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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 deine Antwort!

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 \(F_{\rm{mag}}\) nach links, so dass eine Abbremsung erfolgt.

 

b)Du ermittelst zunächst die Richtung der Lorentzkraft, die für die Entstehung des Kreisstromes im Ring führt, mit Hilfe der Drei-Finger-Regel der rechten Hand: Daumen entgegen der Bewegungsrichtung der Elektronen, also nach recht, Zeigefinder in Richtung des Magnetfeldes, also in die Zeichenebene hinein. Der Daumen zeigt so nach unten. Die mit dem Leiter nach rechts bewegten Elektronen erfahren also eine Lorentzkraft \(F_{\rm{Lor}}\) nach unten. Der technische Strom fließt im Ring somit gegen den Uhrzeigersinn.

Nun liegt mit dem Ring ein stromdurchflossener Leiter vor. Der rechte Teil des Leiters befindet sich im Magnetfeld und die technische Stromrichtung zeigt in diesem Leiterteil nach oben. Die Richtung der daraus folgenden Kraftwirkung ergibt sich wieder aus der Drei-Finger-Regel der rechten Hand: Daumen in Richtung der technischen Stromrichtung, also nach oben. Zeigefinger in Richtung der Magnetfeldlinien, also in die Zeichenebene hinein. Der Mittelfinger zeigt nach links und gibt die Richtung der auf den Ring wirkenden Kraft \(F^{*}\) an.

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 Drei-Finger-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.

Grundwissen zu dieser Aufgabe

Elektrizitätslehre

Elektromagnetische Induktion