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Experimentalphysik I/II für Studierende der Biologie und Zahnmedizin Caren Hagner 21.01.2008

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Wiederholung: Magnetfeld:

Ursache eines Magnetfelds:• bewegte elektrische Ladungen• veränderliches Elektrisches Feld

Magnetfeld um stromdurchflossenenDraht

I

B-

Magnetfeld um stromführenden Drahtder zu einer Schleife gebogen ist

I

B

N

S


2

Magnetfeld einerstromdurchflossenen Spule(Elektromagnet)

Beispiele magnetischer Felder (Feldlinien)

Die magnetischen Feldlinien bilden immer in Schleifen!• sie haben keinen Anfang und kein Ende• sie sind immer geschlossen

Permanentmagnet


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I

BDas Erdmagnetfeld


4

Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld

Rechte Hand Regel


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Magnetische Kraftflussdichte B und magnetische Feldstärke H

Erdmagnetfeld ca. 10-4T = 1 G (Gauss)Stärkste Magnetfelder im Labor ca. 45TMagnetfeld in Atomen ca. 10TMagnetfeld an der Oberflächeeines Neutronensterns ca. 108T


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Magnetfeld um einen Draht


7

Magnetfeld einer langezogenen Spule:


8

Kraft auf ein geladenes Teilchen im Magnetfeld, Lorentzkraft

x x x x x

x x x x x

x x x x x

x x x x x

x x x x x

Magnetfeld in Bildebene hinein

Rechte Hand Regel


9Bahn eines geladenen Teilchens im Magnetfeld

x x x x x

x x x x x

x x x x x

x x x x x

x x x x x

Geladenes Teilchen (q negativ)

+

vF

1. Geschwindigkeit senkrecht zum Magnetfeld:Kreisbahn

2. Geschwindigkeit schräg zum Magnetfeld:Schraubenlinie

Magnetfeld in Bildebene hinein


10Versuch Fadenstrahlrohr: 1. Geschwindigkeit genau senkrechtzum Magnetfeld:Kreisbahn

2. Geschwindigkeit schräg zumMagnetfeld:Schraubenlinie


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Bedeutung (Beispiele):

“Magnetische Flasche”, Erdmagnetfeld schützt vor kosmischer Strahlung, Polarlichter

Sonnenwind =Teilchen (Protonen, Elektronen, He-Kerne)von der Sonne

Erdmagnetfeld


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Polarlicht(Aurora Borealis,Aurora Australis)


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Polarlicht über der Erde (gesehen vom Space Shuttle Discovery)

Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V5 21.1.2008

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Magnetische Induktion

Worum geht es?

Ein veränderliches Magnetfeldin der Spule (weil Magnet bewegt wird)

Ein veränderliches Magnetfeldin der Spule (weil Magnet bewegt wird)

Bewirkt einen Stromflussin der Spule

Bewirkt einen Stromflussin der Spule

Eine Möglichkeit:


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Magnetischer Fluss: (diesen Begriff braucht man zur genaueren Beschreibung der Induktion)


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Induktionsgesetz (Faraday):

Jede Änderung des magnetischen Flusses durch eine Leiterschleife,induziert darin eine elektrische Spannung U.

Jede Änderung des magnetischen Flusses durch eine Leiterschleife,induziert darin eine elektrische Spannung U.

Michael Faraday:1791-1867

Nt

U∆∆

−=φ

Uind

Wenn der Magnet bewegt wird, ändert sich der magnetische Fluss Φ in der Spule, eine Spannung wird induziert, die vom Messgerät angezeigt wird.(Je schneller die Bewegung, desto größer die angezeigte Spannung)


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Lenzsche Regel

Die durch Veränderung magnetischer Flüsse erzeugten Induktionsströmefließen derart, dass ihre eigenen Magnetfelder der Induktionsursacheentgegenwirken

Die durch Veränderung magnetischer Flüsse erzeugten Induktionsströmefließen derart, dass ihre eigenen Magnetfelder der Induktionsursacheentgegenwirken

Beispiel:

Kurz: Der induzierte Strom ist immer so gerichtet, dass sein Magnetfeld der Induktionsursache entgegenwirkt

Erklärung:Ring spürt stärker werdendes Magnetfeld.Wirbelströme werden induziert. Sie erzeugen ein Magnetfeld, das dem Felddes Magneten entgegen gerichtet ist.-> Ring wird abgestoßen (Ring versucht demstärkeren Magnetfeld auszuweichen).

Aluring:

Magnet bewegt sichauf Ring zu

Bewegt sich vom Magnet weg

Dieser Aluring(mit Schlitz!)weicht dem Magnetennicht aus.Denn: Wegen des Schlitzeskönnen keine Wirbelströme fliessen.


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Nt

U∆∆

−=φAnwendungsbeispiel für Induktion:

Wechselstromgenerator

)sin()(ind tnBAtU ωω−= Wechselstromgenerator

Hier: Der magnetische Fluss ändert sich, weil sich der Winkel zwischenMagnetfeld und Fläche ändert,→ eine Spannung wird induziert.


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Versuch zum Wechselstromgenerator:

Hufeisenmagnet

Spule,wird durchKurbel gedreht

Bei Drehungder Kurbel, fließt Wechselstrom!


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Wechselstromgenerator:Fahrraddynamo

Rad dreht sich, -> Magnet dreht sich,-> Magnetfeld in der Spule ändert sich,-> Spannung wird induziert, Strom fliesst.

Magnet

Spule

Wenn sich das Rad schneller dreht,ist die Änderung des magnetischen Flussesgrößer, eine größere Spannung wird induziert,die Lampe leuchtet heller!

)sin()(ind tnBAtU ωω−= Wechselstromgenerator


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Nt

U∆∆

−=φAnwendungsbeispiel für Induktion:

Transformator

Eisen

Hier: Der magnetische Fluss ändert sich, weil sich das Magnetfeld ändert,→ eine Spannung wird induziert.


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Anwendungsbeispiel: Induktionsherd

Im Kochfeld:Spule in der Wechselstrom (20 - 100 kHz)Fließt, erzeugt magnetischesWechselfeld.

Im Topfboden werdendurch das magnetische Wechselfeld elektrische Wirbelströmeinduziert.

Gutes Aufheizen des Topfbodens,wenn das Topfbodenmaterial eine hohe Permeabilität µ hat (wenn es „magnetisch“ ist).


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U

Spule

Schalter SR

Selbstinduktion:

1. Schalter wird geschlossen:Strom fließt durch die Spule, ein Magnetfeld baut sich auf.

2. Die Magnetfeldänderung in der Spule bewirkt Induktion in der Spule!Eine (Gegen-)Spannung entsteht, nach der Lenzschen Regelbewirkt der induzierte Strom ein Magnetfeld in entgegengesetzterRichtung.

Durch diesen Effekt (= Selbstinduktion) verzögert sich der Stromanstieg beim Einschalten.

3. Schließlich fließt der Strom I0 = U/R.

dtdILU ⋅−=ind

L = Induktivität, Einheit 1 Henry 1H = 1Vs/A

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