Sexl Physik 7, Schulbuch

73 | 73.1 Faradays Anordnung (zwei Wicklungen um einen Eisenkern), mit der er die Induktion entdeckte, war eigentlich ein Transformator. Das Galvanometer zeigte den Stromfluss durch den Ausschlag einer Magnetnadel an. v N S V 1 73.2 Bewegt sich eine Leiterschaukel im Magnetfeld, so beobachtet man das Auftreten einer Induktionsspannung. s v B S 1 73.3 Infolge der Lorentzkraft verschieben sich die Elektronen im Draht. Strom fließt, bis das durch die Ladungstrennung verursachte elek- trische Feld den weiteren Stromfluss beendet. 2.4 Das Induktionsgesetz „Seit langem habe ich die an Überzeugung grenzende Meinung gehegt, dass die verschiedenen Kräfte der Materie einen gemeinschaftlichen Ursprung haben und ineinander verwandelt werden können. In neuerer Zeit sind die Beweise für ihre Umwandelbarkeit in beträchtlichem Maß gehäuft … “ So wie o erSted zeigt sich auch f araday vom Zusammenhang aller Naturkräfte überzeugt. Die Entdeckung der magnetischen Wirkung des elektrischen Stromes durch o erSted ließ ihn nach deren Umkehrung suchen, eine Tagebucheintragung aus dem Jahre 1822 zeigt sein Ziel: „Convert magnetism into electricity“. Am 29. Au- gust 1831 war es erreicht: In einer Serie von verschiedenen Versuchen hatte er sich davon überzeugt, dass entgegen seiner ursprünglichen Vermutung nicht konstante Magnetfelder, sondern nur veränderliche Magnetfelder Ströme hervorrufen. In einem dieser Versuche hatte er über einen Weicheisenring zwei Spulen aus Kup- ferdraht gewickelt. Die erste Spule ( Primärspule ) schloss er an eine Batterie an, die zweite Spule ( Sekundärspule ) schloss er mit einem Draht kurz, den er zum Stromnachweis über eine Magnetnadel führte. Er beobachtete beim Einschalten einen Ausschlag der Magnetnadel, die nach einigen Schwingungen wieder in der Nord-Süd-Richtung zur Ruhe kam; beim Abschalten schlug die Nadel in die umge- kehrte Richtung aus. Offensichtlich war beim Ein- und Ausschalten des Stroms in der Primärspule kurzzeitig in der Sekundärspule Strom geflossen; bei konstantem Strom durch die Primärspule floss durch die Sekundärspule kein Strom. Worauf könnte der Strom in der Sekundärspule zurückzuführen sein? Ist es ein elektri- scher oder ein magnetischer Effekt? Untersuche, überlege, forsche: Faradays Experiment 73.1 Plane eine Versuchsreihe und führe sie durch, um die Ergebnisse von Faraday zu überprüfen. Verwende dazu Material aus den Versuchskästen. Um die Rolle des Magnet- felds zu überprüfen, verzichte auf Primärspule und Eisenkern und nähere stattdessen der Sekundärspule einen Stabmagneten: Wie kannst du den Ausschlag der Magnetnadel beein- flussen? Welche Teile kannst du bewegen und dabei einen Effekt erzielen? Der folgende Schluss liegt nahe: Das Faraday’sche Induktionsgesetz (qualitativ) In der Spule wird eine Spannung hervorgerufen (induziert), wenn sich das Magnet- feld im Inneren der Spule nach Größe oder Richtung ändert. Das von Faraday gefundene Induktionsgesetz ist eine der wichtigsten Grundlagen der Elektrotechnik. Wir formulieren es quantitativ an einem einfachen Spezialfall. Experiment: Ruhender Magnet – bewegter Leiter 73.1 Wir hängen ein kleines Drahtstück zwischen den Polen eines Hufeisenmagneten waagrecht auf und verbinden es mit einemVoltmeter, das Spannungen von wenigenMilli- volt anzeigen kann. Nun lassenwir diese Schaukel schwingen. Was kannman beobachten? Wir beobachten einen Ausschlag des Voltmeters, wobei die Spannung ihr Vorzei- chen mit der Schaukelbewegung periodisch umkehrt. Um dieses Ergebnis zu erklären, nehmen wir an, dass das Feld des Hufeisenmag- neten homogen ist. Bewegt sich die Leiterschaukel darin mit der Geschwindigkeit v , so wirkt auf jedes Elektron im Draht die Lorentzkraft F = e · v · B . Sie verschiebt die Elektronen im Draht quer zum Magnetfeld und zur Bewegung. Dadurch wird das eine Ende des Drahtes negativ geladen (Elektronenüberschuss), während das andere Ende positiv geladen wird (Elektronenmangel). Diese La- dungsverteilung erzeugt eine elektrische Feldstärke E im Draht, die so lange an- wächst, bis Gleichgewicht zwischen Lorentzkraft und elektrischer Kraft besteht: e · v · B = e · E . Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv