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.
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
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 und 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.
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 Drei-Finger-Regel der rechten 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. 3 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. 3 die Polarität der entstehenden Spannung mit der Drei-Finger-Regel der linken bzw. rechten Hand. Erläutere dabei, welcher Finger in welche Richtung zeigt.