Über 1,6 Millionen Schüler*innen nutzen sofatutor!
  • 93%

    haben mit sofatutor ihre Noten in mindestens einem Fach verbessert

  • 94%

    verstehen den Schulstoff mit sofatutor besser

  • 92%

    können sich mit sofatutor besser auf Schularbeiten vorbereiten

Selbstinduktion und Wirbelströme

Neben den herkömmlichen Scheibenbremsen verwenden schnelle Züge wie der ICE häufig Wirbelstrombremsen, die nahezu verschleißfrei sind. Diese Bremsen basieren auf dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion und erzeugen die Wirbelströme, die das Bremssystem ausmachen. Interessierst du dich dafür, mehr darüber zu erfahren? Dies und vieles mehr findest du im folgenden Text!

Du willst ganz einfach ein neues Thema lernen
in nur 12 Minuten?
Du willst ganz einfach ein neues
Thema lernen in nur 12 Minuten?
  • Das Mädchen lernt 5 Minuten mit dem Computer 5 Minuten verstehen

    Unsere Videos erklären Ihrem Kind Themen anschaulich und verständlich.

    92%
    der Schüler*innen hilft sofatutor beim selbstständigen Lernen.
  • Das Mädchen übt 5 Minuten auf dem Tablet 5 Minuten üben

    Mit Übungen und Lernspielen festigt Ihr Kind das neue Wissen spielerisch.

    93%
    der Schüler*innen haben ihre Noten in mindestens einem Fach verbessert.
  • Das Mädchen stellt fragen und nutzt dafür ein Tablet 2 Minuten Fragen stellen

    Hat Ihr Kind Fragen, kann es diese im Chat oder in der Fragenbox stellen.

    94%
    der Schüler*innen hilft sofatutor beim Verstehen von Unterrichtsinhalten.
Bewertung

Ø 3.8 / 14 Bewertungen
Die Autor*innen
Avatar
Wolfgang Tews
Selbstinduktion und Wirbelströme
lernst du in der 9. Klasse - 10. Klasse

Selbstinduktion und Wirbelströme Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Selbstinduktion und Wirbelströme kannst du es wiederholen und üben.
  • Gib die Charakteristika der Selbstinduktion an.

    Tipps

    Jeder elektrische Strom erzeugt ein Magnetfeld.

    Lösung

    Für die Selbstinduktion gelten einige Beobachtungen:

    • Ändert sich der Stromfluss durch eine Spule, so ändert sich ihr Magnetfeld.
    • Eine Magnetfeldänderung bewirkt eine Induktionsspannung, die so gepolt ist, dass die Stromstärke nach der Lenz'schen Regel gehemmt ist.
    • Durch die Selbstinduktion werden die Änderungen der Stromstärke beim Ein- und Ausschalten verzögert.
    Betrachtet man nur den Ausschalt-Vorgang einer Spule, so ergibt sich ein Verlauf der Art $ U = \frac {1}{t} $ für die Spannung $U$ über die Zeit $t$.

    Der Abschaltvorgang läuft also nicht plötzlich ab, sondern ist verzögert, wie bereits mit der Selbstinduktion erklärt.

  • Nenne Eigenschaften und Möglichkeiten der technischen Nutzung von Wirbelströmen.

    Tipps

    Wirbelstrombremsen kommen in Fitnessgeräten zum Einsatz.

    Ein großer Wirbelstrom hat eine größere Auswirkung als viele kleine.

    Lösung

    Man kann beobachten :

    Werden in einem Bauteil Wirbelströme induziert, so wird dieses nach der Lenz´schen Regel beeinflusst. So wird etwa die Schwingung einer Aluminiumplatte in einem entsprechenden Magnetfeld stark gebremst. Ganz so, als würde sich die Platte in einer zähen Flüssigkeit befinden. Schlitzt man die Platte jedoch wie einen Kamm, so tritt dieser Effekt nicht weiter auf.

    Das liegt daran, dass Wirbelströme nur in der Leiterplatte wirken. Wird diese geschlitzt, so können nur sehr kleine Wirbelströme auf sehr kleinen Flächen entstehen. Wirbelströme sind also stark von der Geometrie des untersuchten Gegenstandes abhängig.

    Technisch genutzt werden Wirbelströme in der Wirbelstrombremse. Diese nutzt den beschriebenen Effekt, um einen Zug oder Fitnessgeräte verschleißfrei zu bremsen.

  • Zeige, wie die Selbstinduktion über die Zeit verläuft.

    Tipps

    Der Verlauf des Stromes ist für jede Spule prinzipiell gleich, jedoch unterscheiden sich die Graphen einzelner Spulen, was ihre Maxima angeht.

    Die Steigung des Stroms strebt nach dem Einschalten gegen einen maximalen Wert.

    Es gibt einen Bereich, in dem ein konstanter Strom fließt.

    Lösung

    Der Induktionsvorgang der Spule lässt sich in drei Bereiche teilen.

    In Bereich A fließt der Strom als Folge der Induktion (ähnlich einer Wurzelfunktion). Diesen Bereich nennt man Einschaltvorgang. Die Spannung $I(t)$ steigt in diesem Bereich zunächst sehr rasch und strebt am Übergangsbereich zu B gegen null.

    Im Bereich B, ist der Induktionsstrom konstant. Hier ist die maximale Stromstärke erreicht, die durch die Komponenten der Spule bestimmt ist.

    Im Bereich C nimmt der Stromfluss zunächst sehr schnell ab und nähert sich dem Wert null. Dieser Bereich ist der Abschaltvorgang, wobei der Strom zunächst sehr stark sinkt, und dann zwar immer geringer wird, aber dennoch dem Wert $I(t) = 0 $ zustrebt.

    Die Kurve des Stromverlaufs $I(t)$ über der Zeit $t$ ist dabei von Spule zu Spule unterschiedlich, was die Geschwindigkeit des Aufbaus und Abbaus des Stroms und die Betriebsspannung im Bereich B betrifft.

  • Analysiere die Effekte, die bei Selbstinduktion auftreten.

    Tipps

    Damit ein Induktionsstrom fließen kann, muss zunächst eine Spannung induziert werden.

    Der maximale Wert des Stromflusses ist abhängig von der maximalen Spannung und dem Widerstand.

    Selbstinduktion bewirkt eine Verzögerung.

    Lösung

    Der Verlauf des induzierten Stromes über die Zeit weist neben dem konstanten Betriebsbereich B zwei weitere signifikante Bereiche auf: Einschaltvorgang A und Ausschaltvorgang C. Beim Einschalten der Spule nimmt der Stromfluss zunächst schnell zu, ehe dieser sich langsam dem maximalen Wert annähert. Das können wir damit erklären, dass der Strom erst als das Resultat der induzierten Spannung fließen kann. Diese baut sich schnell auf, wird aber nicht stärker als ein bestimmter Wert $U_{max}. Da der Strom der Spannung folgt, verhält dieser sich analog dazu.

    Schaltet man die Spule wieder aus, so fällt das beeinflussende Magnetfeld weg und somit auch die induzierte Spannung. Durch den selbstinduzierten Strom wird dieser Prozess jedoch verzögert, sodass der Stromfluss ebenfalls verzögert ist. So ergibt sich der charakteristische Verlauf des induzierten Stroms $I(t)$ über die Zeit $t$.

  • Gib die Lenz´sche Regel an.

    Tipps

    Dieser Effekt tritt bei der Selbstinduktion auf und kann Wirbelströme verursachen.

    Jeder elektrische Strom erzeugt ein Magnetfeld.

    Lösung

    Die Lenz´sche Regel lautet :

    Der Induktionsstrom ist immer so gerichtet, dass er der Ursache des Induktionsvorgangs entgegenwirkt.

    Die Ursache eines Induktionsvorgangs ist stets die Änderung eines Magnetfeldes. Damit muss also der Induktionsstrom (der ja selbst ein sekundäres Magnetfeld erzeugt) genau diesem erzeugenden Magnetfeld entgegenwirken.

    Dieser Effekt tritt bei der Selbstinduktion auf und kann Wirbelströme verursachen.

  • Erkläre die Wirbelströme.

    Tipps

    Es gilt : $I = \frac{U}{R}$.

    Es tritt eine Bremswirkung auf, das heißt, das Magnetfeld aus dem induzierten Strom wirkt dem primären entgegen.

    Der Widerstand ist der Kehrwert der Leitfähigkeit.

    Lösung

    Wirbelströme treten als Folge eines Magnetfeldes in elektrischen Leitern größerer Querschnitte auf. Dabei hängt die Intensität des Stromes von der beeinflussten Leiterfläche ab. Je größer die Fläche, desto größer ist die Beeinflussung und damit die Bremswirkung, die durch Wirbelströme verursacht wird.

    Diese richten sich nach der Lenz'schen Regel, wirken also ihrer Ursache entgegen (deshalb kommt es zu einem Bremsvorgang und zu keiner positiven Beschleunigung).

    Da in Nicht-Leitern generell kein nennenswerter Strom fließt, können darin auch keine Wirbelströme entstehen. Generell gilt: Je besser ein Material leitet, also je geringer der elektrische Widerstand, desto eher ist es anfällig für Wirbelströme ($I = \frac{U}{R}$).

    Möglichkeiten zur Verringerung von Wirbelströmen sind etwa das Schlitzen des Bauteils oder das Einbringen von Nicht-Leitern.