Physik compact, Basiswissen 7, Schulbuch

62 Elektromagnetische Felder und Kräfte 15 A1 (Gruppenarbeit) Von welchen Parametern hängen Betrag und Vorzeichen der Induktionsspannung beim vorigen Versuch mit der Leiterschaukel imMagnetfeld ab? Überlege und experimentiere! A2 Was kann beobachtet werden? A3 (Gruppenarbeit) Führe Versuche durch, die die Abhängigkeit der Induktionsspannung von der Win- dungszahl der Spule, von der Stärke des Magnetfeldes und von der Relativgeschwindigkeit zwischenMagnet und Spule zeigen! Fertige ein Versuchsprotokoll an! Fasse die Versuchsergebnisse durch Formulierungen wie „die Induktionsspannung ist um so größer, je …“ zusammen! Durch solche und ähnliche Versuche kommt man zu folgendem Ergebnis: Die Ergebnisse der beiden vorigen Versuche lassen sich mit Hilfe der Lorentzkraft verstehen. Gedankenversuch: Zur Erklärung der elektromagnetischen Induktion betrachten wir die beweglichen Elektronen in einem Leiter. Bewegt sich der Leiter in der angegebenen Anordnung (Abb. 62.2) in der Zeit D t um den Weg D s nach links, so wirkt auf die Elektronen eine Lorentzkraft, die zu einer Verschiebung der Elektronen im Leiter führt. Diese bewegten Elektronen stellen einen elektrischen Strom (Induktionsstrom Iind) dar. Die entsprechende In- duktionsspannung wird mit demVoltmeter gemessen. Auf den Induktionsstrom I ind wirkt nun wiederum das Magnetfeld mit der magnetischen Induktion B . Das Magnetfeld übt auf den Induktionsstrom I ind eine Lor- entzkraft aus. l F B ind #$ I = F … Lorentzkraft I ind … Induktionsstrom l … Länge des Leiters im Magnetfeld B … magnetische Induktion Dabei ist die Lorentzkraft entgegengesetzt der Richtung der Relativgeschwindigkeit zwischen Spule und Feld. A4 Überprüfe die Aussage über die Richtung der Lor- entzkraft, die auf den Induktionsstrom I ind wirkt! Ver- wende dabei zB die Korkenzieherregel! Bemerkung: Für den Fall, dass Leiter und Magnetfeld normal aufeinander stehen, erhält man für den Betrag der Lorentzkraft F = I ind · l · B F … Lorentzkraft I ind … Induktionsstrom l … Länge des Leiters im Magnetfeld B … magnetische Induktion Wenn nun eine (Lorentz-)Kraft entgegen der Bewe- gungsrichtung wirkt, so bedeutet dies, dass eine Ar- beit W aufgewendet werden muss, um den Leiter im Magnetfeld zu bewegen: W s F $ D = W l s B ind # $ D I = ^ h Für , : und gilt l l s s B B = = = D D W = I ind · l · B · D s W … mechanische Arbeit F … Lorentzkraft D s … Weg, den der Leiter verschoben wird l … Länge des Leiters I ind … Induktionsstrom B … magnetische Induktion Versuch Induktion Ein Dauermagnet (Permanentmagnet) wird in eine Spule eingeführt, an deren Enden ein Voltmeter angeschlossen ist, das die Induktionsspannung anzeigt. 0 0 Abb. 62.1 Die Induktionsspannung U ind ist proportional zur Ge- schwindigkeit v des Leiters relativ zum Magnetfeld, proportional zur magnetischen Induktion B und pro- portional zur Windungszahl N der Spule. U ind ~ N · v · B U ind …Induktionsspannung N …Anzahl der Windungen der Spule v …Relativgeschwindigkeit zwischen Spule und Magnet B …magnetische Induktion Induktionsspannung U ind Abb. 62.2 S N V A = l · s B I l s v F = I · B l µ ∆ ∆ ∆ x Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv