Unterrichtseinsichten - Schuljahr 2012/2013 - Physik 11Ph1e

Magnetfelder

• Wiederholung zum Thema Magnetismus
• Permanentmagnete
  
  Die Büroklammer schwebt in der Luft, von einem Faden gehalten. Die Halterung oberhalb der Büroklammer scheint leer zu sein, enthält aber einige Hochleistungsmagnete.
• Weißsche Bezirke
    
  Durch einen Stabmagneten werden viele kleine Magnetnadeln geordnet. Entfernt man den Stabmagneten, stellen sich die Magnetnadeln im Prinzip willkürlich ein, bilden aber durch gegenseitige Beeinflussung Bereiche, in denen eine bestimmte Vorzugsrichtung zu erkennen ist.
  Dies kann man als Modell für ferromagnetische Stoffe ansehen, in denen sich immer kleine Bereiche (Weißsche Bezirke) finden, die einheitlich ausgerichtet sind.
• Elektromagnetismus
  
  Ein stromdurchflossener Leiter hat um sich herum ein Magnetfeld, dessen Feldlinien in zum Leiter konzentrischen Kreisen angeordnet sind.
  Eine Magnetnadel stellt sich senkrecht zum stromdurchflossenen Leiter ein.
  Mit der Rechte-Hand-Regel kann man die Richtung des Magnetfeldes ermitteln: Daumen zeigt in Stromrichtung, die anderen leicht gekrümmten Finger zeigen in die Richtung des Magnetfeldes.
• Materie im Magnetfeld
      
  Eine leichtgängige Schere wird mit der Spitze in eine Spule gelegt. Fließt nun Strom durch die Spule, wird die Schere in die Spule gezogen und öffnet sich. Deutung: Magnetisierbare Materie wird in den Bereich der größten Feldstärke gezogen. Da die Klingen und die Griffe jeweils gleich magnetisiert werden, stoßen sich die Klingen und die Griffe gegenseitig ab und die Schere öffnet sich.

• In einem Vorversuch haben wir gesehen, dass der Elektronenstrahl in einer Elektronenröhre durch das Magnetfeld eines Stabmagneten abgelenkt wird.
      
  Stehen die Feldlinien des Magnetfeldes senkrecht zur Bewegungsrichtung der Elektronen, so wird der Elektronenstrahl in eine Richtung senkrecht zu den Feldlinien und senkrecht zur Bewegungsrichtung abgelenkt.
  Die Richtungen kann man mit der 3-Finger-Regel der linken Hand herausfinden:
  Zeigt der Daumen in Richtung der fliegenden Elektronen und der Zeigefinger in Richtung des Magnetfeldes (von Nord nach Süd, also weg vom Nordpol), so zeigt der Mittelfinger in die Richtung, in die die Elektronen abgelenkt werden.Analog zum elektrischen Feld sollen feldbeschreibende und felderzeugende Größen für das Magnetfeld definiert werden.
• Wie beim elektrischen Feld wird dabei für das Magnetfeld eine Größe gesucht, die die Kraftwirkung im Magnetfeld beschreibt.
• Versuchsaufbau:
  
  
• Rechts unten ein aus 10 Permanentmagneten erzeugtes homogenes Magnetfeld (zwischen Ober- und Unterseite des Gerätes).
  Zwischen den Platten befindet sich ein Gleiter mit darauf befestigten Drahtschlaufen (längs als Leiter, quer als Messtrecke verwendet).
• Rechts ein Zählgerät, mit dem unter Verwendung einer Lichtschranke (schwarzer Bügel) und eines Schirms (weiße Pappe) die Geschwindigkeit des Gleiters bestimmt wird.
• Hinten in der Mitte ein Mikrovoltverstärker mit Anzeigegerät, der die im Leiter induzierte Spannung misst.
• Links auf dem Nebentisch ein Motor, der den Gleiter aus dem Magnetfeld zieht.
• Im Bereich des rechteckigen flachen Körpers auf dem Bild oben wird durch Permanentmagnete ein homogenes Magnetfeld erzeugt.
  
  
  Die magnetischen Feldlinien verlaufen senkrecht in die Tischebene hinein.
  Wird der Drahtbügel nach links herausgezogen, so erfahren die Elektronen im Draht eine Kraft nach oben.
  In den langen Drähten werden sie nur gegen den oberen Rand des Drahtes gedrückt, im rechten senkrecht verlaufenden Stück wwerden sie aber nach oben abgelenkt.
  Dadurch baut sich im oberen Drahtstück ein Minuspol und im unteren ein Pluspol auf.
  Ist die negative Ladung oben so stark geworden, dass die ankommenden Elektronen abgestoßen und nicht mehr auf das obere Drahtstück gelangen können, stellt sich ein stabiler Gleichgewichtszustand ein, d.h. links an den Enden des Drahtes kann man bei konstanter Geschwindigkeit des Drahtes eine konstante Spannung messen.
• Durchführung der Messung in der nächsten Stunde.

• Versuch zur Definition einer Größe, die das Magnetfeld beschreiben kann
  
• 1. Teilversuch: d (Länge des Drahtstückes senkrecht zur Bewegungsrichtung) wird variiert. Das Magnetfeld und die Geschwindigkeit bleiben konstant.
  Messwerte:
  Die Versuchsergebnisse zeigen: Bei konstantem Magnetfeld und konstanter Geschwindigkeit ist die Spannung U proportional zur Länge d des Drahtstückes am rechten Ende.
  Es gilt also U/d=const.
  Stellt man sich die langen Drahtstücke als Kanten eines Plattenkondensators vor, gegen die man von der Seite schaut, so kennen wir diesen Zusammenhang zwischen U und d schon:
  Das homogene elektrische Feld zwischen zwei Kondensatorplatten hat die Feldstärke E und es gilt: E=U/d.
  Damit gilt: Bei konstanter Geschwindigkeit des Drahtes ergibt sich zwischen den Drähten ein elektrisches Feld der Feldstärke E, wobei es nicht darauf ankommt, wie groß der Abstand zwischen den Drähten ist.
• 2. Teilversuch: v wird variiert. d=4cm das Magnetfeld bleiben konstant.
  Messwerte:
  v wird berechnet aus der Verdunkelungszeit der Lichtschranke und der Breite b=6,5cm eines Pappstreifens, der zur Verdunkelung genutzt wird.
  Der Versuch ergibt: Bei Variation der Geschwindigkeit v und unter Beibehaltung der Länge d des rechten Drahtstückes ist v proportional zur gemessenen Spannung U und damit auch proportional zur Feldstärke E. Mit E~v gilt aber auch E/v=const.
• Also: Wenn das Magnetfeld konstant ist, dann ist, ganz gleich, wie schnell man den Drahtbügel zieht und wie lang das rechte Drahtstück ist, der Quotient E/v eine Konstante.
  Magnetfeld konstant → E/v=const.
• 3. Teilversuch: Die Stärke des Magnetfeldes wird variiert unter Konstanthaltung der Parameter d und v.
  (Aus Zeitgründen entfiel dieser Versuch. Die Messwerte stammen aus einem früheren Versuch)
  Messwerte:
  Dieser Versuch zeigt nun: Wird die Stärke des Magnetfeldes durch Einsatz unterschiedlich vieler Permanentmagnete verändert, so verändert sich proportional auch der Wert des Faktors E/v=U/vd.
  Das heißt: Der Wert von E/v kann als Maß für die Stärke des Magnetfeldes dienen.
• Wir haben also eine Größe gefunden, die die Stärke des Magnetfeldes beschreibt: E/v, auch mit B bezeichnet und "magnetische Flussdichte" genannt.
• Die elektrische Feldstärke E ist definiert als .
  Setzen wir das in die Formel der magnetischen Flussdichte ein, so ergibt sich: 
• Vergleicht man die feldbeschreibenden Größen E für das elektrische Feld und B für das magnetische Feld, so sieht man:
  E ist definiert als Kraft pro Ladung und
  B ist definiert als Kraft pro bewegter Ladung
  Wir werden sehen, dass die Formeln des elektrischen Feldes in vielen Fällen genau so im magnetischen Feld vorkommen, wenn man statt Q den Term Q·v schreibt.

• Wiederholung zu Klausur 2

• Klausur 2  [ Aufgaben | Lösungen ]
  

• Vor ein paar Stunden haben wir gesehen, dass man mit der Größeeine sinnvolle Möglichkeit zur Beschreibung der Stärke einesmagnetischen Feldes gefunden hat.
  Stellt man die Gleichung um zu F=Q·v·B, so erhalten wir eine Formel zur Berechnung der Kraft, die in einem Magnetfeld wirkt. Man nennt diese Kraft Lorentzkraft. 
  Die Formel gilt dann, wenn v und B senkrecht zueinander stehen (die Elektronen bewegen sich senkrecht zu den magnetischen Feldlinien).
  
  Stehen v und B nicht senkrecht zueinander, so muss für eine der beiden Größen die Komponente berechnet werden, die senkrecht zur anderen Größe steht.
  Links: 
  Rechts:
  In beiden Fällen ergibt sich die gleiche Formel.
• Halleffekt
  Beim Versuch in der letzten Stunde haben wir einen Draht und damit auch die Elektronen in dem Draht durch ein Magnetfeld gezogen und dabei beobachtet, welche Auswirkung durch das Magnetfeld auf die bewegten Elektronen ausgeübt wird.
  Die Bewegung der Elektronen kann man aber auch erreichen, indem man durch einen im Magnetfeld befindlichen Leiter einen Strom fließen lässt.
  
  Zwischen den 2 großen silbernen Elektroden ist dieser Leiter (rötlich angelaufen) befestigt.
  Der Strom fließt in waagrechter Richtung.
  Im Betrieb durchsetzen magnetische Feldlinien in die Bildebene hinein den Leiter.
  In der Mitte des Leiters wird die Spannung abgegriffen.
  Die Abgriffstellen müssen genau gegenüber am Rand des Leiters liegen.
  Da diese Bedingung schlecht eingehalten werden kann, sind oben 2 Abgriffe vorhanden, mit deren Hilfe mit einem Potentiometer (rund, oben links) eine Korrektur erfolgen kann.
  Die abgegriffene Spannung nennt man Hallspannung.
  Mineaturisiert (mit Halbleiterbauelementen) bietet der Halleffekt eine sehr gute Möglichkeit, um Magnetfeld fast punktförmig ausmessen zu können.
• Homogenes Magnetfeld
  Wir haben uns überlegt, wie man ein homogenes Magnetfeld erzeugen kann.
  Eine Herleitung in Analogie zum homogenen elektrischen Feld findet man hier auf den Seiten 38 und 39.
  Weiter oben wurde gezeigt, dass man von der feldbeschreibenden Größe E des elektrischen Feldes zur feldbeschreibenden Größe des Magnetfeldes kommt, indem man in der Formel die (ruhende) Ladung Q durch die "bewegte" Ladung Q·v ersetzt: E=F/Q → B=F/(Q·v).
  Ein homogenes elektrisches Feld wird durch einen geladenen Plattenkondensator erzeugt.
  
  
• Um zum homogenen magnetischen Feld zu kommen, werden die ortsfesten Ladungen auf den Kondensatorplatten durch bewegte Ladungen ersetzt.
  Dazu wird ein Strom durch die Platten geleitet, links von oben nach unten, rechts von unten nach oben:
    
  Wie in der Sek.I kennengelernt, zeigt der Œrstedt-Versuch, dass ein stromdurchflossener Leiter von einem Magnetfeld umgeben ist, dessen Feldlinien kreisförmig um den Leiter herumlaufen bzw. parallel zur Wand des Leiters verlaufen.
  Mit der Rechte-Hand-Regel stellt man die Richtung des Magnetfeldes fest: Daumen in Stromrichtung (von + nach -), andere Finger zeigen in Richtung des Magnetfeldes.
  So sieht man, dass die Feldlinien, die im Innern der Platten verlaufen, parallel zu den Platten sind. Die von beiden Platten erzeugten Felder sind im Innern gleich gerichtet.

• Die Einheit der magnetischen Flussdichte B
  Entsprechend der Definition der magnetischen Flussdichte
  gilt für die Einheit von B eine ziemlich umfangreiche Zusammenstellung von Grundeinheiten.
  Man hat deshalb eine neue Einheit für B vereinbart: T für Tesla:
• In der letzten Stunde haben wir angesprochen, dass wir bei der Lorentzkraft das Kreuzprodukt zweier Vektoren bilden müssen.
  Das Kreuzprodukt (oder auch Vektorprodukt) lässt sich so berechnen: , wobei der Vektor n die Länge 1 hat und zu den Vektoren a und b senkrecht steht.
• Die Untersuchung von Spulen mit der Länge L, dem Durchmesser d, der Windungszahl n und der Stromstärke I hat in einem ersten Versuch ergeben, dass die Stärke des entstehenden Magnetfeldes unabhängig vom Durchmesser der Spulen ist. Weitere Versuche in der nächsten Stunde.

• Mit folgendem Versuchsaufbau (veränderliche Spule) haben wir die nachfolgend dokumentierten Messungen durchgeführt:
   
  
• Die magnetische Flussdichte wird mit der Hallsonde gemessen. Eine Anzeige von U_H=0,2mV entspricht B=1mT.
  Von den variablen Größen wurden immer 2 Größen konstant gehalten.
  Die Hallspannung und damit die magnetische Flussdichte wurde dann in Abhängigkeit von der 23. Größe bestimmt.
• Messwerte:
• Auswertung der Messreihen:
• Magnetische Flussdichte B in Abhängigkeit von der Windungszahl n
       
  Die Messpunkte liegen auf einer Ursprungsgerade. B ist also proportional zu n:  B~n.
• Magnetische Flussdichte B in Abhängigkeit von der Stromstärke I
       
  Die Messpunkte liegen auf einer Ursprungsgerade. B ist also proportional zu I:  B~I.
• Magnetische Flussdichte B in Abhängigkeit von der Spulenlänge L
        
  Die Messpunkte liegen auf einer Hyperbel, da der b-Wert etwa gleich -1 ist: y=a·x^-1=a·1/x. B ist also antiproportional zu I:  B~1/L.
• Insgesamt ergibt sich die Proportionalität B~I·n/L, wie man es auch durch folgende theoretische Herleitung vorhersagen kann:
  
• Analog zu σ im elektrischen Feld wird im magnetischen Feld eine Größe H definiert, die beschreibt, wie das Feld entsteht.
  In der Formel für σ wird Q durch Q·v ersetzt und man erhält .
  Die Platten (siehe Überlegung vor einigen Stunden) haben die Höhe h und die Länge L.
  In dieser Formel ersetzen wir Q·v wie schon weiter oben gezeigt durch "Stromstärke mal Länge".
  In diesem Fall ist die Länge gleich 2 mal der Höhe der Platten, also Länge=2·h.
  Es ergibt sich .
  Die Gesamtfläche der Platten berechnet sich aus A=2·h·L. Dieser Term wird in die Formel eingesetzt. Gekürzt ergibt sich dann
  .
• Schneidet man die Kondensatorplatten in Streifen, so wird sich das nicht auf den Stromfluss und damit auf das Magnetfeld auswirken:
  
  Werden nun aber die Streifen elektrisch voneinander isoliert und wird der Strom immer im Kreislauf einzeln durch jeden Streifen gelenkt, so ergibt sich ein Magnetfeld der n-fachen Stärke, wenn n die Anzahl der Streifen ist, in die eine Platte zerschnitten wird:
   
  Die Formel erweitert sich so zu . Dieses H nennt man magnetische Feldstärke.
• Die Form der Apparatur ähnelt einem aufgewickelten Draht und gleicht sich damit einer Spule an.
  Es folgt: Das Innere einer stromdurchflossenen Spule enthält ein homogenes magnetisches Feld, dessen Feldlinien in Richtung der Spulenachse zeigen.
  Analog zu  schreiben wir hier .
  Die magnetische Flussdichte B (feldbeschreibende Größe) ergibt sich also aus eine Feldkonstante my-0 mal der magnetischen Feldstärke H (felderzeugenden Größe).
  H setzt sich zusammen aus der Stromstärke I, der Windungszahl n der Spule und der Länge L der Spule.
• Der Proportionaltätsfaktor μ₀ lässt sich bestimmen aus den Messwerten für B, I, n und L:
  Unsere Messung mit der ausziehbaren Spule ergab 2,1·10^-6Vs/Am und stimmte immerhin in der Größenordnung mit dem Literaturwert 1,3·10^-6Vs/Am überein.
  
• Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters
  Bekannt ist, dass um einen stromdurchflossenen Leiter ein Magnetfeld existiert, dessen Feldlinien konzentrische Kreise um den Leiter beschreiben.
  Wie hängt aber die Größe der Kraftflussdichte von der Stromstärke des Stroms und dem Abstand vom Leiter ab?
  Wir haben folgende Messung durchgeführt:
  
  Bei verschiedenen Abständen der Hallsonde vom stromdurchflossenen Leiter wurde die magnetische Flussdichte gemessen:
  
  Auswertung mit dem Taschenrechner:
             
             
  Es ergibt sich näherungsweise folgende Funktionsgleichung:
  , wobei r der Abstand des Messpunktes vom Leiter ist.
  Da die magnetische Flussdichte B proportional zur Stromstärke I ansteigt, gilt .
  Über den Proportionalitätsfaktor unterhalten wir uns in der nächsten Stunde.
  
  

• Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters
  Bei der Behandlung des elektrischen Feldes einer geladenen Stange haben wir herausgefunden, dass die Feldlinien in einer Ebene senkrecht zur Stange sternförmig auseinander laufen, an der Stange entlang aber parallel zueinander:
  
  Eine theoretische Überlegung ergibt:
  
• Wir haben gesehen, dass die Formeln vom elektrischen aufs magnetische Feld zu übertragen sind (allerdings nur Analogie, keine Beweiskraft!), wenn man die Ladung Q durch die "bewegte Ladung" Q·v ersetzt. Außerdem muss man B statt E und H statt σ schreiben.
  Da die geladene Stange analog zum stromdurchflossenen geraden Leiter zu sehen ist, ergibt sich
  und
• In der letzten Stunde haben wir aus dem Versuch die Beziehung erhalten. Eine Auswertung der Messwerte ergibt, dass der Proportionalitätsfaktor tatsächlich den Wert besitzt.
  

• Rückgabe der Klausur 2  [ Aufgaben | Lösungen ]
• Wienfilter
• Massenspektrograph  (weiterer Link)

• Kreisbewegung
• Dreht sich ein Körper auf einer Kreisbahn, so reicht es zur Beschreibung der Bewegung nicht aus, die Bahn-Geschwindigkeit v des Körpers anzugeben, man muss auch sagen, in welchem Abstand r er sich zum Mittelpunkt des Kreises befindet.
  Eine Größe, die bei konstanter Drehgeschwindigkeit auch konstant ist, ist die Änderung des Winkels pro Zeiteinheit.
  Man definiert deshalb als wichtige Größe der Kreisbewegung die Winkelgeschwindigkeit ω durch Winkelgeschwindigkeit = Änderung des Winkels / dafür benötigte Zeit, also:
  
  Bei konstanter Winkelgeschwindigkeit benötigt jeder gedrehte Körper gleich viel Zeit für eine Umdrehung, ganz gleich, wie weit er vom Zentrum der Drehbewegung entfernt ist.
• Betrachtet man eine volle Umdrehung statt der Winkeldifferenz, so kann man mit dem Umfang 2π und der Umlaufdauer T auch schreiben: 
  
• Die Zeit für einen vollständigen Umlauf nennt man Umlaufzeit T.
  Der Kehrwert von T gibt an, wie häufig in einer Sekunde ein Umlauf vollendet wurde.
  Beispiele: Ist T = 2s, so wird in 1 Sekunde 1/2 Umlauf durchgeführt. Bei T = 10s sind es nur 1/10 Umlauf pro Sekunde. Bei T = 1/5s sind es dagegen 5 Umläufe pro Sekunde.
• Die Anzahl der Umläufe pro Sekunde nennt man Frequenz f mit .
• Die Bahngeschwindigkeit v eines Körpers erhält man, wenn man die Länge 2πr eines vollen Umlaufs durch die dafür benötigte Zeit T teilt:
  
• Wir haben die Gleichungen für die Zentripetalbeschleunigung kennen gelernt:
  
• Damit ein Körper auf einer Kreisbahn bleibt, braucht er eine ständige Kraft, die ihn zum Zentrum der Kreisbewegung hin zieht, die Zentripetalkraft.
  Ohne diese Zentripetalkraft würde er tangential zur Kreisbewegung, also geradeaus, wegfliegen.
  Im Karussell scheint man nach außen weggedrückt zu werden und nennt diese Kraft "Fliehkraft" oder "Zentrifugalkraft".
  Diese "Kräfte" sind aber Scheinkräfte, man spürt die Gegenkraft zur Zentripetalkraft.
• Die Zenrtripetalkraft bewirkt, dass der Drehkörper ständig senkrecht zu seiner Bahn zum Mittelpunkt der Kreisbahn mit der Zentripetalbeschleunigung a_z beschleunigt wird.
  Da die Zentripetalbeschleunigung keine Komponente in Richting der Bahngeschwindigkeit des Körpers besitzt, ändert sich die Bahn-Geschwindigkeit des Körpers nicht, nur seine Richtung.
• Vorbereitung des Versuchs zu e/m-Bestimmung
• Die Elektronen werden beschleunigt, also muss mit Hilfe der Formeln zur Energie im elektrischen Feld und zur kinetischen Energie die Geschwindigkeit bestimmt werden.
• Die Kraft auf die Elektronen im Magnetfeld ist durch die Lorentzkraft gegeben, die gleich der Zentripetalkraft ist. Diese Kräfte können also gleich gesetzt werden.
• Die Formeln sind so zu kombinieren, dass für e/m ein Term entsteht, der nur messbare oder gegebene Größen enthält.
• Durchführung des Versuchs in der nächsten Stunde.

• Versuch zur e/m-Bestimmung
  
  Elektronen werden beschleunigt (Wehnelt-Zylinder rechts in der Röhre) und werden im Magnetfeld der Helmhotz-Spulen auf eine Kreisbahn gezwungen.
  Nach Durchlaufen eines Halbkreises treffen die Elektronen auf dünne Stäbe, die mit einer Fluoreszenzschicht versehen sind.
  Gemessen werden die Beschleunigungsspannung U_B, die Stromstärke I in den Helmholtz-Spulen (und damit auch die magnetische Flussdichte B) und der Radius r der Kreisbahn.
• Herleitung der Formel zur Bestimmung des Wertes von e/m
  
• Messwerte
  
• Auswertung
  Laut Herstellerangaben (Helmhotzspulen) wird die magnetische Flussdichte nach der Formel berechnet.
  n ist dabei die Windungszahl n=154 der Spulen und R ist der Radius R=0,2 m der Spulen.
  Damit ergibt sich folgende Auswertung:
  
  Es ergibt sich folgendes Ergebnis:
  

• Besprechung der Hausaufgabe
• Beginn: Beschleuniger (Linearbeschleuniger, Zyklotron)

• Beim Zyklotron werden geladene Teilchen durch eine Wechselspannung beschleunigt.
  
  Da die Umlaufdauer konstant ist, muss die Frequenz der Wechselspannung nicht erhöht werden, wenn die geladenen Teilchen schneller werden.
  Rechnung dazu:
  
  Da in der Formel nur Konstanten und die konstant gehaltene Größe B (Magnetfeld) stehen, ist T auch konstant.
• Magnetisierung einer ferromagnetischen Substanz
  Eine lange magnetisierbare Metallstange befindet sich im Feld einer Spule (600 Windungen).
  Die Spule wird von Glechstrom durchflossen, dessen Stärke und Polarität stufenlos geregelt werden kann.
  Mit einer Hallsonde misst man am Ende der Stange die magnetische Flussdichte.
  
  Die Magnetisierung folgt der an die Spule angelegten Spannung. Das geschieht allerdings mit Verzögerung, so dass der Grad der Magnetisierung davon abhängig ist, ob die Spannung erhöht oder erniedrigt wird.
  
  Herunterladen der Messdatei durch Klick auf das Bild (Ziel speichern unter...)

• Der Verlauf der Auswirkung (hier: Magnetismus) bei Einfluss eines erzeugenden Systems (hier: Spulenstrom) wird durch die Hysteresekurve dargestellt. Im Link werden weitere Beispiele für Hysteresekurven in anderen Bereichen gegeben.Das Magnetfeld (bzw. die magnetische Kraftflussdichte), die zurück bleibt, wenn man den Spulenstrom wieder auf 0 A zurück fährt, nennt man Remanenz.

• Einführender Versuch:
  Durch eine Leiterschaukel im Magnetfeld wird ein Strom geleitet.
  Beim Einschalten bewegt sich der quer liegende Leiter je nach Polung in die eine oder die andere Richtung.
  
  Die Bewegungsrichtung lässt sich mit der 3-Finger-Regel der linken Hand bestimmen:
• Daumen: Bewegungsrichtung der Elektronen (vom Minus- zum Pluspol, hier von blau nach rot)
• Zeigefinger: Richtung des Magnetfeldes (vom Nord- zum Südpol)
• Mittelfinger: Kraft auf die Elektronen. Die Elektronen nehmen den Leiter mit sich, hier in den Hufeisenmagneten hinein.
• Physikalische Prozesse lassen sich oft umkehren
• 1. Prozess:
  Ablenkung eines stromdurchflossenen Leiters im Magnetfeld
  
  Ursache: Stromfluss, Bewegung der Elektronen, blauer Pfeil, Daumen der linken Hand
  Vermittlung: Magnetfeld, Feldlinien vom Nord- zum Südpol, roter Pfeil, Zeigefinger der linken Hand
  Wirkung: Bewegung des Drahtes, in den Hufeisenmagneten hinein, gelber Pfeil, Mittelfinger der linken Hand
• 2. Prozess:
  Induktion, Erzeugung einer Spannung durch Bewegen eines Drahtes im Magnetfeld
  
  Ursache: Bewegung des Drahtes, in den Hufeisenmagneten hinein, gelber Pfeil, Daumen der linken Hand
  Vermittlung: Magnetfeld, Feldlinien vom Nord- zum Südpol, roter Pfeil, Zeigefinger der linken Hand
  Wirkung: Stromfluss, Bewegung der Elektronen, blauer Pfeil, Mittelfinger der linken Hand
• Während beim ersten Prozess die Elektronen vom Minuspol (rechts) kommen, werden die Elektronen im Draht im zweiten Prozess durch die Lorentzkraft nach rechts verschoben und sammeln sich am rechten Ende des Spannungsgerätes.
  Die Elektronenrichtung ist also im Umkehrprozess genau entgegengesetzt zum ersten Prozess.
  Da durch den ersten Prozess (Bewegung des Drahtes in den Hufeisenmagneten hinein) die Elektronen entsprechend des zweiten Prozesses zum Minuspol gedrängt werden, hemmt die Induktionswirkung den Stromfluss im ersten Prozess (Lenzsche Regel).
• Die Erfahrung, dass durch Bewegung eines Leiters im Magnetfeld eine Spannung erzeugt werden kann, wird in der Technik intensiv ausgenutzt (Generatoren, Fahrraddynamo, ...).
• Die induzierte Spannung durch einen einzelnen bewegten Draht im Magnetfeld ist sehr gering.
  Verstärken lässt sich die Spannung durch Parallel-Legen von Leitern, z.B. bei einer Spule:
  
  Die induzierte Spannung entsteht, wenn entweder die Spule im Magnetfeld bewegt wird oder sich der Magnet in Bezug auf die Spule bewegt.
• Aber auch ohne Bewegung kann man induzierte Spannungen erzeugen, z.B. durch Wechselstrom:
  Durch eine Spule (links) fließt Wechselstrom. Obwohl die Spule rechts nicht durch elektrische Leiter mit der linken Spule verbunden ist, fließt auch in ihr ein Wechselstrom, da das Magnetfeld der linken Spule die rechte Spule durchsetzt. Um die Wirkung zu erhöhen, legt man in die Spulen Eisenkerne, die die magnetische Wirkung vergrößern.
  
  Anwendungen dieses Effekts: Transformatoren, z.B. Netzteile für elektronische Geräte, Trennung zweier Stromkreise, Ladegerät für elektrische Zahnbürste.

• Lenzsche Regel: Die Induktionsspannung ist der angelegten Spannung entgegengesetzt gerichtet.
  Wird an eine Spule eine Spannung angelegt, so steigt der Stromfluss wegen der Induktionsspannung nur langsam an.
• Die theoretische Herleitung der Induktionsgleichung ergab mit Hilfe des "magnetischen Flusses Φ=A·B" mit A: Fläche der Spule und B: magnetische Flussdichte folgende Gleichung:

• Beispiele für die Lenzsche Regel (Die Ursache einer induzierten Spannung wird durch diese Spannung abgeschwächt)
  Sind ein Magnetfeld und ein nichtmagnetisierbares Material in Relativbewegung zueinander, so entstehen im nichtmagnetisierbaren Material Wirbelströme, die die Relativbewegung dieses Materials hemmen.
• Waltenhofersches Pendel
       
  Schwingt eine massive Aluminiumplatte (links) in einem Magnetfeld, so wird sie abgebremst. Ist die Platte dagegen in feine Streifen zerschnitten (rechts), so können sich keine Wirbelströme ausbilden und die Platte schwingt (fast) ungehindert weiter.
• Rotierende Aluminium-Scheibe im Magnetfeld
   
  Die rotierende Scheibe (ein Massestück zieht an einem Faden, der um die Achse der rotierenden Scheibe gewickelt ist) wird in einem Magnetfeld abgebremst.
• Fallen eines Magneten in einem Rohr
   
  Während eine nichtmagnetische Schraube die Rohre schnell durchfällt, benötigt ein fallender Hochleistungsmagnet (Neodym) viel mehr Zeit.
  Im Aluminium-Rohr fällt der Magnet schneller (ca. 3 s) als im Kupferrohr (ca. 15 s), da Kupfer besser als Aluminium leitet und die Wirbelströme sich deshalb im Kupferrohr intensiver auswirken können.
• Fliegender Kupferring
    
  Eine von Wechselstrom durchflossene Spule stößt auf Grund der Lenzschen Regel einen Kupferring, der sich auf einem gemeinsamen Einsenkern befindet, ab.
  Bei sehr schnellem Hochfahren der Spannung fliegt der Kupferring dabei bis in große Höhe (Achtung: Spule fixieren!).
• Hausaufgabe zur Vorbereitung auf die Klausur: Seite 257 Aufgaben 3 und 4

• Wiederholung zur Klausur

• Klausur 3  [ Aufgaben | Lösungen ]

• Besprechung und Rückgabe der Klausur 3 [ Aufgaben | Lösungen ]