Sexl Physik 7, Schulbuch

75 | v N S A F 1 1 75.1 Bewegt sich die Leiterschaukel im Feld des Magneten, so wird ein Strom induziert. Die Lorentzkraft F auf den Strom wirkt der Bewe- gung entgegen und hemmt sie dadurch 75.2 Die Bewegung des Metallpendels wird im Magnetfeld durch induzierte Ströme („Wirbelströme“) gebremst. Dieser Effekt wird z. B. bei Autobussen in der „Wirbelstrom- bremse“ genutzt. L 75.3 Versuch zur Selbstinduktion: Die Zündspannung der Glimmlampe ist höher als die Batteriespannung, daher leuchtet sie bei geschlossenem Schalter nicht. Durch Öffnen des Schalters wird sie gezündet 2.5 Die Lenz’sche Regel Das Induktionsgesetz beschreibt die von Faraday gesuchte „Verwandlung von Mag- netismus in Elektrizität“. Es ermöglicht, die auftretende Induktionsspannung zu berechnen. In einem geschlossenen Leiterkreis wird ein Induktionsstrom her- vorgerufen, für seine Richtung gilt folgende Regel: Die Lenz’sche Regel Der Induktionsstrom ist so gerichtet, dass er seiner Ursache entgegenwirkt. Das negative Vorzeichen im Induktionsgesetz berücksichtigt diese Regel. Wir wol- len sie anhand einiger Beispiele illustrieren. Experiment: Die Leiterschaukel als Stromkreis 75.1 Bewegt sich die Leiterschaukel zwischen den Polen eines Hufeisenmagneten, wird Spannung induziert und im geschlossenen Stromkreis beginnt Strom zu fließen. Durch die Bewegung der Elektronen in Drahtrichtung tritt eine Lorentzkraft normal zur Rich- tung des Drahtes auf. Sie ist der Bewegung der Leiterschaukel entgegengerichtet, so dass diese Bewegung gebremst wird. Der induzierte Strom wirkt seiner Ursache entge- gen. Nach dem Energiesatz bremst die auftretende Kraft die Leiterschaukel, ihre kineti- sche Energie wird in elektrische umgewandelt. (Was wäre die Folge, wenn der Indukti- onsstrom seine Ursache verstärken würde?) Demo-Experiment: Wirbelströme 75.2 Eine Metallplatte schwingt als Pendel zwischen den Polen eines Elektromagneten. Schalten wir den Magneten ein, so bleibt das Pendel sehr rasch stehen. Der Grund da- für ist das Auftreten von Wirbelströmen , das sind in sich geschlossene elektrische Strö- me in der Metallplatte. Wir können das Metallpendel als eine Vielzahl geschlossener Leiterkreise auffassen, die sich im Magnetfeld bewegen. In jedem dieser Leiterkreise induziert die Flussänderung einen Strom – die auf ihn wirkende Lorentzkraft hemmt die Bewegung. Die Lenz’sche Regel fasst dies kurz zusammen: Der induzierte Strom ist so gerichtet, dass er seiner Ursache, der Bewegung, entgegenwirkt. Verwendet man einen vielfach geschlitzten Pendelkörper, so werden die Stromkreise der Wirbelströme unterbrochen und die Bremswirkung verringert sich deutlich ( 75.2 rechts). Experiment: Fallen alle Körper gleich schnell? 75.3 Du brauchst: zwei etwa 1,5 m lange, gerade Rohre mit 10 bis 15 mm Durchmesser, das eine aus Kunststoff (Installationsrohr), das andere aus Kupfer (Heizungsrohr), sowie einen kleinen Stabmagneten und ein etwa gleich großes Holzstäbchen. Was ist zu tun: Vergleiche die Falldauern von Magnet und Holzstäbchen durch die ver- schiedenen Rohre. Erkläre das Ergebnis. Die Selbstinduktion Fließt der Strom I durch eine Spule mit N Windungen und einem Eisenkern, so ent- steht in ihrem Inneren ein Magnetfeld B bzw. ein magnetischer Fluss Φ : Magnetfeld Magnetischer Fluss B = µ · I · Φ = B · A = µ · I · · A ( l = Spulenlänge, A = Spulenquerschnitt, µ = µ r µ 0 Permeabilität des Eisens. Das Ma- gnetfeld in der Spule ist parallel zur Spulenachse.) Verändern wir den Spulenstrom, so ändert sich der magnetische Fluss in der Spule. In der Spule tritt eine induzierte Spannung auf, die wir aus dem Induktionsgesetz berechnen können: U ind = – N · . Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv