Elektromotorische Kraft 1 Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters LinkeFaustRegel

Elektromotorische Kraft 1

Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters Linke-Faust-Regel: Ist die Bewegungsrichtung der Elektronen bekannt, kann mit der „Faustregel“ der Richtungssinn der Feldlinien ermittelt werden. (Ch. Oersted 1820) Dabei zeigt bei der physikalischen Stromrichtung der Daumen der linken Hand in Stromrichtung, die Finger geben die Magnetfeldrichtung an. Abbildung: Natur und Technik Physik 9/I (Realschule Bayern); Cornelsen Verlag, 2003 2

Leiterschaukel Kraft FL = 1 N Kräfte auf Ströme im Magnetfeld: 1. Magnetfeld eines äußeren Magneten 2. Bewegung der Elektronen 3. Kraftwirkung auf den Leiter (Lorentzkraft FL) = l e ng ä L 1 m Strom I=1 A Stärke des Magnetfeldes: B = 1 T (Tesla) . 3

Die Lorentzkraft Auf Elektronen (Ladungen), die sich in einem Magnetfeld bewegen, wirkt eine Kraft. Sie heißt Lorentzkraft FL. Hendrik A. Lorentz (1853 -1928) Sie wirkt senkrecht zur Bewegungsrichtung der Elektronen und senkrecht zu den Feldlinien des Magnetfelds. Kathodenstrahlröhre: Ablenkspule B v FL 4

Masse des Elektrons me Fadenstrahlrohr Kräftegleichgewicht: Geschwindigkeit v über : mit Beschleunigungsspannung U 0 Elementarladung e (Millikan-Versuch) 5

Richtung und Größe der Lorentzkraft UVW-Regel: Ursache: Strom(richtung) → Daumen Vermittlung: Magnetfeld → Zeigefinger (Kraft)Wirkung: Bewegungsrichtung → Mittelfinger U V W 6

Zurück zur Leiterschaukel . W g tun ss lu nf F FLL B h ric V tr ek El e on U FG 1 FG 2 7

Anwendungsbeispiel: Lautsprecher Kraft F bei Wechselstrom N Membran Zentrierspinne NS Korb Dauermagnet SN Schwingspulen Polkern mit unterer Polplatte S 8

Stromdurchflossene Leiterschleife im Magnetfeld 1. Magnetfeld B eines äußeren Magneten 2. Bewegung v der Elektronen 3. Kraftwirkung auf den Leiter (Lorentzkraft FL) FL v B - B + v FL „Totpunkt“ ist erreicht, wenn die Spulenwindung senkrecht steht. (Lorentz-Kräfte FL kompensieren sich und üben kein Drehmoment mehr aus. ) 9

Drehspulinstrument (1) Weicheisenkern • vermindert magn. Widerstand • homogenes Feld im Luftspalt (2) Permanentmagnet (3) Polschuhe (4) Skala (5) Spiegelskala (6) Rückstellfeder (7) Drehspule (8) Ruhelage (9) Maximalausschlag (10) Spulenkörper (11) Justierschraube (12) Zeiger (13) Südpol (14) Nordpol 10

Spule im Magnetfeld Die Spulenbewegung lässt sich über das Magnetfeld der Spule bestimmen (Linke-Hand-Regel): S S N N Elektronenbewegung 11

Elektromotor 1 hier: Gleichstrommotor mit Dauermagnet Was passiert bei Wechselspannung ? Anker dreht bis in den „Totpunkt“ und bleibt dort stehen. + - www. wikipedia. de www. walter-fendt. de Um eine fortlaufende Drehbewegung zu erhalten, benötigt der Motor einen selbstregelnden, drehfähigen Anschluss (Kommutator, Kollektor). 12

Elektromotor 2 Universalmotor Gleichsspannung www. wikipedia. de • Stator ist kein Dauermagnet, sondern eine Spule. • Anker- und Statorspule sind in Reihe (Reihenschluß) + - Statorspule bewirkt konstantes Magnetfeld wie ein Dauermagnet. ( = Gleichstrommotor mit Dauermagnet) Wechselspannung ~ Anker- und Statorspule polen gleichzeitig um, wodurch der Drehsinn konstant bleibt. „Totpunkt“ gibt es immer noch, in dem sich ungleichnamige Pole von Anker- und Stator gegenüberstehen (Abhilfe: Kommutator) ~ 13

Gleichstrommotor www. wikipedia. de (Scheibenwischermotor Trabant) www. wikipedia. de Verschiedene Formen von Elektromotoren Wechselstrommotor (Reihenschlussmotor, Antrieb der Radialturbine eines Staubsaugers) 14

Reihenschluß-Elektromotor Wechselspannung (AC): • Haushaltsgeräte (Staubsauger, Mixer, Haartrockner, …) • Werkzeuge (Bohrmaschine, Kreissägen, Hobel, Schleifmaschinen, …) • Eisenbahn (bis 2003 in der Baureihe E 103, ab 1979 Drehstromtechnik mit E 120) E 103 E 120 Gleichspannung (DC) : • Fahrzeug-Startermotoren (Autoanlasser, …) • Golfwägen und Elektrofahrzeuge (Rollstuhl, …) 15

Hall-Effekt Edwin Herbert Hall 1855 -1938 d - + EH- b + - - - + + + - - + + UH - + + 17