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.

Versuchsaufbau zur Induktion an der Leiterschaukel
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

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Induktion an der Leiterschaukel

Abb. 2 Versuchsdurchführung zur Induktion an der Leiterschaukel
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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.

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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.

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Verständnisaufgabe

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.

Grundversuch:

Man dreht eine Leiterschleife im Magnetfeld zwischen den Polschuhen eines Permanentmagneten und misst die Spannung an den Enden der Leiterschleife mittels eines Voltmeters.

Verwendet man nur eine Leiterschleife muss man die Spannung verstärken, verwendet man den aus mehreren Wicklungen mit Eisenkern versehenen Rotor, so kann man ohne Messverstärker auskommen.

 

Eine einzelne rotierende Drahtschleife liefert nur Spannungen im Millivolt-Bereich. Verwendet man dagegen eine Spule mit Eisenkern für die Rotation zwischen den Polschuhen, so erhält man Spannungen im Volt-Bereich.

Auf Werner von Siemens geht der sogenannte Doppel-T-Anker zurück (1856). Der Name kommt von der Form des Eisenkerns, der im Schnitt wie ein doppeltes T aussieht. Als Anker bezeichnet man die gesamte, zwischen den Polschuhen rotierende Anordnung.

Der Abgriff am Anker bestimmt die Art der erzeugten Spannung

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5 Aufbau und Funktionsweise eines Generators; der Abgriff der Spannung erfolgt ohne Kommutator

Zwei Schleifringe (d.h. ohne Kommutator)


Greift man die Spannung ohne Kommutator an zwei Schleifringen ab, so erhält man eine Wechselspannung, die wegen der vielen Kontaktprobleme an den Schleifringen und auch wegen Feldverzerrungen nicht ganz sinusförmig ist.

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4 Aufbau und Funktionsweise eines Generators; der Abgriff der Spannung erfolgt mit Kommutator

Mit Kommutator


Verwendet man an den Spannungsabgriffen einen Kommutator (Polwender) so erhält man eine pulsierende Gleichspannung, deren Verlauf man am Messgerät oder auch am Oszilloskop sehen kann. Ganz sinusförmig ist sie allerdings im praktischen Experiment nicht.

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Dreht man einen aus drei Spulen bestehenden Rotor im Magnetfeld, so erhält man den mit dem Speicheroszilloskop aufgenommenen Spannungsverlauf. (Siehe Foto)
 
©  W. Fendt 1998
HTML5-Canvas nicht unterstützt!
1 Simulation eines Generators

Diese Simulation zeigt einen Generator, der aus Gründen der Übersichtlichkeit auf die wesentlichsten Teile reduziert ist. Anstelle eines Ankers mit vielen Windungen und Eisenkern dreht sich hier nur eine einzige rechtwinklige Leiterschleife, und die Achse wurde weggelassen.

Die Radiobuttons oben erlauben die Wahl zwischen Wechselstromgenerator (ohne Kommutator) und Gleichstromgenerator (mit Kommutator). Mit dem darunterliegenden Schaltknopf lässt sich die Drehrichtung umkehren. Ein Schieberegler ermöglicht das Einstellen der Drehgeschwindigkeit. Mit dem Schaltknopf "Pause / Weiter" kann man die Simulation anhalten und wieder starten. Ein Stopp bedeutet jedoch nicht ein wirkliches Anhalten; in diesem Falle würde nämlich die induzierte Spannung auf Null absinken.

Zwei schwarze Pfeile kennzeichnen die momentane Bewegungsrichtung. Die magnetischen Feldlinien (vom rot gezeichneten Nordpol des Hufeisenmagneten zum grün dargestellten Südpol) sind an der blauen Farbe zu erkennen. An den roten Pfeilen kann man die Richtung des induzierten Stromes (technische oder konventionelle Stromrichtung) ablesen.

Danksagungen von Herrn Fendt: Herzlichen Dank an Herrn Jürgen Giesen, der mit seinen Vorschlägen zum Entstehen dieser Simulation beigetragen hat, und an Herrn Teun Koops für seinen Verbesserungsvorschlag!

Wir danken Herrn Walter Fendt für die Erlaubnis, diese HTML5/Javascript-Animation auf LEIFIphysik zu nutzen.

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Aufgabe

Beantworte folgende Fragen bevor du das Applet startest:

Warum ist die entstehende Spannung gerade maximal, wenn die Leiterschleife vertikal steht und minimal, wenn die Leiterschleife horizontal steht?

Welcher wesentliche Unterschied im Aufbau besteht zwischen dem Generator ohne und mit Kommutator? Welche Folge hat dies?

Lösung

Stellung der Leiterschleife im Bild 1 der Aufgabenstellung:

Die mit dem rotierenden Leiter mitbewegten Elektronen erfahren eine Lorentzkraft, die maximal ist, wenn die Bewegungsrichtung der Elektronen genau senkrecht zum Magnetfeld ist. Dies ist genau dann der Fall, wenn die Leiterschleife vertikal steht.  Dadurch kommt es zur stärksten Ladungstrennung und somit zur größten Spannung.

Hat sich die Spule um 90° weiter gedreht und steht horizontal, so ist die Bewegungsrichtung der Elektronen parallel zum Magnetfeld und die Lorentzkraft daher Null. Es erfolgt keine Ladungstrennung und somit ergibt sich auch keine Spannung.

Unterschied zwischen dem Generator ohne und mit Kommutator:

Ohne Kommutator gibt es zwei Schleifringe an denen abgegriffen wird. Es handelt sich um einen Wechselspannungsgenerator.

Mit Kommutator bedingt, dass mit dem Messgerät eine pulsierende Gleichspannung nachgewiesen wird. Es handelt sich um einen Gleichspannungsgenerator.

Starte nun das Applet und überprüfe damit die Antworten. Beobachte insbesondere den Einfluss der Drehrichtung (roter Schalter) und der Drehgeschwindigkeit (Schieberegel) auf die induzierte Spannung.

Versuchsziel

Durch qualitative Vorversuche soll die Induktion am bewegten und ruhenden Leiter untersucht werden.

Aufbau und Durchführung

Benötigte Materialien

  • 1 Netzgerät (0V - 12V) geregelt
  • 1 Spule (N = 500 Windungen)
  • 1 Spule (N = 2000 Windungen)
  • 1 Stabmagnet
  • 1 Phywe-Messgerät (Nullpunkt Mitte; Bereich 60mV_)
  • 1 Eisenkern
  • 4 Kabel

1. Bewegung des Permanentmagneten in Bezug zur Induktionsspule

Bewege den Permanentmagneten wie in der Skizze dargestellt (einmal schnell, einmal langsam) aus den 3 Richtungen auf die Spule (N = 2000) zu bzw. von ihr weg.

a)Von was hängen Betrag und Polarität der beobachteten Spannung ab? Beschreibe möglichst genau!

b)Kann die entstehende Induktionsspannung mit der Lorentzkraft erklärt werden?

2. Bewegung von Feldspule gegenüber Induktionsspule

Anstelle des Permanentmagneten wird ein Elektromagnet (Feldspule mit N = 500) verwendet. Die Feldspule wird mit einer Spannung von ca. 12 V_ aus dem geregelten Netzgerät versorgt.

Bewege nun die Feldspule (einmal mit, einmal ohne Eisenkern) so, wie in Aufgabe 1 auf die Induktionsspule zu.

a)Unterscheiden sich die Beobachtungen prinzipiell von den Beobachtungen bei Aufgabe 1?

b)Kann das Auftreten der Induktionsspannung mit der Lorentzkraft erklärt werden?

3. Feldspule ruht in Bezug auf die Induktionsspule

Nun bleiben die Feldspule und die Induktionsspule in Ruhe.

a)Was kann man über die Induktionsspannung aussagen, wenn die Spannung an der Feldspule konstant ist? Was macht der Eisenkern aus? Was ist zu beobachten, wenn man die Spulen in ihrer Lage festhält und den Eisenkern in ihnen bewegt?

b)Verändere langsam die Spannung am Netzgerät (Vergrößerung | Verkleinerung). Was lässt sich dabei über die Induktionsspannung aussagen? Betreibe die Feldspule einmal ohne und einmal mit Eisenkern.

c)Verändere die Spannung an der Feldspule rasch (z.B. durch Aus- bzw. Einschalten des Netzgerätes). Was lässt sich im Vergleich zu 3.b) beobachten?

d)Kann das Auftreten der Induktionsspannung in 3.b) und 3.c) mit Hilfe der Lorentzkraft erklärt werden?

2 Anstieg der Stromstärke beim Betrieb eines Elektromotors bei Belastung
 
 
 
 
Man baut in den Stromkreis eines Elektromotors ein Strommessgerät ein und misst den Strom.
Man stellt fest, dass der Strom beim Einschalten des Elektromotors sofort stark ansteigt und dann wieder zurückgeht, wenn der Motor schnell dreht. Bremst man den Motor ohne die Spannung an der Stromquelle zu ändern, indem man ihn durch Reibung an der Achse belastet, so steigt die Stromstärke sofort an.
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Begründung:
Sowie der Motor dreht, wirkt er auch als Generator. Der bewegte Anker bewirkt eine induzierte Spannung, die wegen der Lenzschen Regel der Spannung der Stromquelle entgegenwirkt.
Die Differenz dieser beiden Spannungen treibt den Strom: U0 + Ui = R·I

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3 Rückgewinnung der Bewegungsenergie eines laufenden Elektromotors in elektrische Energie mit Hilfe des Generatorprinzips (Rekuperation)

 

Baut man in den Versuch (wenn der Motor gut dreht) einen Wechselschalter ein, der die Stromquelle vom Motor löst und gleichzeitig den Stromkreis geschlossen hält, so sieht man dass der durch den Schwung des Motors weiterlaufende Rotor nach der Umschaltung eine Spannung als Generator liefert.
Die Generatorspannung ist bei gleicher Umlaufrichtung des Rotors der Spannung der äußeren Stromquelle entgegengerichtet.

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Ein Motor wird an 230V angeschlossen. Beim Einschalten, wenn der Motor noch nicht dreht, fließt ein Strom von 8,0A. Nach einiger Zeit dreht der Motor gleichmäßig und es fließt noch ein Strom von 2,0A.

Berechne, wie groß der Anlasswiderstand des Motors und wie groß die induzierte Gegenspannung bei gleichmäßigem Motorlauf ist.

Im Sinne der romantischen Naturphilosophie war schon von vielen Forschern die Vermutung geäußert worden, dass in Analogie zur Influenzerscheinung der Elektrostatik auch der Strom in einem Stromkreis auf irgendeine Weise den Strom in einem zweiten Stromkreis beeinflussen müsse. Mit beispielloser Zähigkeit ging der große Experimentator FARADAY seinem Ziel "Convert magnetism into electricity" nach. Dabei hatte FARADAY auch eine Reihe von Misserfolgen, da auch er zunächst glaubte, mit einem genügend großen stationären Dauerstrom könne er in einem zweiten Kreis einen Strom induzieren.

In seinem sehr detailliert geführten Laborbuch stellte FARADAY am 28. November 1825 drei Versuche dar, deren schematischer Aufbau im Folgenden dargestellt ist:

Erläutere, warum FARADAY bei den obigen Versuchen keinen Ausschlag am Galvanometer feststellen konnte.

Den Durchbruch schafft Faraday nach vielen Zwischenstationen im Jahre 1831, wo er am 29. August eine ganze Reihe von Versuchen skizziert mit denen er sein Ziel erreichen konnte. Eine Anordnung davon würden wir heute als Transformator bezeichnen:

Auf einen Eisenring sind zwei mehrfach unterteilte Spulen gewickelt. An die Enden der Spule A wird eine Batterie aus zehn großen Plattenpaaren (Voltaelemente) angeschlossen, an die Enden der anderen Spule B, das Galvanometer, eine Flachspule aus einigen Windungen, vor der eine Magnetnadel steht. Diese zeigt nur beim Ein- und Ausschalten des Stroms in A einen kurzen Ausschlag.

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5 Aufbau, Durchführung und Beobachtungen des ersten gelungenen Versuchs von FARADAY zur Induktion

Die Animation zeigt schematisch den Ablauf des historischen Versuches.

 

 

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Schließt man den Schalter, fließt ein Strom durch die rechte Spule und der Eisenring wird magnetisiert. Beachten Sie, dass die Kompassnadel, die in einer Spule liegt, die an die linke Spule angeschlossen ist, beim Schließen des Schalters ausschlägt und gleich wieder in die Ausgangslage zurückgeht. Die Auslenkung der Kompassnadel zeigt, dass eine elektrische Spannung in der linken Spule induziert wurde, die in dem linken Stromkreis zu einem kurzzeitigen Stromfluss führte. Öffnet man den Schalter, können sie beobachten, dass die Kompassnadel wieder kurzzeitig ausschlägt, aber diesmal in die Gegenrichtung.

Das Schließen und das Öffnen des Schalters bewirkt, dass sich das magnetische Feld im Ring ändert, Beim Schließen wird es aufgebaut, beim Öffnen abgebaut. Faraday entdeckte, dass Änderungen des magnetischen Feldes in der Umgebung eines Leiters eine Spannung induzieren, die bei einem geschlossenen Kreis zum Stromfluss führen. Die Erzeugung einer elektrischen Spannung und daraus folgend eines elektrischen Stroms durch Änderung des Magnetfeldes nennt man elektromagnetische Induktion.

Im Oktober 1831 gelang Faraday schließlich noch der Nachweis, dass die Induktion auch ohne Eisen auftreten kann. Er schreibt:

Ein zweihundertdrei Fuß langer Kupferdraht wurde um eine breite Holzrolle gewickelt und zwischen den Windungen desselben ein zweiter gleichfalls zweihundertdrei Fuß langer Draht, durch dazwischengelegten Zwirnsfaden vor gegenseitiger Berührung geschützt. Eine dieser Spiralen wurde mit einem Galvanometer verbunden und die andere mit einer kräftigen Batterie von hundert vierquadratzölligen Plattenpaaren, die Kupferplatten wiederum doppelt. Wurde nun die Kette geschlossen, so zeigte sich eine plötzliche aber sehr schwache Wirkung am Galvanometer und dasselbe trat im Moment der Unterbrechung des Stromes. Aber solange der Strom ununterbrochen durch die eine Spirale hindurchging, konnte weder am Galvanometer noch sonst eine Induktionswirkung auf die andere Spirale wahrgenommen werden, obschon von der großen Stärke der Batterie die Erwärmung der ganzen mit ihr verbundenen Spirale und die Helligkeit des Entladefunkens, wenn er zwischen Kohlen übersprang, Zeugnis ablegte.

Die nebenstehenden Schemazeichnungen zeigen weitere Anordnungen, mit denen FARADAY erfolgreich Induktionseffekte nachweisen konnte. Erläutere, durch welche Maßnahme jeweils die Induktionsspannung entsteht. Die Bilder stammen aus Fraunberger: "Illustrierte Geschichte der Elektrizität".

 

Freihandversuch

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1 Aufbau, Durchführung und Beobachtungen des ersten Freihandversuchs zur Regel von LENZ
Aufbau und Durchführung

Einem bifilar aufgehängten Metallring wird axial ein starker Stabmagnet rasch genähert.

Beobachtung

Der Ring weicht in Bewegungsrichtung des Magneten aus der Ruhelage aus und pendelt nach einigen Schwingungen wieder in die ursprüngliche Position.

Erklärung

Durch den sich an den Ring annähernden Magneten ändert sich das vom Ring umschlossene Magnetfeld. Im Ring entsteht eine Induktionsspannung, die einen Induktionsstrom zur Folge hat. Nach LENZ fließt der Induktionsstrom in eine Richtung, dass er die Ursache seiner Entstehung - nämlich die Zunahme des magnetischen Flusses im Ring - hemmt. Der Induktionsstrom wird also so fließen, dass das von ihm stammende Magnetfeld auf der dem Stabmagneten zugewandten Seite einen Südpol besitzt und somit das resultierende Magnetfeld kleiner wird. Mit Hilfe der Rechten-Faust-Regel findet man dann, dass der technische Strom durch den Ring in Uhrzeigerrichtung fließen muss.

Versuchsteil 2

Zu Beginn des Versuches befindet sich der Stabmagnet bereits axial in der Ringmitte. Nun wird der Stabmagnet schnell aus dem Ring herausgezogen. Erläutere, wie sich der Ring nun verhält.

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Bewege mit Hilfe der Maustaste den Magneten relativ zum Metallring.
Animation von Michael W. Davidson. URL: https://micro.magnet.fsu.edu/electromag/java/lenzlaw/index.html (8.7.2017)

Induktionsstrom am Metallring

Bewegt sich der Nordpol des Stabmagneten auf den Metallring zu, so fließt der technische Strom (gelb) im Uhrzeigersinn. Aufgrund dieses Stroms entsteht ein Magnetfeld (blaue Feldlinien), das dem äußeren zunehmenden Feld (rote Feldlinien) entgegengerichtet ist. Auf der Ringunterseite entsteht durch den Induktionsstrom ein Nordpol, der bewegungshemmend auf den Nordpol des Stabmagneten einwirkt.

Bewegt sich der Nordpol des Stabmagneten nach unten vom Metallring weg, so fließt der Induktionsstrom im Gegenuhrzeigersinn. Aufgrund dieses Stroms entsteht ein Magnetfeld (blaue Feldlinien), das dem äußeren abnehmenden Feld (rote Feldlinien) gleichgegengerichtet ist. Auf der Ringunterseite entsteht durch den Induktionsstrom ein Südpol, der bewegungshemmend auf den Nordpol des Stabmagneten einwirkt.

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4 Aufbau, Durchführung und Beobachtungen zum ersten Teilversuch mit Magnetwagen und Spule zur Regel von LENZ

Versuche zur Bestätigung der Regel von Lenz

1.Teil

 

Ein, auf einem leichtgängigen Wägelchen befestigter, Stabmagnet wird mit seinem Südpol voran gegen die Spule geschoben. In der Spule entsteht eine Induktionsspannung und in deren Folge ein Induktionsstrom. Nach Lenz muss der Induktionsstrom so fließen, dass er die Ursache seiner Entstehung zu hemmen sucht. Dies ist möglich, wenn aufgrund des Stroms auf der linken Spulenseite ein Südpol entsteht (Abstoßung gleichnamiger Pole).

Hinweis: Würde der Spulenstrom so fließen, dass auf der linken Spulenseite ein Nordpol entstünde, so würde das Wägelchen nicht abgebremst, sondern beschleunigt. Dies würde einen Widerspruch zum Energieerhaltungssatz darstellen, denn die kinetische Energie des Wägelchens würde - grundlos -erhöht und zusätzlich auch noch elektrische Energie zur Verfügung gestellt. Insofern ist die Vorhersage von Lenz schon durch den Energiesatz bedingt.

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6 Aufbau, Durchführung und Beobachtungen zum zweiten Teilversuch mit Magnetwagen und Spule zur Regel von LENZ
2. Teil

 

 

Um die obige Aussage zu erhärten, wird in den Kreis von Spule und Messgerät ein Netzgerät eingebaut und die Polung so gewählt, dass der Zeiger des Messgerätes (Achtung: veränderter Messbereich!) nach dem Schließen des Schalters in die gleiche Richtung wie bei Teilversuch 1 ausschlägt. Wenn unsere obige Überlegung richtig war, müsste bei dieser Stromrichtung auf der linken Seite der Spule ein Südpol auftreten. Tatsächlich wird beim Schließen des Schalters der Wagen von der Spule abgestoßen.

Versuchsziel:
Es soll gezeigt werden, dass eine Induktionsspannung auch ohne Bewegung eines Leiters auftreten kann. Hierzu wird das Magnetfeld der Feldspule zeitlich verändert.

Versuchsaufbau:
Eine Feldspule wird mit einer steuerbaren Stromquelle betrieben, die dafür sorgt, dass der Strom in der Feldspule zeitlich linear ansteigt und abfällt. Der Stromverlauf wird mit einem Strommesser dargestellt.
In der Feldspule befindet sich wie skizziert eine Induktionsspule. Die in dieser Spule entstehende Induktionsspannung wird mit einem mV-Messgerät nachgewiesen.

 

Stromverlauf in der Feldspule:


Versuchsdurchführung und Ergebnis:

a) Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Uind und ΔB/Δt und A:

1. Versuch:
Es wird die Zeit T, in welcher der Strom in der Feldspule von Null auf seinen Maximalwert (If,max) ansteigt, variiert:
Spulendaten: Querschnittsfläche A= 14cm2; Windungszahl N = 2000
Maximaler Feldstrom If,max= 6,0A

T in s
25,5
16,5
6,2
3,5
3,0
2,4
Uind in V
0,18
0,27
0,74
1,3
1,5
1,9

Während des zeitlich linearen Stromanstiegs stellt sich jeweils ein konstanter Wert der Induktionsspannung ein.

2. Versuch:
In einem zweiten Versuch wird die erste Induktionsspule gegen eine zweite mit doppelter Querschnittsfläche und gleicher Windungszahl ausgetauscht:
Spulendaten: Querschnittsfläche A = 28cm2; Windungszahl N = 2000
Maximaler Feldstrom If,max= 6,0A

T in s
24,3
10,2
5,9
3,5
2,7
2,4
Uind in V
0,39
0,93
1,6
2,7
3,5
3,9

Während des zeitlich linearen Stromanstiegs stellt sich jeweils ein konstanter Wert der Induktionsspannung ein.

Erläutere, welche Schlussfolgerungen man aus diesen beiden Versuchen ziehen kann. Stelle deine Überlegungen - auch unter Benutzung einer Grafik - sauber dar.

Zeige, dass durch die beiden Versuche die Beziehung \({U_{ind}} \sim A \cdot \frac{{\Delta B}}{{\Delta t}}\) bestätigt werden kann.

Als Ergebnis der beiden ersten Versuche kann man festhalten:
\[{U_{ind}} \sim A \cdot \frac{{\Delta B}}{{\Delta t}}\quad \left( 3 \right)\]

b) Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Uind und N:

3. Versuch:
In einer dritten Versuchsreihe wird eine Spule verwendet deren Querschnittsfläche mit der Spule der zweiten Messreihe übereinstimmt, deren Windungszahl jedoch nur halb so groß ist.
Spulendaten: Querschnittsfläche A = 28cm2; Windungszahl N = 1000;        Maximalstrom Imax= 6,0A

T in s
14,4
6,3
4,2
3,0
2,5
2,4
Uind in V
0,32
0,73
1,2
1,5
1,8
1,9

Erläutere, welche Schlussfolgerungen man aus dem Vergleich des 2. und 3. Versuchs ziehen kann. Stelle deine Überlegungen - auch unter Benutzung einer Grafik - sauber dar.

Als Ergebnis des dritten Versuchs kann man festhalten:
\[{U_{ind}} \sim {\rm N}\quad \left( 4 \right)\]
Kombiniert man die Proportionalitäten (3) und (4), so ergibt sich:
\[{U_{ind}} \sim {\rm N} \cdot {\rm A} \cdot \frac{{\Delta B}}{{\Delta t}}\]

  • Wie eine Berechnung der Induktionsspannung bei bewegten Leitern mit Hilfe der Lorentzkraft zeigt, hat der Proportionalitätsfaktor in obiger Beziehung den Wert 1.
  • Wie später gezeigt wird (Selbstinduktion), ist es angebracht in die Gleichung ein Minuszeichen einzuführen. Somit ergibt sich:

Induktionsgesetz in differentieller Form

\[{U_{ind}} = - {\rm N} \cdot {\rm A} \cdot \frac{{\Delta B}}{{\Delta t}}\]

1 Bringe durch Bewegen eines Magnets eine Glühbirne zum Leuchten. Diese Demonstration des FARADAYschen Gesetz könnte dir zeigen, wie ihr eure Stromrechnung reduzieren könntet.
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Verständnisaufgabe

Untersuche, welche Bedingungen in der Simulation erfüllt sein müssen, damit in der Spule eine möglichst hohe Spannung auftritt.

Lösung

Die Spannung in der Induktionsspule wird besonders hoch, wenn ...

... der Stabmagnet besonders schnell auf die Spule zu oder von der Spule weg bewegt wird

... die Windungszahl der Spule möglichst hoch ist.

Hinweis: Wird der Stabmagnet nicht bewegt, so entsteht keine Spannung in der Induktionsspule.

Aufbau und Durchführung

Lange Feldspule

Netzgerät für Feldspule(10A_)

Amperemeter für Feldstrom(10A_)

Induktionsspule (waagerechte Seitenlänge l = 5,2cm; Windungszahl N = 500)

Messverstärker

Voltmeter

Motor (langsam)

Dünner Stift (z.B. Stricknadel)

Rolle und Faden (Zwirn)

Der Motor wickelt einen Zwirn auf eine Stricknadel und zieht mit möglichst geringer Geschwindigkeit eine Induktionsspule aus dem homogenen Feld einer langen Feldspule.

Man misst mit einem spannungsempfindlichen Messverstärker die Induktionsspannung.

Beobachtung

Geschwindigkeit v 0,013m/s 0,0085m/s
Induktionsspannung Uind 1,4mV 0,90mV

Auswertung

Zeige mit Hilfe der Messwerte, dass sich für die magnetische Kraftflussdichte B in beiden Teilversuchen derselbe Wert ergibt und bestimmen Sie diesen.

Aufbau und Durchführung

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1 Aufbau, Durchführung und Beobachtung des Versuch zum Nachweis des Vorzeichens der Induktionsspannung

An eine elektrische Quelle, die in diesem Versuch eine feste Spannung vom Betrag \(U_0\) liefert, wird eine Spule angeschlossen. Die Stromstärke im Stromkreis wird mit einem Strommesser gemessen.

In die Spule wird ein Weicheisenkern geschoben.

Beobachtung

Beim Einführen des Weicheisenkerns in die Spule geht - bei gleichbleibender Spannung \(U_0\) der elektrischen Quelle - die Stromstärke kurzzeitig zurück.

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Erklärung

Durch das Magnetfeld der Spule werden in dem eingebrachten Weicheisenkern die Elementarmagnete in Feldrichtung umgeklappt bzw. gedreht. Dadurch nimmt der magnetische Fluss \(\phi \) in der Spule zu: \(\frac{{\Delta \phi }}{{\Delta t}} > 0\) bzw. \(\dot \phi  = \frac{{d\phi }}{{dt}} > 0\).

Die durch die zeitliche Flussänderung bewirkte Induktionsspannung \({U_{{\rm{ind}}}}\) wirkt offensichtlich der von außen angelegten Spannung \(U_0\) entgegen, denn sonst wäre der kurzzeitige Stromabfall nicht erklärbar.

Formal gilt in dem betrachteten Stromkreis die Maschenregel von KIRCHHOFF: "Summe aller Spannungen ist Null" und damit\[{U_0} + {U_{{\rm{ind}}}} = 0\quad (1)\]Zählt man die Spannung \(U_0\) positiv, so ist obige Gleichung nur zu erfüllen, wenn im Induktionsgesetz ein Minuszeichen eingeführt wird (bei dem beschriebenen Vorgang ist ja \(\dot \phi  = \frac{{d\phi }}{{dt}} > 0\) und die Windungszahl \(N\) ist auch positiv!). Somit lautet Gleichung \((1)\) ausführlich geschrieben\[U_0 + \left( { - N \cdot \frac{{d\Phi }}{{dt}}} \right) = 0\]

Aufbau und Durchführung

Foto: LEYBOLD-Didactic
Foto: LEYBOLD-Didactic
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3 Aufbau und Durchführung des Versuchs zur quantitativen Untersuchung der Induktionsspannung

Auf einem Metallrahmen M befinden sich drei Leiterschleifen mit verschiedenen Breiten b.

Der Metallrahmen kann mit Hilfe eines Motors mit verschiedenen Geschwindigkeiten v aus einem homogenen Magnetfeld gezogen werden.

Das Magnetfeld wird durch N Paare von Scheibenmagneten erzeugt, die links und rechts des Metallrahmens angeordnet werden. Zwischen den Polschuhen P herrscht dann ein annähernd homogenes Magnetfeld, dessen Stärke durch die Zahl N der Scheibenmagnet-Paare variiert werden kann.

An die Enden der Leiterschleifen kann ein sehr empfindliches Spannungsmessgerät angeschlossen werden (Mikrovoltmeter), welches die Induktionsspannung, die beim Bewegen einer Leiterschleife im Magnetfeld entsteht, anzeigt.

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Beobachtung

a) Abhängigkeit der Induktionsspannung von der Geschwindigkeit der Leiterschleife (N = 8; b = 4,0cm)

v in relativen Einheiten 1·v0 2·v0 4·v0
U in μV 50 101 204

b) Abhängigkeit der Induktionsspannung von der Breite der Leiterschleife (N = 8; v = 4·v0)

b in cm 4,0 3,0 2,0
U in μV 204 146 108

c) Abhängigkeit der Induktionsspannung von der Flussdichte des Magnetfeldes (b = 4,0cm; v = 4·v0)

Es wird davon ausgegangen, dass die Flussdichte des Magnetfeldes proportional zur Zahl N der Scheibenmagneten-Paare ist.

N 8 6 5 4 3 2
U in μV 204 160 138 108 80 54

Auswertung

Werte die drei Teilversuche grafisch aus und fasse die drei Teilergebnisse zu einem Ergebnis zusammen.

Qualitative Versuche

Nachweis des allmählichen Stromanstiegs beim Einschalten der Spannung an einer Spule mit Glühlampe

In dem Parallelkreis befindet sich im oberen Zweig ein Lämpchen Lp1 und ein Widerstand, dessen Widerstandswert gleich dem ohmschen Widerstand der Spule im unteren Zweig ist. Im unteren Zweig ist eine Spule hoher Induktivität (630H) und ein Lämpchen Lp2 - gleicher Bauart wie im oberen Zweig - in Serie geschaltet.

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2 Aufbau, Durchführung und Beobachtungen des Versuchs zum Nachweis der Selbstinduktion in Spulen mit Glühlampen

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Schließt man den Schalter in der Hauptleitung, so leuchtet Lp1 sofort hell auf, während Lp2 erst nach einer gewissen Zeit seine volle Helligkeit erreicht (vgl. Animation). Der langsamere Stromanstieg im unteren Zweig ist auf die Selbstinduktion in der Spule zurückzuführen.

Nachweis des allmählichen Stromanstiegs beim Einschalten der Spannung an einer Spule mit Strommessers

Die Glühlampe werden durch schnell reagierende Strommesser (A1 und A2) mit Nullpunkt in der Mitte ersetzt. Hiermit lässt sich der Stromverlauf etwas genauer untersuchen.

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4 Aufbau, Durchführung und Beobachtungen des Versuchs zum Nachweis der Selbstinduktion in Spulen mit Strommessern
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Auch hier ist wieder beim Einschalten der langsame Stromanstieg im Spulenzweig zu sehen. Beim Abschalten fließt der Strom im Spulenzweig in die gleiche Richtung noch nach. Im oberen Zweig kommt es dagegen zu einer abrupten Stromumkehr, da bei geöffnetem Schalter nur noch der in der Animation dargestellte Kreisstrom fließen kann.

Nachweis, dass beim Abschalten des Stroms durch eine Spule u.U. eine hohe Spannung auftreten kann
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5 Aufbau, Durchführung und Beobachtungen des Versuchs zum Nachweis der Selbstinduktion in Spulen mit einer Glimmlampe

 

Parallel zur Spule wird eine Glimmlampe geschaltet, deren Zündspannung bei ca. 80V liegt.

Beim Schließen des Schalters zündet die Glimmlampe nicht, da die Spannung des Niederspannungsnetzgerätes nicht ausreicht.

Beim Öffnen des Schalter kommt es dagegen zu einem hellen Aufblitzen der Glimmlampe. Offensichtlich kann es beim Abschalten des Spulenstroms zu einer sehr hohen Spannung kommen.

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Quantitative Versuche

Nachweis des allmählichen Stromanstiegs beim Einschalten der Spannung an einer Spule mit einer Glühlampe

In dem Parallelkreis befindet sich im oberen Zweig ein Strommesser A1 und ein verstellbarer Widerstand R (Potentiometer). Im unteren Zweig ist eine Spule hoher Induktivität (630H) und ein Strommesser A2. Parallel zu A2 ist der t-y-Schreiber angeschlossen.

Man erkennt, dass der Strom beim Ausschalten umso rascher abfällt, je größer der Widerstand im Parallelzweig ist.

Nachweis der Induktionsspannung an der Spule hoher Induktivität

Die Registrierung des Verlaufs der an der Spule induzierten Spannung ist durch den Anschluss des Schreibers an die zur Spule hoher Induktivität gekoppelte kleine Spule mit wenig Windungen möglich (vgl. Schaltbild)

Man erkennt, dass die Induktionsspannung beim Ausschalten umso höher ist und umso rascher abfällt, je größer der Widerstand im Parallelzweig ist.

Aufbau

 

Lange Feldspule mit Stromversorgung (10A)

Satz von hintereinandergeschalteten Induktionsspulen mit unterschiedlicher Fläche und unterschiedlicher Windungszahl.

Spiegelgalvanometer

Wenn du daran interessiert bist, wie das Spiegelgalvanometer kalibriert wird, so kannst du dir hier die nötigen Informationen einblenden lassen.

Durchführungen und Beobachtungen

1. Unabhängigkeit von der Art des Einbringens

Durchführung: Man bringt ein und dieselbe Induktionsspule mit unterschiedlicher Geschwindigkeit und unter unterschiedlichen Winkeln aus dem feldfreien Raum ins gleichbleibende Feld der Feldspule.

Beobachtung und Ergebnis: Der Stoßausschlag am Spiegelgalvanometer hängt nur von Anfangsstellung und Endstellung der Induktionsspule im Feld ab.

Wenn du daran interessiert bist, wie man dieses Phänomen theoretisch begründen kann, so kannst du dir hier die nötigen Informationen einblenden lassen.

2. Abhängigkeit von der Windungszahl

Durchführung: Man bringt - bei gleichbleibendem Magnetfeld - Induktionspulen mit gleicher Querschnittsfläche und unterschiedlicher Windungszahl vom Feldäußeren ins Feldinnere. Feldstrom I = 2,0A; Ai = 33 cm²

Beobachtung:

Ni 50 100 150
\( \int U \text{d}t \) in Skt 5,0 9,5 14,7

Ergebnis: \( \int U \text{d}t \sim N_i \)

3. Abhängigkeit von der Querschnittsfläche

Durchführung: Man bringt - bei gleichbleibendem Magnetfeld - Induktionspulen mit gleicher Windungszahl und unterschiedlicher Querschnittsfläche vom Feldäußeren ins Feldinnere. Feldstrom I = 2,0A; Ni = 100

Beobachtung:

Ai in cm² 23,5 33 43
\( \int U \text{d}t \) in Skt 6,8 9,5 12,5

Ergebnis: \( \int U \text{d}t \sim A_i \)

4. Abhängigkeit vom Magnetfeld (Feldstrom)

Durchführung: Man bringt - bei verschiedenem Feld (verschiedenem Feldstrom) - Induktionspulen mit gleicher Windungszahl und gleicher Querschnittsfläche vom Feldäußeren ins Feldinnere. Ni = 100; Ai = 33 cm²

Beobachtung:

IF in A 1,0 1,5 2,0 >3,0
\( \int U \text{d}t \) in Skt 4,8 7,1 9,5 14,5

Ergebnis: \( \int U \text{d}t \sim I_F \)

5. Einbringen ins Feld, Einschalten des Feldes, Drehen im Feld

Durchführung: a) Man bringt eine Induktionsspule ins Feld senkrecht zum Feld (90°-Stellung) und misst die Induktionsspannung.
b) Man dreht diese Induktionsspule im Feld aus der 90°-Stellung in die Parallelstellung und misst die Induktionsspannung.
c) Die Induktionsspule ist in 90°-Stellung in der Feldspule, der Feldstrom wird eingeschaltet, die Induktionsspannung gemessen.

Beobachtung und Ergebnis: Der Stoßausschlag am Spiegelgalvanometer ist immer derselbe, er hängt nur von der Änderung des magnetischen Flusses ΔΦ durch die Induktionsspule ab und nicht wie dieser zustande kam.

6. Ändern oder Einschalten des Feldes

Durchführung: Die Induktionsspule ist in 90°-Stellung in der Feldspule.
a) Ein Feldstrom von 1,0A wird eingeschaltet, die Induktionsspannung gemessen.
b) Der Feldstrom wir von 1,0A auf 2,0A erhöht und die Induktionsspannung gemessen.

Beobachtung und Ergebnis:Der Stoßausschlag am Spiegelgalvanometer ist jeweils gleich, er hängt nur von der Änderung des magnetischen Flusses ΔΦ durch die Induktionsspule und nicht vom Anfangswert dieses magnetischen Flusses Φ ab.

Ein sehr eindrucksvoller Induktionsversuch, bei dem wiederum das Gesetz von LENZ bestätigt wird, ist der THOMSONsche Ringversuch.

Eine Spule mit langem Eisenkern wird so aufgestellt, dass die Spulenachse vertikal steht. An der Spulenoberseite legt man einen geschlossenen Aluminiumring so auf den Eisenkern, dass er diesen nicht berührt.

  • Legt man nun kurzzeitig eine Gleichspannung an die Spule, so wird der Ring hochgeschleudert.
  • Legt man an die Spule kurzzeitig eine Wechselspannung und kühlt den Ring vor dem Versuch z.B. mit flüssigem Stickstoff (ca. -190°C), so erreicht man deutlich größere Höhen.
  • Verwendet man anstelle des geschlossenen Aluminiumrings einen mit einem Schlitz, so wird dieser Ring kaum angehoben.

Prof. Amvimov benutzt anstelle eines Aluminiumrings eine Coladose, bei welcher der Deckel und der Boden entfernt wurden. Der Wechselstrom durch die Spule ist so eingestellt, dass die Büchse gerade schwebt.

Du kannst dir die Videos (lange Ladezeit) vom Netz unter

Coladose: http://www.wfu.edu/academics/physics/demolabs/demos/avimov/e_and_m/jumping_ring/coldcoke.mpg

Coladose mit Schlitz: http://www.wfu.edu/academics/physics/demolabs/demos/avimov/e_and_m/jumping_ring/pepsican.mpg

herunterladen.

Warum wird der Ring - unabhängig von der Polung der Gleichspannungsquelle - angehoben?

Warum erreicht man mit Wechselspannung und Kühlung des Ringes größere Höhen?

Welche Anfangsgeschwindigkeit muss der Ring haben, damit er eine Höhe von 1,0m erreicht?

Warum kann ein geschlitzter Ring kaum angehoben werden?

Aufbau und Durchführung

Wir stellen 4 Rohre mit gleicher Länge und gleichem Durchmesser, aber aus unterschiedlichen Materialien (Stahl, Kupfer, Aluminium und Plastik) lotrecht nebeneinander auf. Dann lassen wir Ringmagnete, die mit etwas Spiel um die Rohre passen, fallen und beobachten die Fallzeiten.

Alternative: Der Versuch kann auch mit kleinen Magneten durchgeführt werden, die im Inneren der Rohre nach unten fallen.

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Beobachtung

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Aufgabe

Formuliere die Beobachtungen während der Durchführung des Versuchs.

Lösung

Der Magnet fällt am langsamsten, wenn er am Kupferrohr herunter fällt.

Am Aluminiumrohr fällt der Magnet schneller als am Kupferrohr, aber langsamer als am Stahlrohr oder Plastikrohr.

Zwischen den Fallgeschwindigkeiten beim Stahlrohr und beim Plastikrohr konnte kein Unterschied beobachtet werden.

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2 Wirbelströme und dadurch verursachte Magnetfelder beim Fall eines Magneten durch ein Rohr aus Metall

Erklärung

Die Animationen in Abb. 2 zeigen die Situation bei in den Rohren fallenden Magneten. Aus physikalischer Sicht laufen jedoch die gleichen Prozesse ab, wie wenn Ringmagnete außen an den Rohren nach unten fallen.

In Zonen des Kupferzylinders treten sich ändernde Magnetfelder (hellgrün) auf, die nach LENZ Induktionsströme (rot) hervorrufen, welche die Ursache ihrer Entstehung (fallender Magnet) zu hemmen suchen.

In der rechten Animation sind zusätzlich zur linken Abbildung die Magnetfelder (dunkelgrün) der Induktionsströme eingezeichnet.

Das Magnetfeld des unteren Induktionsstroms ist dem des Permanentmagneten entgegengerichtet. Es stehen sich zwei Nordpole gegenüber: Abbremsung des Permanentmagneten.

Das Magnetfeld des oberen Induktionsstroms ist dem des Permanentmagneten gleichgerichtet. Es stehen sich ungleichnamige Pole gegenüber: Abbremsung des Permanentmagneten.

Kupfer ist ein guter Leiter, daher treten hier die größten Induktionsströme auf. Der Magnet wird am stärksten gehemmt. Alu leitet schon schlechter als Kupfer, daher fällt der Magnet etwas schneller, da die Induktionströme nicht mehr so groß sind. Stahl und Plastik leiten noch deutlich schlechter und der Magnet wird beim Fall kaum gehemmt.

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Verständnisaufgabe

Nun wird anstatt eines Ringmagneten ein Eisenring nach unten fallen gelassen.

Erläutere, welche Beobachtung du erwarten würdest.

Lösung

Das Eisenstück würde bei allen Rohren gleich schnell nach unten fallen, da keine Induktionseffekte und damit keine Wirbelströme auftreten würden.

Nun wird der Aufbau um ein in Längsrichtung "geschlitztes" Kupferrohr erweitert. Wieder lässt du zwei Ringmagnete außen am Kupferrohr und außen am geschlitzten Kupferrohr fallen.

Erläutere erneut, welche Beobachtung du erwarten würdest.

Lösung

Der Magnet im geschlitzten Kupferrohr fällt schneller nach unten. Im geschlitzten Kupferrohr können sich die Wirbelströme nicht so gut ausbilden. Daher wird der Fall des Magneten hier weniger stark gehemmt.

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Hinweis: Schöne Bilder und Videos zu einem Versuch zur Wirbelstrombremse mit dem WALTENHOF-Pendel findest du auf den Seiten des Bildungsservers von Baden-Württemberg.

Man kann natürlich das magnetische Erdfeld mit einer empfindlichen Hallsonde ausmessen. Wesentlich "durchsichtiger" ist jedoch die Bestimmung des magnetischen Erdfeldes mit Hilfe einer Induktionsspule, die man auch Erdinduktor nennt.

Versuchsgeräte:

  • Erdinduktor mit N = 100 Windungen und einem Radius von 13,8cm;
  • Kompass;
  • Digitales Mikrovoltmeter, mit dem auch Spannungsstöße gemessen werden können;

Versuchsdurchführung:

a)

Bestimmung der Horizontalkomponente Bh des magnetischen Erdfeldes
Mit Hilfe eines Kompasses bestimmt man die Nord-Süd-Richtung. Die Induktionsspule ist dann wie folgt auszurichten:

  • Die Achse, um welche die Spule später gedreht wird, steht senkrecht zur Unterlage. Die Spule wird dann so gedreht, dass die Spulenebene senkrecht zur Nord-Süd-Richtung steht.
  • Die Spule wird nun an der Kurbel um 90° gedreht und der entstandende Spannungsstoß am digitalen Messgerät abgelesen. Dabei ergab sich für den Spannungsstoß:

\[\int_{{t_1}}^{{t_2}} {Udt} = 0,14 \cdot {10^{ - 3}}{\rm{Vs}}\]

 

b)

Bestimmung der Vertikalkomponente Bv des magnetischen Erdfeldes
Die Induktionsspule ist wie folgt auszurichten:

  • Die Achse, um welche die Spule später gedreht wird, zeigt in Nord-Süd-Richtung. Die Spule wird dann so gedreht, dass die Spulenebene parallel zur Unterlage ist.
  • Die Spule wird nun an der Kurbel um 90° gedreht und der entstandende Spannungsstoß am digitalen Messgerät abgelesen. Dabei ergab sich für den Spannungsstoß:

\[\int_{{t_1}}^{{t_2}} {Udt} = 0,27 \cdot {10^{ - 3}}{\rm{Vs}}\]

Bestimme aus dem jeweiligen Spannungsstoß die Horizontalkomponente Bh und die Vertikalkomponente Bv der Flussdichte des Erdmagnetfeldes in München.

Bestimme mit Hilfe der Ergebnisse der ersten Teilaufgabe die Gesamtflussdichte des Erdmagnetfeldes in München.

Karlheinz Meier von der Universität Heidelberg stellt leicht verständliche Videos zum Physikunterricht zur Verfügung. In anderthalb Minuten wird gut fassbar in das Prinzip einer technischen Erfindung eingeführt oder ein physikalisches Phänomen vorgestellt.

In diesem Video zeigt Karlheinz Meier das Phänomen der Induktion durch Bewegung am Beispiel eines Dynamos, aber auch anhand einer einfachen Leiterschleife.

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Karlheinz Meier von der Universität Heidelberg stellt leicht verständliche Videos zum Physikunterricht zur Verfügung. In anderthalb Minuten wird gut fassbar in das Prinzip einer technischen Erfindung eingeführt oder ein physikalisches Phänomen vorgestellt.

In diesem Video weist Karlheinz Meier das magnetische Feld der Erde nach und führt einen Induktionsversuch im Erdfeld durch.

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Karlheinz Meier von der Universität Heidelberg stellt leicht verständliche Videos zum Physikunterricht zur Verfügung. In anderthalb Minuten wird gut fassbar in das Prinzip einer technischen Erfindung eingeführt oder ein physikalisches Phänomen vorgestellt.

In diesem Video veranschaulicht Karlheinz Meier eindrucksvoll die LENZsche Regel

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Man erzeugt - wie zum Versuch mit dem Teslatrafo - einen hochfrequenten Wechselstrom durch eine Funkenstrecke und einen Schwingkreis, bestehend aus einer Leidener Flasche (Kondensator) und einer Spule mit wenigen Windungen. Diese wenigen Windung werden um eine Glaskugel gelegt, die mit Neongas geringen Drucks gefüllt ist.

Ergebnis:
Es wird in der Spulenachse ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld induziert, das seinerseits ringförmig ein elektrisches Feld aufbaut. In diesem elektrischen Wechselfeld werden die Elektronen so stark beschleunigt, dass sie die Neonatome zu ringförmigem Leuchten anregen.

Fazit:
Ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld bedingt ein hochfrequentes elektrisches Feld.

Ein Aluminiumring kann zwischen den Polschuhen eines Elektromagneten pendeln. Ist das Magnetfeld noch abgeschaltet, so ist die Pendelschwingung relativ ungedämpft. Schaltet man nun das Magnetfeld ein (Abb. 2), so wird das Pendel stark abgebremst.

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1 Aufbau, Durchführung und Beobachtung des ersten Teilversuchs zum WALTENHOFEN'schen Pendel
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2 Aufbau, Durchführung und Beobachtung des zweiten Teilversuchs zum WALTENHOFEN'schen Pendel
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Schwingt der Ring in den Elektromagneten so ändert sich das Magnetfeld welches den Ring durchsetzt, es nimmt zu.

Dadurch wird im Ring eine Spannung induziert, die einen Induktionsstrom verursacht.

Nach Lenz ist dieser Strom so gerichtet, dass er die Ursache seiner Entstehung zu hemmen sucht. Er fließt also so, dass er ein Magnetfeld bewirkt, das dem des Elektromagneten entgegengerichtet ist (der Induktionsstrom "versucht" den ursprünglichen - feldfreien - Zustand herzustellen).

Der Ring stellt nun einen stromdurchflossenen Leiter dar, der sich zum Teil im Feld des Elektromagneten befindet. Nach der UVW-Regel der rechten Hand wirkt auf ihn eine Kraft entgegen der Bewegungsrichtung, der Ring wird abgebremst.

Befindet sich der Ring vollständig im Magnetfeld so wirkt auf ihn keine Kraft, da sich das Magnetfeld welches den Ring durchsetzt nicht ändert.

Schwingt der Ring aus dem Elektromagneten so ändert sich das Magnetfeld welches den Ring durchsetzt, es nimmt ab.

Dadurch wird im Ring eine Spannung induziert, die einen Induktionsstrom verursacht.

Nach Lenz ist dieser Strom so gerichtet, dass er die Ursache seiner Entstehung zu hemmen sucht. Er fließt also so, dass er ein Magnetfeld bewirkt, das dem des Elektromagneten gleich gerichtet ist (der Induktionsstrom "versucht" den vorangegangenen Zustand: "Magnetfeld durch Ring" wieder herzustellen).

Der Ring stellt nun wieder einen stromdurchflossenen Leiter dar, der sich zum Teil im Feld des Elektromagneten befindet. Nach der UVW-Regel der rechten Hand wirkt auf ihn eine Kraft entgegen der Bewegungsrichtung, der Ring wird weiter abgebremst.

Anstelle des Aluminiumrings kann man eine volle Kupfer- oder Aluminiumplatte als Pendelkörper verwenden. Auch hier werden Ströme (Wirbelströme) im Metall induziert, die Schwingung wird sehr schnell gestoppt, sowie man das Magnetfeld über den Schalter des Netzgeräts einschaltet. Ist dagegen die Metallplatte mit Sägeschlitzen versehen, so ist die Dämpfung wesentlich geringer, da sich die Wirbelströme nicht so gut ausbilden können.

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4 Entstehung von Wirbelströmen in einer rotierenden Scheibe im Magnetfeld

Die nebenstehende Animation zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Wirbelstrombremse. Eine rotierende Metallscheibe kann abgebremst werden, wenn sie - wie skizziert - von einem Magnetfeld durchdrungen wird (hier Magnetfeld in die Schirmebene). In der Metallscheibe entstehen Wirbelströme. Der stromdurchflossene Leiter erfährt dann durch das äußere Magnetfeld eine bremsende Kraft.

Je kleiner die Rotationsgeschwindigkeit wird, desto geringer werden auch die Wirbelströme.

Beachte: In der nebenstehenden Animation ist der technische Strom dargestellt.