Elektromagnetische Induktion

1. Elektromagnetische Induktion

2. Stromdurchflossener Leiter im Magnetfeld (Wiederholung) - + Als Folge der Lorentzkraft auf bewegte Ladungen erfährt der Leiter eine Kraftwirkung (elektromotorische Kraft). (Effekt von Ch. Oersted 1820) B FL Kraftwirkung auf den Leiter v Elektronenbewegung

3. Bewegter Leiter im Magnetfeld Wird ein metallischer Leiter in einem Magnetfeld durch eine äußere Kraft bewegt, so werden damit auch die in ihm enthaltenen Ladungen bewegt. (M. Faraday 1831) U Durch die senkrecht zum Magnetfeld bewegten Ladungen werden diese auf Grund der Lorentzkraft längs des Leiters verschoben. Es entsteht eine Spannung zwischen den Leiterenden; die sog. Induktionsspannung Uind

4. Induktion im bewegten Leiter Die Bewegungsrichtung der Elektronen, kann mit der „UVW-Regel“ bestimmt werden. U Kraft auf die Ladungsträger FL B v Leiterbewegung Die „Ursache“ ist hier nicht die Stromrichtung längs des Leiters, sondern die Leiterbewegung. Denn: Leiterbewegung ist Ladungsbewegung!

5. Drehung einer Leiterschleife im Magnetfeld - Drehung durch äußere Krafteinwirkung - Elektronenfluss im Leiter (nach Linke-Hand-Regel) Anschluss eines Verbrauchers: + - - + + - - +

6. Induktion in Spulen U Ursächlich für die Induktionsspannung ist die Relativbewegung zwischen Spule und inhomogenem Magnetfeld.

7. Lenz´sche Regel Die durch Induktion auftretende Größe (egal ob Magnetfeld, Spannung oder Strom) ist stets so gerichtet, dass sie ihrer Entstehungsursache entgegenwirkt.

8. Lenz´sche Regel „Abstoßung der Felder“ N S S N „Mitnahme der Felder“ Der Induktionsstrom (Wirbelstrom) ist stets so gerichtet, dass das durch ihn entstehende Magnetfeld seiner Entstehungsursache entgegenwirkt. 8

9. Induktion im bewegten Leiter (Lenz´sche Regel) I Ersetzt man beim Leiterschaukelversuch von Folie 4 den Spannungsmesser durch ein Amperemeter, so kann im Leiterkreis ein Strom fließen, sobald man mit einer äußeren Kraft Fa an ihm zieht. B Elektronen- fluss v Fa FL FL (Kraft-)Wirkung (entgegen der Ursache)

10. Selbstinduktion - Einschaltvorgang (Erzeugung von Induktionsspannungen ohne Bewegung von Leitern im Magnetfeld) Beim Einschalten leuchtet das mit der Spule in Reihe geschaltete Lämpchen erst später auf. I IL1 L1 L2 IL2 0 24V – t Iind Das sich aufbauende Magnetfeld der Spule hat einen Induktionsstrom zur Folge, was (nach der Lenz´schen Regel) dazu führt, das der Strom durch die Spule nur langsam ansteigt.

11. Selbstinduktion – Ausschaltvorgang (1) I 24V – 0 I t Beim Ausschalten bricht das Magnetfeld der Spule zusammen. Die an den Spulenanschlüssen auftretende Induktionsspannung Uind dient nach dem Öffnen des Schalters jetzt als Spannungs/Stromquelle.

12. Selbstinduktion – Ausschaltvorgang (2) U Uind U0 = 24V – U0 0 t Wenn der Strom nicht über einen Parallelzweig abfließen kann, so kann beim Ausschalten ein „Abreißfunken“ entstehen.

13. Selbstinduktion – Ausschaltvorgang (3) Beim Schließen des Schalters steigt der Strom nur langsam an; die Induktionsspannung Uind ist dabei nie höher als die Batteriespannung (2V). Beim Öffnen bricht das Magnetfeld sehr schnell zusammen und Uindwird sehr hoch. 13

14. Wechselstromgenerator (rotierende Leiterschleife im Magnetfeld) www.physik3D.de

15. Gleichstromgenerator Die Wechselspannung kann durch einen Kommutator in eine pulsierende Gleichspannung umgeformt werden. www.physik3D.de

16. Innenpolgeneratoren werden als Erregermaschinen für Außenpolgeneratoren verwendet. Generatoren Innenpolgenerator Außenpolgenerator www.wikipedia.de Beim Außenpolgenerator bewegt sich die Induktionsspule zwischen den Polen eines Magneten. Die Schleifringe können durch Funkenbildung beschädigt werden. www.hellfirez.de

17. Wirbelströme Ein sich zeitlich änderndes inhomogenes Magnetfeld induziert in einem Eisenkern einen geschlossenen Induktionsstrom (Wirbelstrom), dessen Magnetfeld gegen das ursächliche Magnetfeld wirkt. Kraftwerksgeneratoren haben Wirkungsgrade von bis zu 90%. Um dies zu erreichen, werden z. B. die Wirbelströme durch lamellenartige Bleche klein gehalten.

18. Wirbelströme 1 Ein Magnet mit senkrecht zum Leiter gerichteter Feldstärke wird von links über einen Leiter bewegt: Es entsteht eine Kraft in Bewegungsrichtung

19. Wirbelströme 2 • Bei Bewegung eines leitenden Materials in einem inhomogenen Magnetfeld beschleunigt die Lorentzkraft die Ladungsträger zu einem Stromsenkrecht zur Richtung von Feld und Geschwindigkeit • Zum Ladungsausgleich fließt der Strom im Magnetfeld- freien Raum wieder zurück • Ein Magnetfeld-freier Raum im Leiter ist daher Voraussetzung für Wirbelströme („inhomogenes Magnetfeld“)

20. Wirbelströme 3 Die Lorentzkraft bewegt die Ladungsträger (orange) im Material nach unten, es entstehen Ströme (dicke blaue Pfeile). Die Ladungsträger nähern sich von rechts dem Magnetfeld.

21. Wirbelströmen 4 Zum Ladungsausgleich fließt der Strom im Magnetfeld-freien Raum wieder zurück

22. Kräfte zwischen den Magnetfeldern Anziehend Abstoßend Die kreisförmigen Magnetfelder um die Wirbelströme im Leiter stoßen das annähernde M-Feld ab und ziehen das entfernende an

23. Kräfte durch Wirbelströme • Die Magnetfelder um die im Leiter induzierten Ströme wirken • abstoßend gegenüber dem nahenden Feld • anziehend gegenüber dem davoneilenden Feld • Es resultiert eine Kraft • Die Wirkung dieser Kraft gleicht die die Geschwindigkeiten von Leiter und Magnetfeld an. Waltenhofen‘sches Pendel www.meb-online.de

24. Bewegung durch Wirbelströme Es entsteht eine Kraft in Bewegungsrichtung

25. Anwendungen von Wirbelstromen • Drehstrom-Motor mit „Kurzschlussläufer“ • Wirbelstrombremse im ICE (Schienenfahrzeugen)

26. (1) Drehstrom-Motor U2 Blauer Pfeil: Magnetische Feldstärke im Raum zwischen den Spulen (einDauer-magnetläuft genauso schnell wie das Wander-feld, „synchron“) U3 U1

27. (1) Drehfeld mit Läufer U2 „Kurzschlussläufer“ einfachste Bauart : Zylinder mit einer kurzgeschlossenen Windung U3 U1 Die Wirbelströme im Läufer koppeln den Läufer an das wandernde Magnetfeld, aber mit „Schlupf“ (asynchron).

28. Funktion der Wirbelstrombremse im ICE • Orange: In der Schiene induzierte Ströme • Blau: Magnetfelder

29. Grundprinzip des Transformators (1) Die Spule 1(Primär-, Feldspule) kann ein Magnetfeld aufbauen, wenn sie von einem Strom durchflossen wird. Dieses Magnetfeld durchsetzt auch Spule 2 (Sekundär,- Induktionsspule) und kann in ihr eine Spannung induzieren. (1) Ist der Schalter geöffnet, fließt kein Strom. (2) Der Schalter wird geschlossen: Spule 1 baut ein Magnetfeld auf; dieses steigende Magnetfeld durchsetzt auch Spule 2. In Spule 2 entsteht eine Induktionsspannung. (3) Das Magnetfeld in Spule 1 ist voll aufgebaut und ändert sich nicht mehr. In Spule 2 ändert es sich ebenfalls nicht. keine Induktionsspannung (4) Der Schalter wird geöffnet. In Spule 1 und 2 nimmt das Magnetfeld ab. Es entsteht wieder eine Induktionsspannung.

30. Grundprinzip des Transformators (2) Ein Eisenkern in der Feldspule verstärkt die Feldänderung. • Beim Auf- und Abbau des Magnetfeldes werden • die Elementarmagnete im Eisenkern ausgerichtet • und verstärken so die Änderung des Gesamtfelds • der Spule. • „Magnetfeldlinien werden gebündelt“ Dadurch ändert sich auch das Feld in Spule 2 stärker, was wiederum eine größere Induktionsspannung ergibt. Spule 2

31. Grundprinzip des Transformators (3) Zwei Spulen auf einem Eisenkern = Transformator Besonders gut wird der Effekt, wenn Spule 1 und Spule 2 einen Eisenkern tragen und dieser geschlossen wird. Die ringförmigen magnetischen Feldlinien verlaufen dann vollständig im Eisenkern. Eine solche Anordnung nennt man einen Transformator. Für einen Transformator gilt: U1/U2 = N1 /N2,Windungszahlen N Energieübertragung: U1 · I1 = η · U2 · I2

32. Hochspannungstransformator 2mm 230V~ 600 Windungen 24000 Windungen

33. Hochstromtransformator Arbeit mit vergleichsweise geringen Spannungen: Sekundärseitig fließt ein großer Strom I2. => Reibungswärme => Der Nagel glüht auf und schmilzt durch. Wasser kocht, Metall schmilzt. Solche Hochstrom- transformatoren werden beim Schweißen (U = 4 V) oder Schmelzen von Metallen eingesetzt.

34. Hochspannungsübertragung Verringerung der Leitungsverluste durch Hochspannung UG = 22 kV UL = 220 kV UV = 220 V PG = 110 MW PL = 110 MW PV = 110 MW IG = 5000 A IL = 500 A IV = 500.000 A Pth = 12,5 kW/km Für 50km Leitungslänge: Pth = 625 kW ≈ 0,6% von PL mit UL = 22 kV gerechnet: Pth = 62,5 MW ≈ 60% von PL 34 I = P/U Leitungswiderstand: R = 0,05 Ω/km Leitungsverlust: Pth = R ∙ I²