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Selbstinduktion und Wirbelströme 08:25 min

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Transkript Selbstinduktion und Wirbelströme

Hallo! Wir wollen uns heute mit der Selbstinduktion und Wirbelströmen im Zusammenhang mit der Induktion beschäftigen. Du solltest dazu über einige Gesetzmäßigkeiten der elektromagnetischen Induktion Bescheid wissen. Wir lernen Heute, warum beim Schließen und Öffnen des Stromkreises einer Spule in ihr eine Selbstinduktionsspannung induziert wird. Warum die Selbstinduktion zu einer Verzögerung der Stromstärkeänderung beim Ein- und Ausschalten führt. Welcher Zusammenhang zwischen Wirbelströmen und Induktion besteht und wie eine Wirbelstrombremse funktioniert. Wir wiederholen hier einige Gesetzmäßigkeiten der elektromagnetischen Induktion. In den schematisch dargestellten Experimenten ist die Geschwindigkeit V der Magneten gleich groß. Die Messgeräte zeigen jeweils die Erzeugung einer Induktionsspannung U an. U1 ist kleiner als U3 (U1 < U3), da die Windungszahl von Spule 3 größer ist als die von Spule 1. U2 ist größer als U1 (U2 > U1), da der entsprechende Magnet und damit die Magnetfeldänderung größer ist. U4 ist größer als U2 (U4 > U2), da der Spulenquerschnitt von Spule 4 größer ist als der von Spule 2. U1 ist kleiner als U4 (U1 < U4), da Magnetfeldänderung und Spulenquerschnitt von Spule 4 größer als die von Spule 1 sind. Und nun die wichtige Lenz'sche Regel: Der Induktionsstrom ist immer so gerichtet, dass er der Ursache des Induktionsvorganges entgegenwirkt. Wir sehen uns folgenden Versuch an: Eine Glühlampe (L1) wird in Reihe mit einem Widerstand geschaltet. Eine zweite Glühlampe (L2) wird ebenfalls in Reihe mit einer Spule geschaltet. Diese befindet sich auf einem geschlossenen Eisenkern. Beide Systeme werden parallel an eine Spannungsquelle und einen zunächst offenen Schalter angeschlossen. Wird der Schalter geschlossen, so leuchtet die Glühlampe L1 sofort auf. Die Glühlampe L2, die mit der Spule in Reihe geschaltet ist, leuchtet deutlich später auf. Was ist die Ursache? Beginnt der Strom in der Spule zu fließen, wird das Magnetfeld in der Spule stärker. Diese Magnetfeldänderung bewirkt eine Induktionsspannung, die nach der Lenz'schen Regel der angelegten Spannung entgegengerichtet ist. Damit wird das Anwachsen der Stromstärke verzögert. Wir sehen das hier in der Grafik. Beim Ausschalten nimmt die Stromstärke verzögert ab. Auch das sehen wir in der Grafik. Die nun induzierte Spannung ist so gerichtet, dass die Abnahme der Stromstärke verzögert wird. Fassen wir die Ergebnisse des Versuchs zusammen: Ändert sich die Stromstärke in einer Spule, so ändert sich auch das Magnetfeld der Spule. Die Magnetfeldänderung bewirkt eine Induktionsspannung. Diese ist so gepolt, dass die Stromstärkeänderung nach der Lenz'schen Regel gehemmt wird. Durch diese Selbstinduktion werden die Änderungen der Stromstärke beim Ein- und Ausschalten verzögert. Wir betrachten nun folgenden Versuch: Zwischen den Polen eines zunächst stromlosen Elektromagneten pendelt eine Aluminiumplatte. Beim Einschalten des Stroms beobachten wir, dass das Pendel nach kurzer Zeit zur Ruhe kommt. Wird es wieder angestoßen, so denkt man, dass es sich in einer sehr zähen Flüssigkeit bewegt. Eine Erklärung für den Versuchsausgang liefert wieder die Lenz'sche Regel. In der Aluminiumplatte werden Ströme induziert, die ein eigenes Magnetfeld haben. Dieses ist so gepolt, dass es der Pendelbewegung entgegenwirkt. Da man sich bei diesem Vorgang vorstellen kann, dass sich die Elektronen innerhalb der Platte auf geschlossenen Bahnen bewegen, werden diese Induktionsströme auch Wirbelströme genannt. Ändert man die Form der Aluminiumplatte, so werden auch die Wirbelströme geändert. Wir wählen statt der kompakten Aluminiumplatte eine Platte, die wie ein Kamm geschlitzt ist. Wiederholen wir damit den Pendelversuch, so beobachten wir, dass das Pendel deutlich länger schwingt. Durch die Schlitze wird gewissermaßen der Querschnitt des Leiters verringert. Damit wird der Widerstand größer und die Stromstärke der Wirbelströme wird kleiner. Damit lässt sich die längere Schwingungsdauer des Pendels erklären. Nun zur Wirbelstrombremse: Sehen wir uns noch einmal den Pendelversuch an. Im stromlosen Zustand pendelt die Aluminiumplatte sehr lange hin und her und wird nur durch Reibung abgebremst. Wird jedoch der Stromkreis geschlossen, wird die Platte stark abgebremst. Dieser Vorgang wird technisch bei einer Wirbelstrombremse genutzt. In diesem Fall wird zum Beispiel ein rotierendes Bauteil mit einem Aluminiumring gekoppelt. Nach Einschalten des Stromflusses wird die Rotation des Bauteils abgebremst. Der Vorteil solcher Bremsen ist, dass sie verschleißfrei funktionieren. Sie sind zum Beispiel in ICE-Bremssystemen zu finden, werden zum Abbremsen bei Achterbahnen oder in Fitnessgeräten eingesetzt. Wir fassen zusammen: Ändert sich die Stromstärke in einer Spule, so ändert sich auch das Magnetfeld der Spule. Die Magnetfeldänderung bewirkt eine Induktionsspannung. Diese ist so gerichtet, dass die Stromstärkeänderung nach der Lenz'schen Regel gehemmt ist. Durch diese Selbstinduktion werden die Änderungen der Stromstärke beim Ein- und Ausschalten verzögert. Elektrische Ströme, die infolge Induktion in kompakten Metallteilen hervorgerufen werden, heißen Wirbelströme. Sie können durch Formänderung der Metallteile beeinflusst werden. Wirbelstrombremsen arbeiten verschleißfrei. Sie werden bei Schienenfahrzeugen und/oder Fitnessgeräten eingesetzt. Das war's für Heute. Ich hoffe, dir hat es etwas Spaß gemacht und du hast alles verstanden. Bis zum nächsten Mal!

1 Kommentar
  1. Washington cities 2200

    sehr sehr hilfreich. Danke

    Von Omar Faris4, vor fast 4 Jahren