Die Leiterschleife im Magnetfeld - Lorentzkraft

Induktion 1. Art - durch Bewegen des Leiters.

Mit dem hier abgebildeten Versuchsaufbau wird im Physikunterricht untersucht, wovon die Induktionsspannung beim Bewegen einer Leiterschleife in ein Magnetfeld abhängt. Eine lange Spule (rot) erzeugt ein homogenes Magnetfeld, dessen Stärke sich über den Spulenstrom beeinflussen lässt. (Netzgerät im Hintergrund mit Drehspulinstument). Die Spule hat in der Mitte eine Lücke. Ein langsam laufender Motor (mit dem Zeiger in der Mitte) bringt ein kleines Leiterrähmchen mit konstanter Geschwindigkeit in diese Lücke hinein, bzw. bewegt es aus ihr heraus. Die sich ergebende Induktionsspannung wird an den Anschlüssen des Leiterrahmens abgenommen und über einen Messverstärker verstärkt (im Vordergrund).

Detailaufnahme aus dem Versuchsaufbau und Schemazeichnung aus dem Java-Applet: Ein Leiterrähmchen (500 Wdg) wird mit langsam in das Magnetfeld der großen Feldspule eingebracht. Im unteren Teil des Leiterrähmchens - es ist schon im Feld der Feldspule - tritt die Lorentzkraft auf, führt zu einer Ladungstrennung und damit zu einer Induktionsspannung.

Im folgenden Applet ist dieses Experiment virtuell nachgestellt:

Das Magnetfeld ist der blaue Bereich. Das Feld sei homogen und scharf abgegrenzt. Im weißen Bereich wirkt kein Feld.

Fragen / Aufgaben:

1.) Die drei Phasen der Bewegung.

Belasse zunächst die Grundeinstellungen und klicke "Start".

• Wann tritt im unteren Leiterteil a erstmals eine Lorentzkraft auf (roter Pfeil)?
• Wann tritt im oberen Leiterteil b eine Lorentzkraft auf?
• Was kann man über die Richtung dieser beiden Lorentzkräfte sagen?
• Welche drei Abschnitte der Bewegung lassen sich unterscheiden?

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Ändere nun die Bewegungsrichtung auf "aus dem Feld".

• In welche Richtung weisen die Lorentzkräfte nun?
• Was hat sich sonst noch gegenüber vorher geändert?
• Lassen sich auch hier wieder drei Phasen der Bewegung unterscheiden?

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2.) Betrachtung der Induktionsspannung.

Wenn in ihnen eine Lorentzkraft auftritt, werden die beiden Spulenabschnitte a und b zu "kleinen Spannungsquellen".
Wähle unter "Darstellung" nun die Option "Spannungsquellen" aus. Immer wenn eine Lorentzkraft wirkt, wird nun das jeweilige Leiterstück durch eine Spannungsquelle symbolisiert.

• Wann tritt an den beiden Anschlüssen (links am Spulenrahmen) eine Induktionsspannung auf?
• Warum tritt an den Anschlüssen keine Spannung auf, wenn beide Leiterteile a und b im Feld bewegt werden?

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3.) Abhängigkeit der Induktionsspannung von der Geschwindigkeit v.

Stelle nun ein: Breite d = 0.05 m ; Flussdichte B = 0,01 T ; Windungszahl n = 100.

Ändere die Geschwindigkeit, mit der die Spule in das Magnetfeld bewegt wird (bzw. aus ihm heraus bewegt wird).

• Wie ändert sich dabei die Induktionsspannung?
• Welcher Zusammenhang zwischen der Induktionsspannung und der Geschwindigkeit v ergibt sich?

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4.) Abhängigkeit der Induktionsspannung von der magnetischen Flussdichte B.

Wähle als Geschwindigkeit wieder 0,02 m/s. Verändere nun die magnetische Flussdichte B.

• Wie groß ist die Induktionsspannung bei 0,01 T?
• Wie groß ist die Induktionsspannung bei 0,02 T?
• Welcher Zusammenhang zwischen der Induktionsspannung und der Flussdichte ergibt sich?

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5.) Abhängigkeit der Induktionsspannung von der Windungszahl n.

Wähle als Geschwindigkeit wieder 0,02 m/s und als magnetische Flussdichte 0,01 T.

• Welche Induktionsspannung ergibt sich bei 100 Windungen?
• Welche Induktionsspannung ergibt sich bei 200 Windungen?
• Welcher Zusammenhang zwischen der Induktionsspannung und der Windungszahl ergibt sich?

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6.) Abhängigkeit der Induktionsspannung von der Grundbreite der Leiterschleife.

Belasse alle Einstellungen und ändere nur die Breite d des Spulenrähmchens.

• Welchen Einfluss hat dies auf die Induktionsspannung?

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7.) Wir fassen alles zusammen.

Verändere nun mehrere Größen.

• Welchen Betrag hat die größte Induktionsspannung, die sich ergeben kann?
• Welchen Betrag hat die kleinste Induktionsspannung, die sich ergeben kann?

• Kannst du eine Proportionalität für die Induktionsspannung angeben, die alle Einflüsse berücksichtigt?

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Wie man den Vorgang auch noch betrachten kann wird auf dieser Seite vorgestellt.

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Die Simulationen entstanden mit Hilfe von Physlets von Wolfgang Christian und Mario Belloni vom Davidson College, USA   (Copyright Hinweise) © Javascript dieses Problems: Klaus-Dieter Grüninger, Landesbildungsserver Baden-Württemberg