Elektromagnetismus PDF

I Elektromagnetismus Wiederholung: GRUNDERSCHEINUNGEN DES MAGNETISMUS Körper, die Eisen, Nickel oder Kobalt anziehen heißen (Permanent-)Magnete. Stoffe die von Magneten angezogen werden, nennt man ferromagnetisch. Die Stellen mit der stärksten magnetischen Wirkung nennt man Pole....

I Elektromagnetismus Wiederholung: GRUNDERSCHEINUNGEN DES MAGNETISMUS Körper, die Eisen, Nickel oder Kobalt anziehen heißen (Permanent-)Magnete. Stoffe die von Magneten angezogen werden, nennt man ferromagnetisch. Die Stellen mit der stärksten magnetischen Wirkung nennt man Pole. Ein Magnet hat zwei verschiedene Pole, den Nordpol und den Südpol Magnete üben auf ferromagnetische Stoffe eine anziehende Kraftwirkung aus. Je näher das Objekt am Magneten ist, desto stärker ist diese Kraftwirkung. Die Kraftwirkung lässt sich durch Papier, Holz oder z.B. der bloßen Hand nicht verringern. - 111 I i I I Je näher sich die beiden Pole sind, desto stärker ist ihre Anziehung bzw. Abstoßung. Nordpol (rot) Südpol (grün) Modellvorstellung: Elementarmagnete durchschneiden * inmernoch Alle magnetisierbaren Körper bestehen aus winzigen Bereichen, die gleiche Pole sich wie Magnete verhalten. Man nennt sie Elementarmagnete. Sind diese ungeordnet, so ist der Körper nach außen hin unmagnetisch. Sind sie dagegen mehrheitlich gleich ausgerichtet, so ist der Körper magnetisch. · ferromagnetisch Streicht man mit dem Pol eines starken Magneten mehrmals in gleicher Richtung über einen Körper aus Eisen oder Stahl, so wird er selbst zum Magneten. Durch Erhitzen oder starkes Erschüttern kann man den Körper wieder entmagnetisieren. In der unmittelbaren Gegenwart von Magneten werden ferromagnetische Körper selbst magnetisch. Diese Erscheinung nennt man magnetische Influenz. Elektromagnetismus 1 Magnetische Wirkung des elektrischen Stroms: Versuch von Oersted Richte ein Stück Draht in Nord-Süd-Richtung aus und positioniere direkt daneben eine Magnetnadel (siehe auch LEIFI: Oersted-Versuch). Beobachtung: Wird der Draht von Strom durchflossen, so wird die Magnetnadel aus ihrer Nord-Süd- Richtung abgelenkt, und zwar umso stärker, je mehr Strom fließt. Ändert man die Richtung des Stromflusses, so wird die Magnetnadel in die andere Richtung ausgelenkt. Elektrischer Strom hat auch eine magnetische Wirkung. Aufgaben: S.11 Elektromagnetismus 2  13 09. 24. SNS SN W SN N Bei Polen gegensätzlichen : Anziehungskraft: gleiche Pole stoßen sich ab Tim hat recht , da beim durchsägen zwar der Magnet getrennt nich Nord- und Sidpol wird , aber. In den neuen Magneten bilden sich einfach neue Nord- und Sidpol Ursache Aufbau : der Elementarmagneten. An Schnittstelle ergeben die Elementarmagnete wieder neue Pole Eisen ist Wenn Eisennagel magnetisierbar. man mit Stabmagneten immer in der gleichen Richtung über den streicht , wird diese ebenfalls nicht magnetisch. Mit Kupfer und Aluminium möglich , da es keine ferromagnetische Gegenstände sind. * h · # · * · · · Eisenstab erhitzen oder kräftig mit einem Hammer bearbeiten. Elektromagnetismus 3  Sh Wiederholung: ELEKTRISCHER STROMKREIS Elektrischer Strom: gerichtete Bewegung von Ladung Stromrichtung: von Plus nach Minus (Elektronen andersrum) Gleich- und Wechselstrom: Elektrische Ladung Q: Gibt an wie stark ein Körper geladen ist. Körper mit Elektronenüberschuss sind negativ geladen. Elektronenmangel à positiv geladen. ∆" $% Elektrische Stromstärke I: ! = ∆# , Einheit: 1$ = $& Elektrisches Potential: Das elektrische Potential gibt an, wie viel potentielle Energie pro Ladung bezüglich eines Nullpunkts (meist der Minuspol einer Spannungsquelle) vorhanden ist. ∆'!"# Elektrische Spannung: % = " , Einheit: 1V Potentialdifferenz Elektrische Energie: ∆(() = ∆) ∙ % Einheit 1J ∆" Wegen : ! = ∆# ergibt sich ∆(() = % ∙ ! ∙ + Elektrische Leistung: Änderung der elektrischen Energie pro Zeit ∆' * ,() = ∆#$% Einheit 1W= & Außerdem ,() = % ∙ ! Wirkungsgrad: Der Wirkungsgrad gibt an, zu welchem Anteil die zugeführte Energie in nutzbringende Energie umgewandelt wird. (+,#- -= (-, Aufgaben S.13 Elektromagnetismus 4 6 12 24.. ! Wiederholung: ELEKTRISCHER STROMKREIS WSA - Elektrischer Strom: gerichtete Bewegung von Ladung Stromrichtung: von Plus nach Minus (Elektronen andersrum) Gleich- und Wechselstrom: Elektrische Ladung Q: Gibt an wie stark ein Körper geladen ist. Körper mit Elektronenüberschuss sind negativ geladen. Elektronenmangel à positiv geladen. ∆" $% Elektrische Stromstärke I: ! = ∆# , Einheit: 1$ = $& Elektrisches Potential: Das elektrische Potential gibt an, wie viel potentielle Energie pro Ladung bezüglich eines Nullpunkts (meist der Minuspol einer Spannungsquelle) vorhanden ist. ∆'!"# Elektrische Spannung: % = " , Einheit: 1V i Potentialdifferenz Elektrische Energie: ∆(() = ∆) ∙ % Einheit 1J ∆" [ Wegen : ! = ∆# ergibt sich ∆(() = % ∙ ! ∙ + Elektrische Leistung: Änderung der elektrischen Energie pro Zeit ∆' ,() = ∆#$% Einheit 1W= & * 1 = Ent = GOTe Außerdem ,() = % ∙ ! - Wirkungsgrad: Der Wirkungsgrad gibt an, zu welchem Anteil die zugeführte Energie in nutzbringende Energie umgewandelt wird. -= (+,#- (-, I ~ Q - t 1=. ~ 1, 69A = 2 2C 1 , 3s Aufgaben S.13 AQ , = 1. At St 872 4 13 4 A 40 3 , 055 = = mA- > A , , 72 1000 85mA +, 129 = 13 , 18 0 , 085 da 13 , 178 2 -.... Nr 4 1 21 0 0182. , , 15ms E Q 4 , 72.: 70y = ges = 0 015s. SE= 10. r + V = E =0 = 14 9. &Q Elektromagnetismus 4 DAS MAGNETFELD Wirkung eines Magneten ist auch noch in einiger Entfernung feststellbar (z.B. durch Ausrichtung einer Kompassnadel). Dieser Bereich wird ____________________________________________________ magnetisches Feld genannt. - K raft tritt auch ohne Berührung auf m it der Entfernung nimmt sie ab n icht abschirmbar (durch Papier , ) Hand,.. a uch im Vakuum DAS FELDLINIENMODELL Versuch: Magnetfeld eines Stabmagneten Mit Hilfe einer Magnetnadel (Probemagnet) kann in jedem Punkt eines Magentfeldes die Feldrichtung ermittelt werden. Die Kompassnadeln richten sich in Richtung der magnetischen Kraft aus. An den Punkte intury PiQ wird eine Kompag [ ⑭ Magnetische Felder veranschaulicht man mithilfe von Feldlinien: Vereinbarung: Feldlinien von Dauermagneten verlaufen vom Nord- zum Südpol. Feldlinien schneiden sich nicht. Je dichter die Feldlinien verlaufen, desto stärker ist das magnetische Feld Die Kraftrichtung zeigt immer tangential zu den Feldlinien. Achtung: Hier handelt es sich um eine Modellvorstellung! Auch zwischen den Magnetfeldlinien existiert ein Magnetfeld. Magnetfelder sind dreidimensional Elektromagnetismus 5 Weitere Beispiele: Im Inneren des Hufeisenmagneten verlaufen die Feldlinien parallel. In diesem Bereich ist das Feld an allen Stellen gleich stark und gleichgerichtet. Man bezeichnet derartige Felder als e homogene Magnetfelder. Skizziere deine Beobachtungen hier: · G App : Magnetic Forc Elektromagnetismus 6  FELDER IN DER PHYSIK Wird jedem Punkt eines Raumes eine bestimmte physikalische Größe zugeordnet, spricht man von einem Feld. Man unterscheidet Skalarfelder (Zahl ohne Richtung z.B. Temperaturfeld) und Vektorfelder (Betrag und Richtung z.B. Magnetfeld). Weitere Beispiele: Elektrisches Feld (Vektorfeld) Gravitationsfeld (Vektorfeld) Druckfeld (Skalarfeld) ANWENDUNG IN DER TECHNIK – Supraleiter S.21 DAS ERDMAGNETFELD Die _________________Pole magnetischen der Erde fallen nicht mit den geographischen Polen zusammen, beide Polarten sind aber doch so nahe beieinander, sodass man sich mit einem Kompass relativ einfach auf der Erdoberfläche in Richtung Nord orientieren kann. Der magnetische Südpol befindet sich dabei in der Nähe des _____________________________________________. geographischen Nordpols Eine Kompassnadel zeigt nicht genau Richtung Norden, da der magnetische Südpol nicht genau auf dem geografischen Nordpol liegt. Diese Missweisung nennt man ___________________________________________ Deklination. Wirkung relativ schwach, vergleichbar mit der eines riesigen Stabmagneten Erdmagnetfeld: Deutschland: 20 !" (T: Tesla) , an den Polen: 60 !" ( vgl: Neodym: ca. 1,3 T) schützt uns vor energiereichen, geladenen Teilchen (Sonne, Weltraum) Ursache: Auf- und abströmendes flüssiges Eisen im äußeren Erdkern Inklination Winkel unter dem die Feldlinien zur Erdoberfläche stehen. An den Polen: 90°, Deutschland: 62° bis 70° Polumkehr ca. alle 250.000 bis 750.000 Jahre (aus Gesteinsproben ermittelt) Elektromagnetismus 7  Af - gem 2 M * 1) S N O w S Pole und Geographische magnetische Pole der Erde sind gerade vertauscht. j In der Nähe des geografischen Nordpols befindet magnetische Südpol und in der Nähe des geo Südpols befindet sich Sich der. der magnetische Nordpol. Geografische und magnetische Pole fallen nicht genau zusammen. Elektromagnetismus 8 MAGNETFELD EINES GERADEN LEITERS Versuch: Magnetfeldlinien um einen geradlinigen Leiter 1. Ein gerader Leiter wird senkrecht durch ein Papier gesteckt. Anschließend schließt an ihn an eine Spannungsquelle an und streut Eisenfeilspänne auf das Papier und beobachtet was passiert, wenn Strom durch den Leiter fließt 2. Nun stellt man zusätzlich eine Kompassnadel in die Nähe des stromdurchflossenen Leiters und polt die Spannungsquelle anschließend um. Beobachtung: Die Eisenspäne ordnen sich in konzentrischen Kreise (sie haben ein Mittelpunkt) um den Leiter an. Wird umgepolt dann , dreht sich die Magnetnadel um 180s Folgerung: Das Magnetfeld eines stromdurchflossenen geraden Leiters wird durch ________________________________________________ Konzentrische Kreise beschrieben. Ändert man die Richtung des Stromflusses durch den Leiter, so ändert sich auch die _____________________________________________________. Orientierung des Magnetfelds (Richtung Pfeille) der Beachte: Die Feldlinien sind nun geschlossen. Sie beginnen damit nicht an einem Nordpol und enden nicht an einem Südpol. ↑ Rechte-Faust-Regel: · Umfasst man den Leiter mit der rechten Hand, sodass der Daumen in die Stromrichtung (VOSICHT: von + zu - ,also entgegen der Elektronenbewegung) zeigt, dann zeigen die gekrümmten Finger die Richtung der magnetischen Feldlinien an. Spitze* des Pfeils Elektromagnetismus 9 MAGNETFELD STROMDURCHFLOSSENER SPULEN Versuch: Eisenfeilspänne in Magnetfeld einer stromdurchflossenenen Spule Das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule ähnelt dem eines Stabmagneten. Ausschalten magnetische Wirkung mehr · keine · Umpolen Orientierung des Magnetfeldes ändert sich · Die Stärke des Magnetfeldes einer Strom durchflossenen Spule ist umso größer , - je größer die Stromstärke in der Spule - je größer die Windungszah der Spule - je kürzer die Spule ist Eisenkern verstärkt · das Magnetfeld ↑ Elektromagnetismus 10 · Strom fließt durch Spule Magnetfeld · entseht ↳ Eisenstäbe werden magnetisiert * gleichnamige Pole Liegen derselben Seite - Eisenstäbe stoßen sich ab mummung Elektromagnetismus 11 KRAFT AUF EINEN STROMDURCHFLOSSENEN LEITER IM MAGNETFELD Versuch: Ein gerader Leiter hängt frei beweglich im homogenen Magnetfeld eines Hufeisenmagneten und wird an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen -ye-fmagnetfeld Beobachtungen: · Sobald man den Schalt schließt , bewegt sich die Leiterschaukel geringe Stromstärke - geringere Auslenkung · kehrt Stromrichtung oder Magnetfeldrichtung um -* Auslenkung andere Richtung · man in Stärke der Auslenkung ändert sich mit dem Winkel zwischen Magnetfeldrichtung und Stromrichtung · maximal : wenn beide Richtungen senkrecht keine Parallel sind Auslenkung Wenn beide Richtungen = Erklärung: Auf einen stromdurchflossenen Leiter wirkt im Magnetfeld eine ____________. Kraft Diese __________________________ Kraft ist am größten, wenn die Stromrichtung ________________________ senkrecht zu den Feldlinien des Magnetfelds verläuft. Sie ist null, wenn sich die Ladung ______________________________zu Parallel den Magnetfeldlinien bewegt. Elektromagnetismus 12 Drei Finger Regel der rechten Hand: naumüt Leiterbewegtseinenmagneten · - hinaus Stinkefinger Die Richtung der Kraft ergibt sich aus der Drei-Finger-Regel (UVW-Regel): Daumen: Ursache Technische Richtung (+ nach I Zeigefinger: Vermittlung Richtung des Magnetfeldes Mittelfinger: Wirkung Richtung der Kraft Die drei Finger müssen immer senkrecht aufeinander stehen! -v keine Kraft wir Elektromagnetismus 13  V: Parallele Leiter Zwei stromdurchflossene Leiter werden parallel zueinander angebracht. B: ___________________________________________________________ Fließt der Strom gleiche Richtung in die sich , so ziehen die leiter an I I ⑳Richtung Magnetfeldee des ⑳ * F Kraftrichtung * I Stromrichtig F in - # mit 3 Finger Regel Daumen Stromrichtung nach unten Zeigefinger Magnetfel e nach : vorne Mittelfinger Kraftrichtung- nach links : VI LORENTZKRAFT V: Das Fadenstrahlrohr Aufbau: Elektronenkanone: eine Glühwendel wird erhitzt, so dass sich ________________________________________ Elektronen aus dem Metall lösen àdiese werden gebündelt zu einem Strahl und durch ein elektrisches Feld beschleunigt. Glaskolben: mit einem Gas gefüllt. Durch das ______________________________________ Stoßen der Elektronen mit dem Gas wird ________________________________ Licht ermittiert und so die Bahn der Elektronen sichtbar. Helmholtzspule: Sorgt dafür, dass der Glaskolben vom einem _______________________________________ homogenen Magnetfeld durchsetzt wird. Beobachtung: Der Strahl ist erst gerade, sobald ein Magnetfeld vorherrscht, wird er ___________________ abgelenkt ___________________________________________________ (- Kreisbahn) Erklärung: Auf Elektronen wirkt eine Kraft Diese ist senkrecht Magnetfeld die. zur Bewegungsrichtung und zum Magnetfeldlini , Drei Figuregel Elektromagnetismus was ist Lorenzwift 14 wo kennt sie her !  Auf ein geladenes Teilchen z.B. Elektron, welches sich in einem Magnetfeld nicht parallel zu den Feldlinien bewegt, wirkt eine Kraft, die man Lorentzkraft nennt. Die Richtung der Kraft kannst du mit der 3- Finger-Regel bestimmen. Vorsicht: Negativ geladene Teilchen: Daumen gegen Bewegungsrichtung Positiv geladene Teilchen: Daumen in Bewegungsrichtung Der Betrag der Lorenzkraft ist umso größer, je größer die ____________________________ elektrische Ladung ist je größer _______________________________ Geschwindigkeit ist je stärker _______________________________ Magnetfeld ist Da die Lorenzkraft senkrecht zur Bewegungsrichtung wirkt ändert sich nur die Richtung nicht aber der Betrag der Geschwindigkeit. möglich : Bei e linke hand * E E & ① - nach u. ⑧ noch ob D # = X X X + X Elektromagnetismus 15  Rotor(Anker) Statot Filmleiste: Elektromotor Ander M Kommutator Bürste (Schleifkontakte Anschlussklemme Rotor Anschlussklemme Auf beide Drahtstücke, die sich _______________ senkrecht & zum Magnetfeld befinden, wirkt eine ____________________. Kraft Dieses Kräftepaar bewirkt _________________________________________ Drehung im Magnetfeld Die Drahtenden der Leiterschleife sind mit zwei gegen- einander isolierte Halbringe aus Metall (=__________ Polwender ___________________) /kommutator verbunden. An diesen Halbringen liegen __________________ Schleifkontakte an, worüber die Leiterschleife mit der Stromquelle verbunden ist. Bei ________________ Senkrechter Stellung der Leiterschleife zum Magnetfeld (Bild C) ist die Gesamtkraft _____________. Aufgrund der Trägheit ___________ & ___________________________________________. sich die Leiterschleife weiter Zusätzlich wird bei dieser Stellung _____________, umgepolt da nun die beiden Halbringe durch das Weiterdrehen jeweils mit dem anderen Schleifkontakt in Berührung kommen. ___________________________________________ Das wirkende Kräftpaar bewirkt das sich das nun , ___________________________________________ weiterdreht ___________________________________________ Elektromagnetismus 16