Caren Hagner / PHYSIK 2 / Sommersemester 2015 Kapitel 4: Induktion / 1

4 Induktion

Ein veränderliches Magnetfeld

(allgemein Änderung von ΦB)

in der Spule,

induziert eine Spannung

(→ Stromfluss U=RI)

in der Spule.

Worum geht es?

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4.1 Induktionsgesetz (Faraday):

Jede Änderung des magnetischen Flusses durch eine Leiterschleife,

induziert darin eine elektrische Spannung U.

Michael Faraday:

1791-1867

Uind

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4.2 Lenzsche Regel

Beispiel:

Aluring:

Magnet bewegt sich

auf Ring zu

Bewegt sich vom Magnet weg

Dieser Aluring

(mit Schlitz!)

weicht dem Magneten

nicht aus.

Denn: Wegen des Schlitzes

können keine Wirbelströme

fliessen.

Die durch Veränderung magnetischer Flüsse erzeugten Induktionsströme

fließen derart, dass ihre eigenen Magnetfelder der Induktionsursache

entgegenwirken

oder:

Die in Leitern induzierten Ströme sind immer so gerichtet, dass sie die

Bewegung durch die sie hervorgerufen wurden zu hemmen versuchen.

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Weitere Versuche zu Induktion, Lenzscher Regel & Wirbelströmen

Thomsonscher Ringversuch Kugelrennen Waltenhofsches Pendel

(Wirbelstrombremse)

Beim Einschalten des Stromes durch

die Spule wird der Aluring nach oben

katapultiert.

Ein Ring mit Schlitz zeigt keine Wirkung.

Eine nicht magnetisierte Kugel fällt

gleich schnell durch beide Rohre.

Eine magnetisierte Kugel, erzeugt

beim Fallen durch das Kupferrohr

Wirbelströme und wird durch die

Lenzsche Regel stark gebremst.

Lässt man die magnetisierte Kugel

durch das Plastikrohr und die

unmagnetisierte Kugel durch das

Kupferrohr fallen, kommen beide

gleichzeitig an.

unmagnetisierte

Kugel

magnetisierte

Kugel

Kupferrohr Plastikrohr

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Weiteres Beispiel für Induktion, Wirbelströme und Lenzsche Regel:

Der schwebende Supraleiter

Magnet

Supraleiter

B

Magnet

Wirbelstrom

Bind

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a) Flussänderung durch Bewegung eines Leiters:

Herleitung des Faradayschen Gesetzes bei

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b) Flussänderung durch Rotation:

Herleitung des Faradayschen Gesetzes bei

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Versuch zum Wechselstromgenerator:

Hufeisenmagnet

Spule,

wird durch

Kurbel gedreht

Bei Drehung

der Kurbel, fließt Wechselstrom

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Wechselstromgenerator:

Fahrraddynamo

Rad dreht sich, -> Magnet dreht sich,

-> Magnetfeld in der Spule ändert sich,

-> Spannung wird induziert, Strom fliesst.

Wenn sich das Rad schneller dreht,

ist die Änderung des magnetischen Flusses

größer, eine größere Spannung wird induziert,

die Lampe leuchtet heller.

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Weiteres Anwendungsbeispiel: Induktionsherd

Im Kochfeld:

Spule in der

Wechselstrom (20 - 100 kHz)

Fließt, erzeugt magnetisches

Wechselfeld.

Im Topfboden werden

durch das magnetische

Wechselfeld elektrische

Wirbelströme

induziert.

Gutes Aufheizen des Topfbodens,

wenn das Topfbodenmaterial

magnetisch hart ist.

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4.3 Selbstinduktion

4.3.1 Definition

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4.3.2 Ein- und Ausschaltvorgänge in Stromkreisen mit Induktivität (R, L in Reihe)

U0

L (Spule) R

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Versuch:

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4.3.3 Energie des elektromagnetischen Feldes

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4.4 Gegeninduktion

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Der Transformator Schaltsymbol

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4.6 Der Transformator

Spule 1 Spule 2

Eisenkern (geht durch beide Spulen)

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Versuch zur Funktionsweise eines Trafos: Durchschmelzen eines Drahtes

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Trafo-Anwendung: Induktionsofen

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Induktionsofen zur Metallschmelze

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Versuch zur Funktionsweise eines Trafos:

Erzeugung hoher Spannungen (Entstehung eines wandernden Lichtbogens)

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Anwendung: Hochspannungsleitung - Umspannwerk

Übertragung elektrischer Leistung P = U·I mit Hochspannungsleitung.

Die Verluste in der Leitung sind Pverlust = R·I2.

Damit sie klein sind, sollte I klein sein, d.h. die Spannung muss möglichst hoch sein.

Deshalb baut man Hochspannungsleitungen für die Übertragung elektrischer

Leistung (typisch 110.000 V)

Transformator in Umspannwerk

Kraftwerk

P = U·I U 110kV, I klein U 230V, I groß

Überlandleitung Umspanntrafo Umspanntrafo

Haushalt