Magnetische Felder und Kräfte

1. MagnetischeFelder und Kräfte

2. Das Magnetfeld S N Nordpol 2 Pole: Südpol Magnetfeld der Erde

3. Magnetarten natürlicher Magnetismus: - Magnesia: antike Stadt in Kleinasien künstlicher Magnetismus: - stromdurchflossener Leiter/Spule

4. Versuch nach Oersted Hans Christian Ørsted (1777 – 1851), dänischer Physiker Zusammenhang: Strom - Magnetismus

5. - +

6. I Ein stromdurchflossener Leiter baut um ihn ein Magnetfeld auf. Eine Magnetnadel unter dem Leiter wird dabei abgelenkt. Die Ablenkung des N zeigt der Daumen der rechten Hand, die sich über dem Leiter befindet, an. Die Fingerspitzen zeigen in Stromrichtung.

7. Feldlinien Der Nordpol der Magnetnadel zeigt die Richtung der Feldlinien an.

8. Verlauf der magnetischen Feldlinien S N

9. Magnetfeld um einen stromdurchflossenen Leiter Wenn man mit der rechten Hand einen stromdurch-flossenen Leiter so umfasst, dass der Daumen in Strom richtung zeigt, dann zeigen die Fingerspitzen die Richtung der magnetischen Feldlinien an.

10. Die magnetische Induktion B B ist eine Vektor B B ist tangential zu den Feldlinien Einheit von B: Tesla B: magnetische Feldstärke B

11. I – B – F Betrag der Kraft: F = (Q.v) . B F = I x B

12. Das Kreuzprodukt

13. Drei-Finger/Rechtehandregel

14. Richtung und Größe des Magnetfeldes • Richtung festgelegt durch Rechte-Hand-Regel • B im Abstand r ... absolute Permeabilität I ... Strom R ... Entfernung I r X

15. Beispiele für Magnetfelder • Stromleitungen im Haushalt bis 10-5 T • Erdmagnetfeld 5 . 10-5 T • Sonnenoberfläche 10-2 T • Sonnenflecken 0,3 T • Elektromagnet bis 50 T • Oberfläche eines Neutronensterns 108 T

16. Das Magnetfeld von Spulen

17. Rechte-Hand-Regel(Nordpol beim Magnetfeld einer Spule) • Fingerspitzen in Stromrichtung • Der Daumen zeigt in Richtung des Nordpols

18. Rechte-Hand-Regel(Nordpol beim Magnetfeld einer Spule) • Pfeile zeigen die Stromrichtung an S N Spulenende

19. Magnetische Induktion B einer Spule B ist abhängig von • Stromstärke: I • Anzahl der Windungen: N • Spulenlänge: l • Eisenkern: μr (relative Permeabilität)

20. Magnetische Induktion B einer Spule μrgibt die Verstärkung des Magnetfeldes durch einen Eisenkern an Fe: μr max = 2.105

21. Materie im Magnetfeld • Elektronen bewirken Magnetfelder (Elementarmagnete) • Magnetfelder benachbarter Atome richten sich parallel aus (-> Weiß‘sche Bezirke)

22. Materie im Magnetfeld • Eisenähnliche Stoffe: Ferromagnetika (Eisen, Nickel, Kobalt) • Ummagnetisierung durch äußeres Magnetfeld • Entfernung eines vorhandenen Magnetfeldes:- Curietemperatur (Fe: 770° C)- mechanische Einwirkung

23. Lorentz-Kraft - Gesetz F = Q.v.B F = Q.v x B

24. Lorentz-Kraft: Anwendungen 1. Anwendung: Der Elektromotor F F = Q.v.B F = Q.v x B I B

25. Lorentz-Kraft - Gesetz Kräftepaar erzeugt ein Drehmoment F1 Leiterschleife F2

26. Lorentzkraft: Anwendungen Ablenksystem: Magnetfelder (horizontal, vertikal) Geheizte Kathode 2. Anwendung: Die Kathodenstrahlröhre Anwendung: Bildschirm (Oszilloskop) Elektronen werden mit Magnetfeldern abgelenkt

27. Lorentzkraft: Anwendungen 3. Anwendung: Die elektromagnetische Induktion - + v v F B Wird eine Leiterschleife in einem Magnetfeld bewegt, dann werden in ihr Ladungen (Elektronen) verschoben und somit eine Spannung erzeugt.

28. Die elektromagnetische Induktion • Eine induzierte Spannung entsteht nur dann, wenn sich entweder das Magnetfeld oder die von der Leiterschleife eingeschlossene und vom Magnetfeld durchsetzte Fläche mit der Zeit ändert.

29. Die elektromagnetische Induktion Änderung der durchflossenen Fläche

30. Die elektromagnetische Induktion Warum ändert sich die Stromrichtung/die Spannung? Antwort: Die Richtung der Lorentzkraft auf die Ladungen im Leiter hängt von der Bewegungsrichtung des Leiters ab.

31. Der magnetische Fluss Der magnetische Fluss: Φ = A.B A..... Flächenvektor B..... magnetische Induktion Einheit: Weber

32. Der Flächenvektor Der Flächenvektor A φ Die von den Vektoren a und b aufgespannte Fläche entspricht dem Betrag (der Länge) des Vektors a x b

33. Die wirksame Fläche rotierende Leiterschleife

34. Die wirksame Fläche wirksame Fläche

35. Die wirksame Fläche As: wirksame Fläche

36. Die wirksame Fläche – magnetischer Fluss A Der magnetische Fluss: B.A = B.A.cos φ= Φ

37. Das Induktionsgesetz Wenn sich der magnetische Fluss durch eine Leiterschleife ändert, dann wird in ihr eine Spannung induziert: Anmerkung: für N Leiterschleifen gilt

38. Flussänderung falsch abgeleitet! Sprich: „d phi nach dt“ Ableitung des Flusses nach der Zeit: B=konstant!

39. Flussänderung richtige Ableitung: B=konstant!

40. Die induzierte Spannung A... Fläche der Leiterschleife B... magnetische Induktion ω... Kreisfrequenz Frequenz f: ω=2πf Haushaltsstrom: f = 50 Hz

41. Beispiele für Ableitungen pV=nRT • Allgemeine Zustandsgleichung für Gase: • Das Ohm‘sche Gesetz: U=IR

42. Die Lenz‘sche Regel - DasMinuszeichendrückt die Lenz‘sche Regel aus: Der Induktionsstrom ist stets so gerichtet, dass er seiner Ursache entgegengerichtet ist.

43. Die Lenz‘sche Regel • Beispiele: • Das Waltenhofen‘sche Pendel • Versuch nach Arago • Thomson‘sche Kanone

44. Die Lenz‘sche Regel • Beispiele: • Das Waltenhofen‘sche Pendel Metallplatte pendelt durch das Magnetfeld

45. Die Lenz‘sche Regel Der magnetische Fluss durch die Metallplatte ändert sich beim Hindurchbewegen -> Strom wird induziert -> dieser ist seiner Ursache (Bewegung) entgegengesetzt-> Abbremsung Verhindert den ungebremsten Stromfluss

46. Die Lenz‘sche Regel • Versuch nach Arago Der magnetische Fluss durch den Ring ändert sich -> Strom wird induziert -> dieser ist seiner Ursache (Rotation des Magnetfeldes) entgegen-gesetzt -> Rotation Metallring dreht sich im Magnetfeld mit

47. Die Lenz‘sche Regel • Die Thomson‘sche Kanone Der magnetische Fluss durch den Ring ändert sich -> Strom wird induziert -> dieser ist seiner Ursache (Magnetfeld) entgegengesetzt -> Bewegung aus dem Magnetfeld Metallring wird nach oben geschleudert

48. Die Lenz‘sche Regel • Anwendungen: • Der Stromzähler • Die Wirbelstrombremse

49. Die Lenz‘sche Regel Der Stromzähler Der durch Haushaltsstromleitungen fließende Strom bringt eine drehbare Leichtmetall-scheibe zum Rotieren. Mit dem Strom steigt die Rotationsge-schwindigkeit. Somit ist die Anzahl der Umdrehungen pro Zeiteinheit ein Maß für den Verbrauch.

50. Die Lenz‘sche Regel Die Wirbelstrombremse Straßenbahn, LKW Eine direkte Anwendung des Waltenhofen‘schen Pendels: Ein Magnetfeld bremst eine rotierende Metallscheibe. Die Stärke des Magnetfeldes wird vom Lenker des Fahrzeuges verändert.