C Elektromagnetismus

C Elektromagnetismus
C
1
-IV.C1-
Elektromagnetismus
Magnetischer Fluss
Durch elektrischen Strom erzeugten Magnetismus nennt man Elektromagnetismus.
1.1
Magnetisches Feld eines geraden Leiters
Ein vom Strom durchflossener Leiter (Abb.1) erzeugt
ein Magnetfeld.
Dessen
Feldlinien
verlaufen
rechtsdrehend
konzentrisch zum Leiter
und werden mit
zunehmender Entfernung zum Leiter schwächer.
Ein Kreuz im Leitungsquerschnitt (Abb.2) stellt
dar, daß der Strom vom
Betrachter wegfließt.
Abb.2: Rechtsdrehende Feldlinien
Abb.1: Gerader Leiter
1.2
Magnetisches Feld einer Spule
Eine vom Strom durchflossene Spule
(Abb.3) erzeugt ein ähnliches Magnetfeld
wie ein Stabmagnet. (Abb.4 und 5).
Sie bildet einen magnetischen Nord- und
Südpol.
Abb.3: Spule
Abb.4: Magnetische
Feldlinien
einer
Spule
Abb.5: Magnetische
Feldlinien
eines
Stabmagneten
Aufgabe:
Erkläre die Richtung der Feldlinien in einer Spule.
Sciences naturelles et technologie
IV Elektrizitätslehre
12GI
‘15
C Elektromagnetismus
1.3
-IV.C2-
Magnetische Flussdichte
Die Stärke eines magnetischen Feldes wird durch die magnetische Flußdichte B (auch als Induktion
bezeichnet) beschrieben.
Sie ist eine vektorielle Größe und hat die gleiche Richtung wie die Feldlinien.
Magnetische
Flussdichte B
im
Inneren
einer Spule
B = µr ⋅ µ0 ⋅
I⋅N
l
B:
µr:
µ0:
I:
N:
l:
Magnetische Flussdichte in T (Tesla 1)) 1 T = 1 V⋅s/m2
Permeabilitätszahl (ohne Einheit)
magnetische Feldkonstante
µ0 = 1,257 ⋅ 10-6 V⋅s/(A⋅m) (= 0,4 ⋅ П ⋅ 10-6 V⋅s/(A⋅m) )
Stromstärke in A
Anzahl der Windungen (ohne Einheit)
Länge der Spule in m
Die Permeabilitätszahl ist eine Stoffkonstante. Sie berücksichtigt daß sich im Inneren der Spule ein
Stoff (und kein Vakuum) befindet.
Die Permeabilitätszahl ist vom Stoff, der Stärke des Magnetfeldes und der Temperatur abhängig.
Spulen haben daher häufig einen Eisenkern, durch den die Flussdichte beispielsweise 50fach verstärkt
wird.
1.4
Definition
Der magnetische Fluss gibt an, wie groß der Magnetismus ist, der eine Fläche durchsetzt.
Magnetischer Fluss
Φ=A⋅B
Φ:
A:
B:
Magnetischer Fluß in Wb (Weber 2))
1 Wb = 1 T⋅m2 = 1 V⋅s
vom magnetischen Fluß durchsetzte Fläche in m2
magnetische Flußdichte senkrecht zur Fläche in T
1.5 Aus Wissenschaft und Technik
Magnetfelder der Erde/Plasmakammer:
Die Erde ist von einem Magnetfeld umgeben, dessen Pole in der
Nähe der geografischen Pole der Erde sind. Die magnetische
Flussdichte in Luxemburg beträgt ca. 2 ⋅ 10-5 T.
Im Vergleich dazu erzeugen Elektromagnete in der
Kernfusionsforschung bis zu 10 T starke Flußdichten.
Die Abb.6 zeigt die bizarr geformte, 5 to schwere Plasmakammer,
die das 1. Anlagenteil einer Kernfusionsanlagen ist, die bis 2011
fertig gestellt sein soll. Ein 3 T starkes Magnetfeld hält die
geladenen Teilchen im Inneren der Plasmakammer, damit die
erforderlichen hohen Temperaturen (100 Millionen °C) erzeugt
werden können.
Abb.6: Plasmakammer Wendelstein7-X (2005 erstellt)
1
) Nikola TESLA (1856-1943), amerikanischer (geboren im damaligen Kaisertum Österreich,
heute Kroatien) Erfinder, Physiker, Maschinenbau-und Elektroingenieur. Unzählige
Patente und theoretische Arbeiten im Bereich der Stromversorgung
2
) Wilhelm Eduard WEBER (1804-1891), deutscher Physiker (Magnetismus, Elektrizität)
1
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)
2
)
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-IV.C3-
Teilchenbeschleuniger:
Man erhält sehr energiereiche Elementarteilchen (z.B. Elektronen
oder Protonen), indem diese in Teilchenbeschleunigern auf hohe
kinetische Energie gebracht werden. Dabei halten Elektromagnete
die Teilchen auf ihrer Kreisbahn, die diese tausende Male
umlaufen, bis die Geschwindigkeit hoch genug ist.
Am Teilchenbeschleuniger (Abb.7) des 1954 gegründeten CERN
wird in Genf Kernforschung betrieben.
2
2.1
Abb.7: Teilchenbeschleuniger
Elektromotorisches Prinzip
Strom durchflossener Leiter im Magnetfeld
Eine Leiterschaukel ist ein stromdurchflossener
Leiter, der an zwei Metallbändern schwingen
kann. Diese wird mittig zwischen die Schenkel
eines Hufeisenmagneten gehängt (Abb.1).
Man beobachtet, daß eine Kraft auf den
Schaukelsteg wirkt. Je nach Stromrichtung und
Orientierung der Magnetpole wird der Steg nach
innen oder außen abgelenkt.
Abb.1: Leiterschaukel im Magnetfeld
Erklärung:
Der Stromfluß im Schaukelsteg bildet ein Magnetfeld. In
Stromrichtung ist es rechtsdrehend um den Leiter. Durch die
Überlagerung mit dem Magnetfeld des Dauermagneten werden die
Feldlinien auf der einen Seite des Steges verstärkt (z.B. rechts in
Abb.2) und auf der anderen Seite geschwächt.
Daraus entsteht eine Kraft F, die den Schaukelsteg von der
Feldverstärkung zur Feldschwächung bewegt.
Die ablenkende Kraft
Elektromotoren ausgenutzt.
wird
bei
Elektromeßgeräten
und
Abb.2 :Kraft
Wenn ein stromdurchflossener Leiter sich in einem Magnetfeld befindet,
wird elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt.
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2.2
-IV.C4-
Gleichstrommotor
Elektromotoren sind Maschinen, die aufgrund der magnetischen Wirkung des elektrischen Stromes
elektrische Energie in mechanische Energie umwandeln.
Aufbau:
Eine einfache Bauform des Elektromotors besteht aus einer Strom durchflossenen Spule und zwei
Feldmagneten (Dauer- oder Permanentmagneten).
Zur Verstärkung der magnetischen Feldlinien der Spule ist
diese um einen Weicheisenkern gewickelt. Dieses Bauteil
(Abb.3) bezeichnet man als Anker oder Rotor.
Der Anker ist mit einer Achse am Kollektor oder
Kommutator befestigt. Dieser besteht aus zwei Halbzylindern,
die durch eine Isolierschicht getrennt sind. Die beiden Enden
der Spule sind mit je einem der Halbzylinder verbunden.
Die Stromzuführung erfolgt über Schleifkontakte, die
Kohleschleifbürsten, an denen die Halbzylinder entlang
schleifen.
Abb.3: Anker mit Kollektor und Kohleschleifbürsten
Die fest stehenden Dauermagnete bezeichnet man als Stator.
Funktionsweise:
Bei Stromzufuhr bildet die Spule
des Ankers ein Magnetfeld.
Durch die Anziehung zwischen
den magnetischen Feldlinien des
Ankers und des Stators beginnt
sich der Anker zu drehen
(Abb.4a). In der Position wo sich
die beiden entgegen gesetzten
Pole gegenüber stehen ist die
Anziehung am größten. Hier wird
nun - durch den Kollektor - die
Stromrichtung durch den Anker
geändert. Das Magnetfeld des
Ankers wird dadurch umgepolt.
Die gleichen Pole von Anker und
Stator stoßen sich ab (Abb.4b)
und der Anker dreht weiter.
Abb.4a und b: Anziehung bzw. Abstoßung von Anker und Stator
Bei technischen Motoren besitzen die Anker mehrere gegeneinander versetzte Wicklungen, damit nur
eine Windungsfläche im toten Punkt ist.
Die Dauermagnete werden dabei oft durch Elektromagnete ersetzt.
2.3 Aus Wissenschaft und Technik
Elektromotor:
Elektromotor (Abb.5) mit Anker und Stator mit mehreren
Spulen.
Abb.5: Elektromotor
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