sich aufbauende Magnetfeld der Spule hat einen Induktionsstrom
zur Folge, was (nach der Lenz´schen Regel) dazu führt, das der Strom
durch die Spule nur langsam ansteigt.
11
Selbstinduktion – Ausschaltvorgang (1)
I
24V –
0
t
Beim Ausschalten bricht das Magnetfeld der Spule zusammen. Die an
den Spulenanschlüssen auftretende Induktionsspannung wirkt jetzt in
Richtung des ursprünglichen Stroms und verzögert das Abnehmen des
Stroms durch die Lampe.
12
Selbstinduktion – Ausschaltvorgang (2)
U
Uind
24V –
U0
0
t
Wenn der Strom nicht über einen Parallelzweig abfließen kann,
so kann beim Ausschalten ein „Abreißfunken“ entstehen.
13
Wechselstromgenerator
(rotierende Leiterschleife im Magnetfeld)
14
Gleichstromgenerator
Die Wechselspannung kann durch einen Kommutator in eine
pulsierende Gleichspannung umgeformt werden.
15
Generatoren
Innenpolgenerator
Außenpolgenerator
Beim Außenpolgenerator bewegt sich die
Induktionsspule zwischen den Polen eines
Magneten. Die Schleifringe können durch
Funkenbildung beschädigt werden.
Außenpolgeneratoren werden heute fast
nur noch als Erregermaschinen für
Innenpolgeneratoren verwendet.
16
Wirbelströme
Ein anwachsendes Magnetfeld induziert im Eisenkern der Stator- oder Rotorwicklung
eine Spannung, in deren Folge ein Wirbelstrom entsteht, dessen Magnetfeld gegen
das ursächliche Magnetfeld wirkt.
Man nennt sie Wirbelströme, da die Induktionsstromlinien wie Wirbel in sich
geschlossen sind und keine festen Bahnen haben.
Kraftwerksgeneratoren haben Wirkungsgrade von bis zu 98%. Um dies zu erreichen,
werden z. B. die Wirbelströme durch lamellenartige Bleche klein gehalten.
17
Grundprinzip des Transformators (1)
Zwei Spulen stehen einander gegenüber, sind aber nicht leitend miteinander verbunden.
Die Spule 1 (Primär-, Feldspule) kann ein Magnetfeld aufbauen, wenn sie von einem Strom
durchflossen wird. Dieses Magnetfeld durchsetzt auch Spule 2 (Sekundär,- Induktionsspule)
und kann in ihr eine Spannung induzieren.
(1) Ist der Schalter geöffnet, fließt kein Strom.
(2) Der Schalter wird geschlossen:
Spule 1 baut ein Magnetfeld auf; dieses zunehmende
Magnetfeld durchsetzt auch Spule 2.
In Spule 2 entsteht eine Induktionsspannung.
(3) Das Magnetfeld in Spule 1 ist voll aufgebaut und
ändert sich nicht mehr. In Spule 2 ändert es sich
ebenfalls nicht.
keine Induktionsspannung
(4) Der Schalter wird geöffnet.
In Spule 1 und 2 nimmt das Magnetfeld ab.
Es entsteht wieder eine Induktionsspannung.
18
Grundprinzip des Transformators (2)
Ein Eisenkern in der Feldspule verstärkt
die Feldänderung.
Beim Auf- und Abbau des Magnetfeldes werden
die Elementarmagnete im Eisenkern ausgerichtet
und verstärken so die Änderung des Gesamtfelds
der Spule.
Dadurch ändert sich auch das Feld in Spule 2
stärker, was wiederum eine größere
Induktionsspannung ergibt.
Spule 2
Ein zusätzlicher Eisenkern in Spule 2 würde
die Feldänderung noch mehr verstärken.
19
Grundprinzip des Transformators (3)
Zwei Spulen auf einem Eisenkern = Transformator
Besonders gut wird der Effekt, wenn Spule 1
und Spule 2 einen Eisenkern tragen und dieser
geschlossen wird. Die ringförmigen magnetischen
Feldlinien verlaufen dann vollständig im Eisenkern.
Eine solche Anordnung nennt man
einen Transformator.
Für einen Transformator gilt:
Windungszahlverhältnis:
Energieübertragung:
n=
U1
N
= 1
U2
N2
U1 · I1 = η · U2 · I2
20
Hochspannungsübertragung
Verringerung der Leitungsverluste durch Hochspannung
UG = 22 kV
UL = 220 kV
UV = 220 V
PG = 110 MW
PL = 110 MW
PV = 110 MW
IG = 5000 A
IL = 500 A
IV = 500.000 A
Pth = 12,5 kW/km
Für 50km Leitungslänge: Pth = 625 kW ≈ 0,6% von PL
mit UL = 22 kV gerechnet: Pth = 62,5 MW ≈ 60% von PL
I = P/U
Leitungswiderstand: R = 0,05 Ω/km
Leitungsverlust: Pth = R ∙ I²
21
Hochspannungstransformator
2mm
230V~
600
Windungen
24000
Windungen
Zündanlage eines PKW:
22
Hochstromtransformator
Arbeit mit vergleichsweise geringen Spannungen:
Sekundärseitig fließen sehr
viele Ladungen.
=> Reibungswärme
=> Der Nagel glüht auf
und schmilzt durch.
Wasser kocht,
Metall schmilzt.
Solche Hochstromtransformatoren werden
beim Schweißen oder
Schmelzen von Metallen
eingesetzt.
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