Lernauftrag 1: Grundlagen Elektromagnetismus
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Die Wirkungsweise von Elektromotoren, Transformatoren, Schützen und anderen elektrischen Geräten beruht auf den Eigenschaften des Magnetismus. Durch den Magnetismus entstehen magnetische Felder, deren Kräfte und Wirkungen dabei technisch genutzt werden.
Aufgabe 1: Eigenschaften der Magnete und Darstellungshilfen
Informiere dich über Stoffe, die magnetisiert werden können und wie diese dargestellt werden. Erstelle eine Übersicht und orientiere dich an folgenden Punkten:
- Ferromagnetische Stoffe
- Kraftwirkung magnetischer Pole (zueinander)
- Magnetisierung von ferromagnetischen Stoffen
- Magnetisches Feld
- Magnetischer Feldlinienverlauf
Fließt Strom durch einen Leiter, so entsteht um diesen Leiter herum ein magnetisches Feld. Die Richtung des Stromes im Leiter wird durch Symbole gekennzeichnet. Fließt der Strom aus dem Leiter heraus, so zeichnet man in den Leiterquerschnitt einen Punkt (·). Fließt er in den Leiter hinein, so zeichnet man ein Kreuz (x).
Aufgabe 2: Magnetfeld stromdurchflossener Leiter
Informiere dich über stromdurchflossene Leiter/Spulen und deren Magnetfeld. Erstelle eine Übersicht und orientiere dich an folgenden Punkten:
- Verlauf der magnetischen Feldlinien eines stromdurchflossenen Leiters: Schraubenregel bzw. Rechtsschraubenregel
- Stromdurchflossene Spule als Elektromagnet
- Verlauf der magnetischen Feldlinien einer stromdurchflossenen Spule: Spulen-Regel
Der Zusammenhang zwischen Stromstärke und Magnetfeld ist im Durchflutungsgesetz definiert. Das Durchflutungsgesetz sagt, dass jeder stromdurchflossene Leiter um sich herum eine elektrische/magnetischen Durchflutung (magnetische Urspannung) \(\Theta\) erzeugt.
Um einen stromdurchflossenen Leiter (Draht) bildet sich durch Elektronenbewegung ein Magnetfeld. Liegen, wie bei einer Spule, die stromdurchflossenen Leiter nebeneinander, steigt die magnetische Durchflutung mit der Anzahl der Spulenwindungen. Die Summe der Ströme durch die Leiter nennt man magnetische Durchflutung \(\Theta\) (Theta). Da die magnetische Durchflutung für das magnetische Feld verantwortlich ist und die elektrische Spannung in einem Stromkreis den elektrischen Strom auslöst, wird sie auch als magnetische Urspannung bezeichnet
Aufgabe 3: Magnetische Größen
Informiere dich über die magnetischen Größen. Erstelle eine Übersicht und notiere jeweils eine kurze Erläuterung, Formelzeichen, Einheit und Formel für folgende Größen:
- Magnetische Durchflutung \(\Theta\) (am Beispiel der Spule)
- Magnetische Fluss \(\Phi\)
- Magnetische Flussdichte \(B\)
In elektrotechnischen Geräten kommt es sehr häufig vor, dass sich stromdurchflossene Leiter/Spulen in einem Magnetfeld befinden. Beispiele für derartige Geräte sind zum Beispiel: Elektromotoren, Generatoren, Transformatoren, Schütze, Relais, RCD’s. Dabei ist das Kraftwirkungsgesetz zu beachten.
Das Kraftwirkungsgesetz sagt, dass auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld eine Kraft wirkt. Die Richtung der Kraft ist abhängig von der Richtung des Magnetfeldes und der Richtung des Stromes im Leiter.
Aufgabe 4: Stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld
Informiere dich über stromdurchflossene Leiter / Spulen im Magnetfeld. Erstelle eine Übersicht und orientiere dich an folgenden Punkten:
- Ablenkung eines stromdurchflossenen Leiters im Magnetfeld (von was hängt die Ablenkung ab?)
- Motorregel (linke Hand)
- Ablenkkraft (Lorentzkraft): Formel und Erläuterung der einzelnen Größen (Kraftwirkungsgesetz)
- Motorprinzip
- Ablenkung einer stromdurchflossenen Spule im Magnetfeld
Als zusätzliche Veranschauung ein kurzes Video:
https://www.youtube.com/watch?v=hsPiRwNpu6w
Wird ein Leiter/Spule (nicht stromdurchflossen!!!) durch ein Magnetfeld geführt, so bewegen sich mit ihm auch seine freien Elektronen. Bewegte Elektronen werden von einem Magnetfeld durch die Lorentzkraft senkrecht zu ihrer Bewegungsrichtung abgelenkt. Auf der einen Seite des Leiters bildet sich ein Elektronenüberschuss, auf der anderen Seite ein Elektronenmangel. Zwischen den Leitern entsteht eine Spannung.
Aufgabe 5: Spannungserzeugung durch Induktion
Informieren Sie sich über Spannungserzeugung durch Induktion bzw. über das Generatorprinzip (Induktion durch Bewegung). Erstellen Sie eine Übersicht
- Abhängigkeit der Richtung/Höhe der induzierten Spannung
- Generatorregel (rechte Hand)
- Lenzsche Regel
Simulationstool:
https://phet.colorado.edu/sims/html/faradays-law/latest/faradays-law_de.html
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Bildersammlung
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i)
j)
k)
l) Kreuze an, in welche Richtung die resultierende Kraft wirkt
m)
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q)
r)
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t)
