Elektromagnetische Induktion

Einführung

• Elektromagnetische Induktion beschreibt, wie elektrischer Strom durch Änderung eines magnetischen Feldes induziert wird.
• Anwendungen umfassen Elektromotoren und Dynamos zur Stromerzeugung.
• Spulen spielen eine zentrale Rolle in diesen Prozessen.

Grundwissen & Aufgaben

• Induktionserscheinungen: Induktionsspannungen treten auf, wenn sich in einer Induktionsanordnung (bestehend aus einem magnetischen Feld und einer Leiterschleife) bestimmte Größen ändern:

  • Magnetische Flussdichte (B)
  • Fläche (A) der Leiterschleife
  • Winkel zwischen dem magnetischen Feld und der Leiterschleife

• Größen zur Beschreibung von Induktionsvorgängen:

  • Magnetisches Feld ist homogen und durch den Feldvektor B beschrieben.
  • Leiterschleife ist eben und durch den Flächenvektor A beschrieben.
  • Wechselwirkung abhängig vom Winkel zwischen B und A.

• Magnetischer Fluss und Induktionsgesetz:

  • Magnetischer Fluss: ( \Phi = BA \cos \theta )
  • Induktionsspannung Ui tritt auf, wenn sich der magnetische Fluss ändert.
  • Berechnung der Induktionsspannung: ( Ui = - \frac{d\Phi}{dt} ) oder bei N Windungen ( Ui = -N \frac{d\Phi}{dt} )

Induktion durch Änderung

• Änderung der magnetischen Flussdichte:

  • Bedingungen: Konstante Richtung von B, A und Winkel.
  • Induktionsspannung ( Ui(t) = -N \frac{dB}{dt} A \cos \theta )

• Änderung des Flächeninhalts:

  • Bedingungen: Konstanter B-Feldvektor und Richtung von A.
  • Induktionsspannung ( Ui = -NB \frac{dA}{dt} \cos \theta )

• Änderung der Winkelweite:

  • Konstantes B und A.
  • Induktionsspannung ( Ui = -NB A \frac{d\theta}{dt} \sin \theta )

Weitere Konzepte

• Induktion und LORENTZ-Kraft:

  • Induktionsspannungen werden durch die LORENTZ-Kraft erklärt.
  • Flächenänderung durch Rotation der Spule.

• LENZsche Regel:

  • Induktionsstrom wirkt der Ursache entgegen.
  • Erlaubt Vorhersagen zur Richtung der Induktionsströme.

• Selbstinduktion und Induktivität:

  • Selbstinduktion: Wirkung eines Stromes auf seinen eigenen Kreis.
  • Induktionsspannung ( Ui = -L \frac{dI}{dt} ), wobei L die Induktivität ist.

• Ein- und Ausschalten von RL-Kreisen:

  • Selbstinduktion wird bei Ein- und Ausschaltvorgängen deutlich.
  • Strom- und Spannungsverlauf mathematisch durch e-Funktion beschrieben.

• Energie des magnetischen Feldes:

  • In Spulen ist magnetische Energie gespeichert.
  • Magnetische Feldenergie: ( E_{mag}(t) = \frac{1}{2} L I^2(t) )_

Experimente und Anwendungen

• Verschiedene Experimente zur Veranschaulichung der Konzepte.
• Vertiefende Inhalte und Anwendungen im Alltag und Technik für Fortgeschrittene.

Geschichte der Elektromagnetischen Induktion

• Historische Entwicklung und wichtige Entdeckungen.

Ressourcen und Downloads

• Simulationen, Animationen und interaktive Materialien verfügbar.
• Weblinks zu weiteren Ressourcen, einschließlich Cern und NASA.

Kontakt und Impressum

• Informationen zu Kontakt und rechtlichen Hinweisen sowie Datenschutz.
• Projekte wie das Portal für den Chemieunterricht werden ebenfalls erwähnt.