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Versuche

Induktion in der Leiterschaukel

Ziel des Versuchs

  • Nachweis der auftretenden Induktionsspannunge bei der Bewegung eines Leiters im Magnetfeld.
  • Demonstration des Generatorprinzips: Umwandlung von mechanischer in elektricshe Energie.

Wir betrachteten schon einmal einen Versuch mit der Leiterschaukel. Dort legten wir an eine Leiterschaukel, die sich im Magnetfeld eines Hufeisenmagneten befand, eine äußere Spannung an. Aufgrund dieser Spannung floss ein Strom durch die Leiterschaukel, die sich dann aufgrund der LORENTZ-Kraft auf die sich bewegenden Elektronen im Leiter in Bewegung setzte.

Dieser Versuch demonstrierte das Elektromotorisches Prinzip: Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie.

Wir wollen nun mit einem sehr ähnlichen Aufbau untersuchen, ob sich auch umgekehrt mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln lässt.

Joachim Herz Stiftung
Abb. 1 Versuchsaufbau

Aufbau

Die Leiterschaukel befindet sich wieder im Magnetfeld eines Hufeisenmagneten. An die Enden der Leiterschaukel ist nun aber keine elektrische Quelle, sondern ein empfindlicher Spannungsmesser angeschlossen. Wir bewegen die Leiterschaukel nun im Magnetfeld hin und her und beobachten dabei den Spannungsmesser.

Hinweis: Man kann auch einen empfindlichen Strommesser benutzen.

Durchführung im Video

Abb. 3 Aufbau, Durchführung und Beobachtungen des Versuchs der schwingenden Leiterschaukel im Magnetfeld

Beobachtung

Bewegt man die Leiterschaukel im Magnetfeld des Hufeisenmagneten hin und her, so kann man einen Ausschlag des Spannungsmessers feststellen. Dabei ist die Stärke des Ausschlags davon abhängig, wie schnell man die Leiterschaukel bewegt die Richtung des Ausschlags davon abhängig, in welche Richtung man die Leiterschaukel bewegt. Aufgrund der Trägheit des Zeigerinstruments kann man bei diesem Experiment aber nicht genau beobachten, in welcher Phase der Bewegung die Spannung ihren größten Wert hat.

Ergebnis

Bewegt man einen Leiter in einem Magnetfeld, so tritt an den Enden des Leiters eine Spannung auf.
Hierauf basiert das Generator-Prinzip: Mechanische Energie wird in elektrische Energie umgewandelt.

Abb. 4 Erklärung des Versuchs mit der schwingenden Leiterschaukel durch die LORENTZ-Kraft

Erklärung

Das Entstehen der Spannung bei der Bewegung des Leiters im Magnetfeld kann man mit Hilfe der LORENTZ-Kraft verstehen:

Im Leiter werden bewegliche Ladungsträger (z.B. Elektronen) mitbewegt. Mit der UVW-Regel der linken Hand ergibt sich bei einer Bewegung nach links eine LORENTZ-Kraft auf die Elektronen, die aus der Zeichenebene gerichtet ist. Daher erhält der nach links bewegte Stab vorne einen Minuspol und hinten einen Pluspol (Elektronenmangel). Bei der Bewegung in der Gegenrichtung wird der Stab umgepolt. Ruht der Stab, so kommt es zu keiner Ladungstrennung.

Bewegung des Magneten

In Abb. 4 tritt eine Induktionsspannung auf, wenn ein Leiter in geeigneter Weise in einem Magnetfeld bewegt wurde. Umgekehrt kommt es auch zu einer Induktionsspannung, wenn der Magnet, wie im Video gezeigt, in geeigneter Weise in Bezug auf einen Leiter (z.B. Spule) bewegt wird.

Aufgabe

Überprüfe bei der vorgegebenen Magnetfeld- und Bewegungsrichtung in Abb. 4 die Polarität der entstehenden Spannung mit der Drei-Finger-Regel (UVW-Regel) der linken bzw. rechten Hand. Erläutere dabei, welcher Finger in welche Richtung zeigt.

Lösung

Nutzt du die Drei-Finger-Regel der linken Hand, so zeigt der Daumen in die Bewegungsrichtung des Leiterstücks (= Bewegungsrichtung der Elektronen), da diese Ursache für die auftretende Induktionsspannung ist. Der Zeigefinger zeigt in Richtung der Magnetfeldlinien und der Mittelfinger gibt die Bewegungsrichtung der negativen Ladungen an. Bei der Bewegung nach rechts entsteht also vor ein Pluspol und hinten ein Minuspol. Bei der Bewegung nach links dreht sich diese Polung genau um.

Nutzt du die Drei-Finger-Regel der rechten Hand, so zeigt der Daumen in die Bewegungsrichtung des Leiterstücks (= Bewegungsrichtung der positiven Ladungen), da diese Ursache für die auftretende Induktionsspannung ist. Der Zeigefinger zeigt in Richtung der Magnetfeldlinien und der Mittelfinger gibt die Bewegungsrichtung der positiven Ladungen an. Bei der Bewegung nach rechts entsteht also vor ein Pluspol und hinten ein Minuspol. Bei der Bewegung nach links dreht sich diese Polung genau um.