11. Elektromagnetismus Flashcards
Was sind Elementarmagnete und wieso sind sie magnetisch?
- die kleinsten Magnete in ferromagnetischen Stoffen
- wegen ihres Elektronenspins
Was ziehen Magnete an?
Eisen, Nickel, Kobalt (ferromagnetische Stoffe)
Magnetfeldlinien laufen außerhalb von Magneten …
von N nach S
Welche Entdeckung machte Christian Örsted?
In der Nähe eines stromdurchflossenen Leiters wird die Magnetnadel abgelenkt
Grund: Stromfluss erzeugt ein Magnetfeld
Wie wirken zwei stromdurchflossene Leiter aufeinander?
parallel: ziehen sich an
antiparallel: stoßen sich ab
Warum dürfen magnetische Feldlinien in sich geschlossen sein, ohne dass man diese für ein Perpetuum mobile nützen könnte?
- Magnete haben einen Nord- und einen Südpol
- nur bei einem Pol wäre ein Perpetuum mobile möglich, es gibt aber keinen magnetischen Monopol
Was sind Elementarmagnete und wieso sind sie magnetisch?
- die kleinsten Magnete in ferromagnetischen Stoffen
- wegen ihres Elektronenspins
Warum wirkt auf eine bewegte Ladung in einem Magnetfeld die Lorentz-Kraft?
- bewegte Ladungen erzeugen selbst ein Magnetfeld
Formel für die Lorenz-Kraft
F (Vektor) = Q * v (Vektor) x B (Vektor)
F = Lorentz-Kraft
Q = Ladungsmenge in C
v = Geschw. der Ladung in m/s
B = magnetische Induktion in T
alternativ: F = I * s x B
s = Länge
Wie müssen ein stromdurchflossener Leiter und ein Magnetfeld zueinander stehen, damit die maximale Lorentz-Kraft wirkt, und wie, damit keine Kraft wirkt?
- maximal: normal aufeinander; betragsmäßig: F = Q *v *B
- minimal: parallel
Anwendungen der Lorentz-Kraft
Teilchenbeschleuniger, Elektromotor, Polarlicht
Wodurch entsteht Polarlicht?
Sonnenwind (von Sonne wegfliegenden geladenen Teilchen) werden durch Lorentz-Kraft von Erdmagnetfeld auf spiralförmige Bahnen gezwungen und pendeln zwischen den Polen hin und her. (Aufenthaltsbereich = Van-Allen-Gürtel)
Bei starkem Sonnenwind: Teilchen mit besonders hoher Energie gelangen in Atmosphäre und bringen sie zum Leuchten (wie Luftstoffröhre).
Eintritt nur an Polen möglich aufgrund von Feldlinienverlauf.
Feldlinien laufen an den Polen zusammen; Lorentz-Kraft steht normal auf Feldlinie –> rücktreibende Komponente –> Reflexion der Teilchen
Was geschieht im Large Hadron Collider?
Protonen lässt man aufeinanderprallen und untersucht die neu entstandenen Teilchen.
Wie groß muss die magnetische Induktion sein, damit die Teilchen auf der Kreisbahn bleiben (Radius = 4,3km)?
8T (geschätzt nur 5,4), weil Bahn ist keine Kreisbahn sondern ein Vieleck und hat deshalb viele Knicks, weshalb man auch stärkere Felder braucht.
Wie stark erhöht sich die Protonenmasse im LHC durch Beschleunigung?
7370-fach
Im Magnetfeld bewegte Ladungen werden …
durch die Lorentz-Kraft abgelenkt
Die Stärke der Ablenkung ist ein Maß für …
die Stärke des magnetischen Feldes
Von einer Spule spricht man, wenn …
mehrere Schleifen (gebogene Leiter) hintereinander aufgewickelt sind
Im Inneren verlaufen die Feldlinien:
annähernd parallel, das magnetische Feld ist dort so gut wie homogen.
Die magnetische Induktion im Inneren einer langen Spule lässt sich wie folgt berechnen:
B = alpha 0 * N*I/l
N= Anzahl der Windungen
I = Stromstärke in A
l = Länge der Spule in m
alpha 0 = Feldkonstante
Die magnetische Feldkonstante…
ist eine Naturkonstante und kann nur experimentell bestätigt werden
Wie kann man die Stärke eines Elektromagneten wesentlich erhöhen und wieso geht das?
- indem man in seinen Innenraum einen Eisenkern gibt
- durch das Magnetfeld der Spule richten sich die Elementarmagnete aus bis sie im Extremfall alle in Richtung des äußeren Magnetfeldes zeigen
- kann Elektromagnet 100-1000x verstärken
Was ist die relative Permeabilität und was ist die zugehörige Formel?
- Maß für die Magnetisierbarkeit eines Stoffes
- B = alpha r * alpha 0 * N*I/l
- alpha/müh ist ein Verstärkungsfaktor (bis zu 100-1000 mal)
Was bleibt durch die relative Permeabilität nach dem Abschalten über?
Restmagnetismus
Was hat die höchste Permeabilität?
Eisen
Was hat die niedrigste Permeabilität?
Schreib- und Leseköpfe in Platten von CDs, Digitalkameras oder tragbare Musikgeräten (nur Bruchteile von 1T)
Mithilfe einer stromdurchflossenen Spule kann man…
Magnetfelder erzeugen
Die magnetische Induktion kann man sich enorm verstärken, wenn man…
in die Mitte der Spule einen Eisenkern bringt
Weitere Anwendungen von Elektromagneten
Elektromotoren, Schrottplatzmagnet, Induktionsherd
Strom kann erzeugt werden durch
veränderlichen Magnetismus = elektromagnetische Induktion
Elektrische Feldstärke
E, V/m
Stärke des elektrischen Feldes
magnetische Induktion
B, T
Stärke des magnetischen Feldes
elektromagnetische Induktion
Veränderung des Stroms bzw. der Spannung, wenn sich ein Magnetfeld in irgendeiner Weise ändert
Induktionsstrom
A
durch veränderliches Magnetfeld hervorgerufener Strom
Induktionsspannung
V
durch veränderliches Magnetfeld hervorgerufene Spannung
Magnetischer Fluss
Phi, Weber (Wb)
Produkt magnetischer Induktion und durchdrungener Fläche dessen, A * B
Induktivität
L, Henry
wichtigstes Merkmal einer Spule; je höher desto größer die Selbstinduktionsspannung
ein veränderliches Magnetfeld erzeugt…
eine Induktionsspannung
Die Induktionsspannung ist proportional zu
der Windungsanzahl (N), Geschwindigkeit des Magneten (v) und Stärke des Magneten (B). Ob man Magneten oder Spule bewegt ist egal.
Uind = N * v * B
Faradays Entdeckung war der Schlüssel für…
die Erzeugung von Strom durch Generatoren
Anwendungen der Induktion
Antenne zum Empfang von Radio- oder Fernsehsendungen, bei Mikrofonen, bei E-Gitarren, beim Lesen einer Festplatte
Wenn sich in einer Leiterschleife irgendwie der magnetische Fluss verändert, dann …
wird in ihr eine Spannung induziert.
mögliche Gründe: Magnet bewegt sich, Magnetfeld verändert sich, Fläche der Leiterschleife verändert sich
Je schneller der magnetische Fluss sich ändert, desto…
stärker ist die induzierte Spannung
Induktionsgesetz Schleife/Spule Formel
Uind= - delta phi/delta t
Uind= - N*delta phi/delta t = Windungszahl * Änderung des magnetischen Flusses mit der Zeit
Wieso ist beim Induktionsgesetz ein Minus in der Formel?
weil das Magnetfeld immer seiner Ursache entgegenwirkt (Lenz’sche Regel, ergibt sich aus Energieerhaltungssatz)
Bewegung Magnet vs. Spule –> induziertes Magnetfeld wirkt Bewegung entgegen –> Bremsung –> Kraft (somit Arbeit/Energie notwendig) –> E-Umwandlung: mechanische Energie, über mechanische Arbeit, in elektrische Energie
zB man zieht Stabmagneten aus Spule heraus. Wenn sich das Magnetfeld umstellen würde, dann würde Stabmagnet abgestoßen und beschleunigt werden und es würde aus dem Nichts Energie entstehen, was nicht geht
Was passiert, wenn man ein Metallpendel zwischen zwei Polen hin und her schwingen lässt?
in seinem Inneren würden Wirbelströme (elektrische Ströme, die wie Wirbel in sich selbst geschlossen sind). Sie erzeugen Magnetfelder, die ihrer Ursache entgegenwirken und die Bewegung der Pendel bremsen.
Bei kammartigen Pendel nicht möglich.
Was basiert auf dem Prinzip der Wirbelströme?
Bremsen von Zügen und Straßenbahnen, Münzprüfung, Tachometer
