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direkt zu Anwendungen − B-Feld Es soll in diesem Kapitel um Anwendungen gehen, die die Eigenschaften von Magnetfeldern bzw. die Lorentzkraft ausnutzen, um uns technischen Fortschritt zu bescheren. Es ist daher vernünftig noch einmal kurz auf die Lorentzkraft zurückzu- blicken, die wir ja am Beispiel der Leiterschaukel kennengelernt haben. Hierzu noch einmal zwei Abbildungen mit dem realen Experiment und dem Schema zur Erklärung der auftretenden Kräfte.
Zur Erinnerung: Befindet sich ein stromdurchflossener Leiter senkrecht in einem Ma- gnetfeld, erfährt der Leiter eine Lorentzkraft, die senkrecht zur Strom- richtung und Magnetfeldlinienrichtung steht. Es gilt die Drei-Finger- Regel. Hinweis: In dem obigen Beispiel befindet sich der Leiter an einer Aufhängung, so dass weitere Kräfte auftreten (s. ÜA Nr. 3). Hier
noch einmal eine Zusammenfassung aus dem Kapitel zur
Prinzip Wir sehen uns nun folgenden einfachen Aufbau an, der das Prinzip des Gleichstrommotors zeigt.
In einem äußeren Magnetfeld befindet sich eine eckige Leiterschleife, die von einem Strom durchflossen wird (die Abb. zeigt die technische
Strom-richtung). Man
sieht, dass es Leiterteile gibt (rechts und links), in denen die
Strom-richtung senkrecht zur Magnetfeldlinienrichtung zeigt. Es tritt also
eine Lorentzkraft
auf. Mit Hilfe der Drei-Finger-Regel erkennt man, dass links die Lorentzkraft nach
unten und rechts nach oben zeigt. Vorne
und hinten tritt keine Lorentzkraft auf, da Strom- und Feld- richtung
parallel stehen. Da die Leiterschleife auf einer Achse (nicht in der Abbildung sichtbar) drehbar
angebracht ist, wird sich nun die Leiterschleife entgegen dem Uhrzeigersinn drehen. Wir haben also folgende Ver- hältnisse:
Schauen wir uns das Ganze jetzt einmal nach einer Drehung von 90° an.
Das zunächst rechte Leiterteil ist jetzt oben und das linke Leiterteil unten zu finden. Die Richtungsverhältnisse haben sich nicht geändert. Also zeigen die Kraftpfeile immer noch in die gleiche Richtung. Zusätzlich treten jetzt auch Kräfte auf den vorderen und hinteren Leiterteil auf, da jetzt auch hier die Richtungen senkrecht zueinander stehen. Alle Kraftrichtungen führen aber zu keiner weiteren Drehung der Leiterschleife. Man spricht vom sogenannten Totpunkt. Die Leiter-schleife wird in diesem Punkt nur auseinandergezogen. Würde man mit der Stromzufuhr bei dieser Stellung der Leiterschleife beginnen, würde sich die Leiterschleife nicht in Bewegung setzen. Nun könnte man denken, dass die Leiterschleife in unserem Fall ja schon in Bewegung war und aufgrund der Trägheit sich einfach über diesen Punkt hinaus weiterdreht. Das Problem ist nur, dass die Kraftrichtung ja bleibt und die Kräfte jetzt so zeigen, dass die Schleife in die andere Richtung sich bewegt. Irgendwann wird die Schleife also im Totpunkt stehenbleiben. Der
Trick für eine dauerhafte Bewegung liegt darin, dass man die Stromrichtung
im Totpunkt ändert. Mit der Drei-Finger-Regel erkennt man dann
sofort, dass sich damit die Kraftrichtung ändert und somit für eine
weitere Drehung passt. Wie sieht nun so ein Polwender aus? Er besteht aus zwei metallischen Halbzylindern, die mit den Enden der Leiterschleife verbunden sind. Auf diesen Halbzylindern schleifen zwei Stromzuführungen, die soge- nannten Bürsten. Diese sind fest mit einem Pol der Gleichstromquelle verbunden. Die folgende Animation zeigt die Verhältnisse sehr an-schaulich.
Quelle: walter
fendt Um es noch einmal klarer darzustellen, habe ich einen Ausschnitt aus der Animation gewählt und so platziert und farbig geändert, dass er mit der obigen Skizze im Einklang ist.
Noch ein
Hinweis zur üblichen Benennung: Die rotierenden Teile
eines Elektromotors werden Rotor oder Anker und die feststehenden
Teile Stator genannt.
1. Spule auf Eisenkern Bei einer Leiterschleife hat man natürlich nur sehr kleine Drehkräfte. Man benutzt daher als erste Verbesserung mehrere Leiterschleifen, am besten zu einer Spule gewickelt, so dass ein Vielfaches an Kräften auf- tritt. Diese Leiterschleife wird noch auf einen Eisenkern gesetzt. Hier- mit erhält man ein zusätzliches magnetisches Feld, welches die Drehung unterstützt. Der Eisenkern hat häufig eine T-Form, so dass man vom 2−T−Anker oder Doppel−T−Anker spricht. Hinweis:
Häufig wird die Drehung der Leiterschleife auch mit Hilfe der auftretenden
Magnetfelder erklärt.
Es wirken das Magnetfeld der Leiterschleife bzw. Spule und das Magnetfeld des
Stators aufeinander
ein. Die folgenden Abbildungen zeigen den üblichen Aufbau:
Die Animation macht den Drehvorgang deutlich.
Quelle:
wikipedia In folgendem Video kann man sich auch noch einmal schön den Dreh- vorgang und die Aufgabe des Polwenders ansehen.
Quelle: Videoliste 1
Ausschnitt 2. Mehrere versetzte Spulen Die erste Verbesserung hat immer noch den Nachteil, dass der Motor im Totpunkt nicht anspringen würde. Er muss also angeworfen werden. Benutzt man nun drei oder mehr Spulen, so liegen immer mehrere Spulen so, dass ein Anlaufen möglich ist. Folgende Abbildungen zeigen Beispiele vom 3−T−Anker:
Man erkennt, dass der Polwender oder Kommutator jetzt entsprechend viele Unterteilungen haben muss, damit jede Spule im richtigen Moment mit Strom versorgt wird. Der Lauf des Motors wird umso gleichmäßiger je mehr Spulen vorhan- den sind. Auch wird dann die Kraft auf das Drehlager besser verteilt. In der Technik haben sich Trommelanker mit sehr vielen Wicklungen durchgesetzt. Versuche mit einfachsten
Elektromotoren Im
Internet gibt es vielfach Beispiele zur Herstellung von einfachsten Elektromotoren,
die man auch ohne Probleme in einer Physik-AG an- fertigen
kann, um sie z.B. in einer Physik-Show vorzuführen. Alle
Versuche lassen sich mit Lorentzkräften oder der Einwirkungen von Magnetfelder
erklären. In folgender Videoliste findet man eine Auswahl der
zahlreichen YouTube-Videos zu diesem Thema. Im
Folgenden werden Ausschnitte aus den Videos gezeigt mit den häufigsten
Versuchen.
Erklärung: 1. Einfachster Elektromotor der Welt Ich
beziehe mich bei meiner Erklärung der Drehung auf Erläuterungen von
Herrn Prof. Dr. Hans Schlichting, die mir für die Schule am sinn- vollsten
erschienen, obwohl sie immer wieder kritisiert werden (s.Link). Folgende
Abbildung erklärt die Verhältnisse:
Quelle: wikipedia Der
Supermagnet erzeugt ein starkes Magnetfeld B, in
welchem sich der
starke Stromfluss I des Kabels befindet. Es treten dadurch Lorentz- kräfte F auf, deren
Richtung sich aus der Drei-Finger-Regel ergeben. In
unserem Fall zeigen die Kräfte auf den Stromleiter in die Papierebene hinein.
Das Kabel wird aber durch die Hand festgehalten und kann der Kraft
nicht nachgehen. Gleichzeitig gilt das 3.
Newtonsche Axiom. Auf die
Kraft F (actio) auf den Stromleiter gibt es eine entgegengesetzt gerichtete
Kraft reactio, die für die Drehung des Magneten sorgt. Es
handelt sich um eine stromdurchflossene Spule, die sich in einem Magnetfeld
befindet, also eigentlich die Verhältnisse wie beim
einfachen Gleichstrommotor.
Man kann also die Erklärungen von dort übernehmen. Warum
wird ein Ende nur einseitig abgeschliffen? Dies hat mit den Er- läuterungen
beim Totpunkt zu tun. Da kein Polwender vorliegt,
würde sich die
Spule eigentlich auf einer Seite entgegengesetzt zur bisherigen Drehrichtung
bewegen. Damit dies nicht passiert, findet zu diesem Zeit- punkt,
also jede halbe Drehung, keine Stromzufuhr statt. Die entgegen- wirkenden
Lorenzkräfte können dadurch nicht auftreten. Die Spule muss sich
dann aber durch den eigenen Schwung über diese Phase hinaus- drehen,
um wieder in den Bereich „richtig“ angreifender Lorentzkräfte zu kommen. Über die
Magnete und die Alufolie wird ein geschlossener Stromkreis er- reicht.
Die Magnete erzeugen ein starkes Magnetfeld. Es treten wieder Lorentzkräfte
auf. Die Verhältnisse zeigt folgende Abbildung .
Quelle: Videoliste Nr.5 Abbildung mit eigenen Ergänzungen rot=Nordpol, grün=Südpol Mit der
Drei-Finger-Regel erkennt man, dass im unteren Bereich Lorentz- kräfte
auftreten, die nach vorne zeigen. Sollte auch noch ein geringer Stromfluss
im oberen Bereich vorliegen, zeigen diese Kräfte nach hinten. Aufgrund
der Reibung auf der Alu-Folie führt dies zu einer Drehbewe- gung,
die dafür sorgt, dass sich das magnetische Auto auf der Folie nach hinten
bewegt. Ich bediene mich in der folgenden Darstellung der Abbildung von gerade, da der
Aufbau vom „Fahrzeug“ genauso ist. Das Fahrzeug befindet sich jetzt
nur in einer Spule aus blankem Kupferdraht. Die Alu-Folie (Hinweis: noch in
der Abb. eingetragen) wird jetzt
durch den Draht ersetzt, durch den der Strom
nun fließt.
Oben
fließt der Strom nach vorne, unten nach hinten. Nach der Rechte- Faust-Regel ergibt sich dadurch ein Spulen-Magnetfeld, dass
rechts einen
Nordpol und links einen Südpol aufweist. Aufgrund der Anziehung ungleichnamiger
Magnetpole und der Abstoßung gleichnamiger Pole tritt
eine Bewegung nach rechts auf. Da sich der stromdurchflossene Spulenteil
mit dem „Zug“ mitbewegt, bleibt diese Konstellation die ganze Zeit
erhalten und der Zug kann sich dauerhaft durch die Spule bewegen. Zusatzmaterial Wer einmal eine sehr schöne Animation zur Verwendung mehrerer Spulen ansehen möchte, sollte folgende GeoGebra-Animation besuchen. In der Videoliste zum Thema Gleichstrommotor sind verschiedene Videos zum Thema aufgelistet. Drehspulinstrumente
werden zur Messung von Stromstärken (Ampere- meter)
und Spannungen (Voltmeter) benutzt. Der Aufbau ähnelt sehr einem
Gleichstrommotor. Hierzu
kann man sich einmal die folgende Abbildung ansehen:
Quelle: wikipedia Man findet praktisch alle Teile des Gleichstrommotors wieder: den äußeren Dauermagneten (Stator) und den drehbaren Elektro-magneten als Rotor. Zusätzlich sind an der drehbaren Achse zwei Spiralfedern angebracht, die bei einer Drehung gespannt werden und den Drehkräften einen Widerstand entgegensetzen, so dass der Rotor nur einen ganz be- stimmten Drehwinkel einnimmt. Dieser Winkel kann über einen Zeiger und eine Skala abgelesen werden. Das Gleichgewicht der beiden Kräfte hängt von der fließenden Stromstärke
ab, da die Lorentzkraft
propor- Man kann also am Drehwinkel die fließende Stromstärke ablesen. Auch beim dynamischen Lautsprecher wird die Lorentzkraft angewendet. Im Folgenden sieht man den Aufbau eines solchen Lautsprechers im Querschnitt.
Quelle: wikipedia Der wichtigste Bestandteil ist die Tauchspule (Schwingspule), die als Zylinderspule den zylindrischen Magnetpol eines Dauermagneten um- gibt. Diese Spule wird vom „Sprechstrom“ durchflossen. Je nach Stärke des Stromes taucht die Spule aufgrund der Lorentzkräfte unterschiedlich tief in die Polplatten ein. Im Rhythmus des „Sprechstroms“ treten dabei unterschiedlich starke Kräfte auf. Die Tauchspule schwingt also im Rhythmus des zugeführten „Sprechstromes“. Diese Schwingungen werden auf die Membran übertragen und dann in Luftdruckschwank- ungen umgesetzt, die dann als Töne zu hören sind. In folgendem Video wird ein solcher Lautsprecher auseinandergebaut. Anhand der Einzelteile wird dann der Aufbau erläutert.
Quelle: Ausschnitt Video YouTube Ein alter Röhrenfernseher ist im Prinzip wie ein Oszilloskop aufgebaut. Zur Erinnerung sieht man in der folgenden Abbildung noch einmal sche- matisch den Aufbau eines Oszilloskops.
Quelle: wikipedia leicht geändert mit deutscher Beschriftung Außer dem Ablenkungssystem stimmen die Fernsehröhren im Aufbau in allen anderen wichtigen Bestandteilen (Braunsche Röhre, Anoden, Aquadag, Bildschirm, Vakuum) mit dem Oszilloskop überein. Um eine Bildröhre kürzer zu halten, werden Fokussierung und Ablenkung magne- tisch über Spulensystem vorgenommen. Die folgende Abbildung zeigt die jeweiligen Spulen für die Fokussierung (3) und Ablenkung (4). Die Elektronen erfahren jeweils Lorentzkräfte, die für eine Bündelung oder Ablenkung in der Horizontalen und Vertikalen sorgen. Die Ablenkung erfolgt durch Spulensysteme, die senkrecht zu- einanderstehen.
Quelle: wikipedia Die Röhre hier einmal schematisch im Querschnitt.
Quelle: wikipedia Die Bündelungsspulen umgeben den Röhrenhals zylinderförmig. Die Ablenkspulen sind paarweise oberhalb/unterhalb und vorne/hinten „trichterförmig“ angeordnet. Die im Schema gezeigten Ablenkspulen sorgen für die Ablenkung in der Horizontalen (s. Drei-Finger-Regel). Ein paar Abbildungen zum realen Ablenksystem. Das nächste Video gibt einen Einblick in die Geschichte der Röhren-technik und erklärt sehr anschaulich das Ablenksystem.
Quelle: Videoliste
1 (Ausschnitt) Zum Abschluss noch eine Videoliste zum Thema. zurück zu zum
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