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Aufgabe

WALTENHOFEN'sches Pendel

Schwierigkeitsgrad: schwere Aufgabe

Abb. 1 Aufbau und Durchführung des Versuchs mit dem WALTENHOFEN'schen Pendel

Ein Kupferring hängt an einer langen Stange. Man lässt den Ring in das starke Magnetfeld pendeln, das in die Zeichenebene gerichtet ist.

a)Was passiert beim Eintritt des Ringes in das Magnetfeld? Begründe deineAntwort!

b)Stütze die Antwort von Teilaufgabe a) indem du die Kraft auf ein Elektron im Ring einzeichnest und dann die technische Stromrichtung angibst. Welche Folge hat der Stromfluss im Ring (Wirbelstrom)?

c)Was kann man über die auf den Ring wirkenden Kräfte aussagen, wenn dieser sich gerade ganz im Magnetfeld befindet und sich nach rechts bewegt?

d)Beschreibe die Vorgänge (ähnlich wie bei Teilaufgabe a) und b)), wenn der Ring das Magnetfeld auf der rechten Seite wieder verlässt.

e)Wo kann man das oben dargestellte Prinzip der Wirbelstrombremse sinnvoll einsetzen?

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Abb. 2 Beobachtung des Versuchs mit dem WALTENHOFEN'schen Pendel

a)Der Ring wird beim Eintritt in das Magnetfeld abgebremst. Aufgrund der lenzschen Regel fließt im Kupferring ein Induktionsstrom, der so gerichtet ist, dass er die Ursache seiner Entstehung zu hemmen sucht. Der stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld erfährt also eine (magnetische) Kraft F* nach links, so dass eine Abbremsung erfolgt.

 

b)Die mit dem Leiter nach rechts bewegten Elektronen erfahren eine Lorentzkraft nach unten. Man ermittelt die Richtung der Lorentzkraft mit Hilfe der UVW-Regel der linken Hand. Der technische Strom fließt also im Ring im Gegenuhrzeigersinn. Da nun ein stromdurchflossener Leiter (Ring) vorliegt, dessen rechter Teil sich im Magnetfeld befindet, wirkt auf ihn eine Kraft F*, deren Richtung mit der UVW-Regel der rechten Hand ermittelt werden kann: (Ursache: Stromfluss nach oben; Vermittlung: Magnetfeld in die Zeichenebene; Wirkung: Kraft F* auf stromdurchflossenen Leiter).

c)Wenn der Kupferring ganz in das homogene Magnetfeld eingetaucht ist, erfährt er keine magnetische Kraft mehr. Die Ladungstrennungen in der rechten und linken Seite des Ringes sind so, dass sich die daraus resultierenden Spannungen gegenseitig aufheben. Somit fließt kein Induktionsstrom und damit hat man keine Kraftwirkung.

d)Nun befindet sich nur mehr der linke Teil des Rings im Magnetfeld. Es wird wieder ein Strom induziert, der jetzt den Ring im Uhrzeigersinn durchfließt. Mit der UVW-Regel der rechten Hand kann man eine Kraft F* nach links ermitteln. Der Ring soll am "Verlassen des Magnetfeldes gehindert" werden.

e)Lässt man Teile einer rotierenden Metallscheibe, welche auf der Achse eines Motors sitzt durch einen Bereich laufen, in dem man senkrecht zur Scheibenebene ein Magnetfeld einschalten kann, so werden in der Scheibe Ströme (Wirbelströme) induziert, die so gerichtet sind, dass sie die Ursache ihrer Entstehung (Rotation der Scheibe) zu hemmen suchen. Die Rotation der Scheibe und somit auch die Rotation des Motors wird abgebremst ohne dass dabei Materialien (wie bei der Reibungsbremse) abgenützt werden: Wirbelstrombremse.