Big Bang Physik 6, Schulbuch

Felder  111 Elektrische Ströme und Magnetfelder  26  26.5 Ein ziemlicher Lenz Elektromagnetische Induktion 2 Ein veränderliches Magnetfeld erzeugt einen elektrischen Strom. Wir schauen uns hier diesen Induktionsstrom noch etwas genauer an. Man kann in einer Leiterschleife beziehungsweise einer Spule eine elektromagnetische Induktion auslösen, wenn sich das Magnetfeld im Inneren ändert (Kap. 26.4, S. 109). Man kann dieses Prinzip jedoch noch etwas allgemeiner fassen. Dazu brauchen wir aber eine neue Größe, nämlich den magnetischen Fluss (Abb. 26.29; Tab. 26.2), der mit ei- nem großen griechischen Phi ( F ) bezeichnet wird. Wenn das Magnetfeld normal auf die Fläche steht, kann man den magnetischen Fluss so berechnen: Formel: magnetischer Fluss F = B · A F …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 Wenn du einen Stabmagneten in einer Spule bewegst (Abb. 26.28), dann entsteht ein Induktionsstrom (siehe auch Abb. 26.25) und sie wird zum Elektromagneten. Wo sind aber Nord- und Südpol? Überlege mit Hilfe des Energieerhaltungssatzes. Der Münzprüfer in einem Automaten, der Tachometer eines Autos und die Bremsen von Zügen und Straßen- bahnen nutzen alle dasselbe physikalische Prinzip. Welches könnte das sein? F12 S2  Abb. 26.28:  Wie polen sich die Spulen? F13 W2  F Abb. 26.29:  Der magnetische Fluss ist das Produkt von magnetischer Induktion und davon durchsetzter Fläche. der Magnet bewegt (siehe Abb. 26.25), oder weil sich sein Magnetfeld verändert – was natürlich nur bei einem Elekt- romagneten möglich ist. Es kann aber auch sein, dass sich die Fläche der Leiterschleife verändert, oder es kann eine Kombination von allem sein. Je schneller sich der magne­ tische Fluss verändert, desto größer ist die induzierte Span- nung.  Info: Induktionsgesetz Formel: Induktionsgesetz für eine Schleife U ind = – ​  D F  ___ D t ​ U ind … Induktionsspannung [V] F …magnetischer Fluss [Wb] [Weber] Wie kommt das Minus in die Gleichung? Das ist eine Über- einkunft. Man möchte damit ausdrücken, dass das indu- zierte Magnetfeld immer so gerichtet ist, dass es seiner Ursache entgegenwirkt. Man nennt das die Lenz’sche Regel und sie ergibt sich aus dem Energieerhaltungssatz. Warum? Nimm an, du ziehst den Stabmagneten aus der Spule he- raus (Abb. 26.33a, S. 112). Würde sich das Magnetfeld in der Spule umgekehrt einstellen, dann würde der Stabmagnet von ihr abgestoßen und zusätzlich beschleunigt werden. Da- mit könnte man aus dem Nichts Energie gewinnen, was eben nicht geht ( F12 ). F Induktionsgesetz Nimm an, dass der bewegliche Bügel der Leiterschleife in der Zeit D t mit der Geschwindigkeit v um die Strecke D s verschoben wird (Abb. 26.30). Dadurch än- dert sich der magnetische Fluss: D F = B · D A = B ·  l D s = Bl · v D t In der Schleife wird die Spannung U induziert, die wiederum einen Strom I zur Folge hat. Der Induktionsstrom verrichtet eine elektrische Arbeit D W  = – U · I · D 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: D W  =  F · D s = B · I ·  l · D s Diese hat ein positives Vorzeichen, weil sie ins System hin- eingesteckt wird. Nach dem Energieerhaltungssatz müssen elektrische Arbeit und Verschiebearbeit gleich groß sein. – U · I · D t = B · I ·  l · D s Þ  – U · D t = B ·  l · D s = B · D A = D F Und daraus folgt das Induktionsgesetz : U = – D F / D t i Abb. 26.30 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv