Sexl Physik 7, Schulbuch

8.1 Hochspannungsleitungen verbinden Kraftwerke und Ballungszentren mit hohem Energiebedarf. ? Warum benutzt man hohe elektrische Spannungen? 8.2 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. Lorentz-Kraft Magnetfelder ( æ B ) üben auf bewegte, elekt- risch geladene Teilchen ( q , æ v ) normal zur Bewegungs- und zur Feldrichtung die sog. Lorentzkraft aus: F = q · v · B · sin α . ( α Winkel zwischen der Bewegungs- und der Feldrichtung.) In Vektorschreibweise: æ F = q · æ v × æ B . Die „Rechte-Hand-Regel“ (s. Physik 6, S. 107) hilft, die Kraftrichtung zu finden. Aber Vorsicht: Das negative Vorzeichen der Elektronenladung muss berücksichtigt werden! 1 Grundlagen der Elektrotechnik In diesem Kapitel erfährst du − wie Generatoren und elektrische Motoren funktionieren − warum die Erde ein Magnetfeld hat − wodurch sich Wechselstrom von Gleichstrom unterscheidet − wie elektrische Energie übertragen wird 1.1 Das Induktionsgesetz „Seit langem habe ich die an Überzeugung grenzende Meinung gehegt, dass die ver- schiedenen Kräfte der Materie einen gemeinschaftlichen Ursprung haben und inein- ander verwandelt werden können. In neuerer Zeit sind die Beweise für ihre Umwan- delbarkeit in beträchtlichem Maß gehäuft …“ ( M. F ARADAY 1831) Christian Oersted hatte 1820 entdeckt, dass elektrische Ströme magnetische Felder erzeugen (s. Physik 6, S. 105). So wie Oersted war auch Michael Faraday vom Zu- sammenhang aller Naturkräfte überzeugt. Dies ließ ihn nach der Umkehrung von Oersteds Entdeckung suchen, eine Tagebucheintragung aus dem Jahre 1822 zeigt sein Ziel: „Convert magnetism into electricity“. Am 29. August 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 ( 8.2 ) hatte er über einen Weicheisenring zwei Spulen aus Kupferdraht gewickelt. Die erste Spule ( Primärspule ) schloss er an eine Batte- rie an, die zweite Spule ( Sekundärspule ) schloss er mit einem Draht kurz, den er zum Stromnachweis über eine Magnetnadel führte. Er beobachtete beim Einschal- ten einen Ausschlag der Magnetnadel, die nach einigen Schwingungen wieder in der Nord-Süd-Richtung zur Ruhe kam; beim Abschalten schlug die Nadel in die umgekehrte 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 zeigte die Magnetnadel keinen Aus- schlag. Daraus folgerte Faraday, dass in diesem Fall durch die Sekundärspule kein Strom floss. Worauf könnte der Strom in der Sekundärspule zurückzuführen sein? Untersuche, überlege, forsche: Faradays Experiment 8.1 E 1 a) Plane eine Versuchsreihe und führe sie durch, um die Ergebnisse von Faraday zu überprüfen. Verwende dazu Material aus den Versuchskästen. E 1 b) Um die Rolle des Magnetfelds zu überprüfen, verzichte auf Primärspule und Eisenkern und nähere stattdessen der Sekundärspule einen Stabmagneten: Wie kannst du den Ausschlag der Magnetnadel beeinflussen? Welche Teile kannst du bewegen und dabei einen Effekt erzielen? Der folgende Schluss liegt nahe: Das Faraday’sche Induktionsgesetz (qualitativ) In einer Spule wird eine Spannung hervorgerufen (induziert), wenn sich das Magnetfeld 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. 8 ELEKTRODYNAMIK Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv