Big Bang HTL 3, Schulbuch

Elektrische Ströme und Magnetfelder 5 Ausgewählte Kapitel der klassischen Physik (III. Jg., 5. Sem.) 51 Faradays Entdeckung war der Schlüssel für die Erzeugung von Strom durch Generatoren (siehe Kap. 6.1, S. 55). Angeblich kam der englische Premierminister in Faradays Labor, um die erzeugte Elektrizität zu sehen. Nach der Demonstration fragte er, wofür das gut sei. Faraday antwortete, dass er das noch nicht wisse. Er sei sich aber sicher, dass der Premierminister eines Tages eine Steuer darauf einheben werde. Wie wahr! Es gibt noch eine Menge Anwendungen der Induktion, un- ter anderem bei Antennen zum Empfang von Radio- oder Fernsehprogrammen (siehe Kap. 10, S. 89), bei Mikrofonen, beim Lesen einer Festplatte ( F10 ) oder bei der E-Gitarre. Info: Tonabnehmer Zusammenfassung Strom erzeugt ein Magnetfeld. Umgekehrt erzeugt ein ver- änderliches Magnetfeld Strom. Diese Entdeckung Faradays ist die Grundlage der Stromversorgung. 5.5 Ein ziemlicher Lenz Elektromagnetische Induktion 2 Ein veränderliches Magnetfeld erzeugt einen elektrischen Strom. Wie schauen uns hier diesen Induktionsstrom noch etwas genauer an. Man kann in einer Leiterschleife bzw. einer Spule eine elek- tromagnetische Induktion auslösen, wenn sich das Magnet- feld im Inneren ändert (Kap. 5.4, S. 49). Man kann dieses Prin- zip jedoch noch etwas allgemeiner fassen. Dazu brauchen wir aber eine neue Größe, nämlich den magnetischen Fluss (Abb. 5.30; Tab. 5.2, S. 50), der mit einem großen griechischen Phi ( Φ ) bezeichnet wird. Wenn das Magnetfeld normal auf die Fläche steht, kann man den magnetischen Fluss so berechnen: Z Wenn du einen Stabmagneten in einer Spule bewegst, dann entsteht ein Induktionsstrom (siehe Abb. 5.26) und die Spule wird zum Elektromagneten. Wo sind aber Nord- und Südpol (Abb. 5.29)? Überlege mit Hilfe des Energieerhaltungssatzes. Die Überprüfung einer Münze in einem Automaten, der Tachometer eines älteren Autos und die Bremsen von Zügen und Straßenbahnen basieren auf demsel- ben Prinzip. Welches könnte das sein? F12 A2 Abb. 5.28: Wie polen sich die Spulen? F13 A2 Formel: magnetischer Fluss Φ = B · A Φ …magnetischer Fluss [Wb] Weber B …magnetische Induktion [T] A … von B durchdrungene Fläche [m 2 ] Allgemein kann man nun sagen: Wenn sich in einer Leiter- schleife irgendwie der magnetische Fluss verändert, dann wird in ihr eine Spannung induziert. Das kann sein, weil sich der Magnet bewegt (Abb. 5.26), weil sich das Magnetfeld verändert, weil sich die Fläche der Leiterschleife verändert (Abb. 5.31) – oder es kann eine Kombination von allem sein. Je schneller sich der magnetische Fluss verändert, desto größer ist die induzierte Spannung. Info: Induktionsgesetz F Abb. 5.29: Der magnetische Fluss ist das Produkt von magnetischer Induktion und davon durch- setzter Fläche. Induktionsgesetz Nimm an, dass der be- wegliche Bügel der Lei- terschleife in der Zeit ∆ t mit der Geschwindigkeit v um die Strecke ∆ s ver- schoben wird (Abb. 5.31). Dadurch ändert sich der magnetische Fluss: ∆ Φ = B · ∆ A = B · l · ∆ s = B · l · v · ∆ t . In der Schleife wird die Spannung U induziert, die wiederum einen Strom I zur Folge hat. Der Induktionsstrom verrichtet elektrische Arbeit ∆ W = – U · I · ∆ t . Das Minuszeichen deutet an, dass man diese Arbeit im Prinzip dem System entziehen könnte. Da nun Strom fließt, wirkt auf den Bügel die Lorentz-Kraft F L = B · I · l . Um den Bügel gegen diese Kraft zu verschieben, muss eine Verschiebearbeit aufgewendet werden: ∆ W = F · ∆ s = B · I · l · ∆ s . Diese hat ein positives Vorzeichen, weil sie ins System hin- eingesteckt wird. Nach dem Energieerhaltungssatz müssen elektrische Arbeit und Verschiebearbeit gleich groß sein. B · I · l · ∆ s = – U · I · ∆ t ⇒ B · l · ∆ s = B · ∆ A = ∆ Φ = – U · ∆ t . Und daraus folgt das Induktionsgesetz U = – ∆ Φ / ∆ t . i Abb. 5.30 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv