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2020 | OriginalPaper | Buchkapitel

8. Elektromagnetische Induktion

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Autor: Andreas Helzel

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Erschienen in: Elektrodynamik an Schule und Hochschule

» Jetzt Zugang zum Volltext erhalten

Zusammenfassung

Die Elektromagnetische Induktion stellt sowohl in der Schule als auch in der Hochschule den Wechsel von zeitunabhängigen Phänomenen zu dynamischen dar. Es handelt sich dabei geradezu um den Anfang und den Kern der eigentlichen Elektrodynamik. Die elektromagnetische Induktion ist einer der komplexesten Themenbereiche in diesem Buch. Obwohl die Vorgaben der Lehrpläne und Darstellung in den Schulbüchern sehr stringent und vergleichbar wirken, unterscheiden sich die Darstellungsweisen in den Lehrbüchern grundlegend. Diese Unterschiede müssen nachvollzogen werden, um eine fachgerechte Elementarisierung begründet entwickeln zu können. Notwendig wird dabei ein Überdenken des Verständnisses der elektrischen Spannung.

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Solche Vorschläge finden sich auch in der Didaktik [ 9].

Andererseits verlangen die in [ 22] vorgeschlagenen Arbeits- und Aufgabenblätter auch die Anwendung von Formeln für den belasteten Fall.

Damit sind auch Leiterschleifen mit mehreren Windungen gemeint, also Spulen.

Auch in einem nicht geschlossenen Metallring können durch Induktion Wirbelströme entstehen, die trotzdem zu einer kleinen Bewegung des Rings führen können. Dieser Effekt ist jedoch sehr gering und umso geringer, je dünner der Ring ist. Möchte man den Effekt der Wirbelströme nicht ansprechen, kann also ein Magnet gewählt werden, der gerade stark genug ist, um den geschlossenen Ring in Bewegung zu versetzen, den offenen jedoch gerade nicht.

Es ist hier von „scheinbar allgemein“ die Rede, da es einerseits eine Induktionsspannung geben kann, wenn man kein geschlossenes Wegintegral betrachtet, was allerdings nicht explizit erwähnt wird. Andererseits gibt es keine (kohärente) Begründung, weshalb die Basis der Spannung die Lorentzkraft sein soll und weshalb die Basis der Spannung überhaupt eine Kraft sein sollte, da die Spannung bei Fließbach als Potentialdifferenz eingeführt wurde. Die Spannung hätte damit keine direkte Verbindung zu einer kraftbezogenen, verrichteten Arbeit, wie beispielsweise die elektromotorische Kraft.

Die Induktion mit bewegtem Leiter wird am Ende des Kapitels nachträglich besprochen.

Ein elektrostatisches Feld ist immer ein Gradientenfeld \(\vec {E}_G\).

Man kann also sowohl die Feldstärke \(\vec {H}\) in der leeren Leiterschleife als auch die Magnetisierung \(\vec {M}\) in einem Eisenkern in der Leiterschleife ändern.

Hier ist das Induktionsgesetz mit einer der externen Spannung angegeben, die konsistent wie jede Spannung als negatives Wegintegral über eine Kraft pro Ladung definiert ist. Dadurch fällt das übliche negative Vorzeichen im Induktionsgesetz weg.

Fall (II) ist zwar lediglich ein Bezugssystemwechsel von Fall (I), dies stellt jedoch keine erklärende Ursache dar.

Der Index W soll anzeigen, dass es sich bei dieser Feldstärke um ein Wirbelfeld handelt. In der Maxwellgleichung muss dies nicht extra gekennzeichnet werden, da die Rotation \(\vec {\nabla }\times \) automatisch nur den Wirbelanteil der Feldstärke berücksichtigt.

Beispiel: Zwei Körper mit Ladungen unterschiedlichen Vorzeichens in einem bestimmten Abstand zueinander sind umgeben von einem elektrischen Feld, in dem Energie gespeichert ist. Sind diese Körper frei beweglich, so fließt Energie aus dem Feld in die Bewegung der Körper, wodurch sich das elektrische Feld verringert.

Beispiel: Ändert sich die Stromstärke in einer Spule, so ändert sich die magnetische Flussdichte in der Spule. Diese Änderung der Flussdichte induziert ein elektrisches Feld auch in den Drähten der Spule und beeinflusst den elektrischen Strom darin.

In Abb. 8.5 bleibt das gesamte Feld außerhalb des Leiters unberücksichtigt, das kleine Stück zwischen den Enden der Leiterschleife ausgenommen. Einerseits liegt das daran, dass sich seine Gestalt nicht so einfach darstellen lässt, andererseits daran, dass es für das betrachtete Problem keine Bedeutung hat.

Und alles, was dazu geführt hat.

Im Originaltext heißt es „physical definition“, was bei Erfmann mit „qualitative Definition“ übersetzt wurde. Der übliche Gebrauch in der englischen Fachliteratur von Begriffen wie „physical definition“ und „physical image“ legt eher nahe, dass es um eine „bildliche“ Bedeutung geht und keine qualitative.

im Original Text sowohl „emf“ also auch „voltage drop“

Erneut der Hinweis, dass es sich um eine Näherung mit niedrigen Frequenzen handelt, wie in einem elektrischen Energienetz üblich. In einem Netzwerk mit hochfrequenter Signalübertragung hat man ein weitaus komplexeres Zusammenspiel aus induzierten Feldern und elektrostatischen Potentialen. Dabei handelt es sich allerdings um Frequenzen im Kilo- und Megahertz-Bereich bei hochfrequenter Datenübertragung.

Unter den hier betrachteten Schul- und Lehrbüchern ist das nur in Kuhns Physik [ 4] und Impules Physik [ 10] der Fall.

Wie in Kap. 9 eingeführt, wird in diesem Buch der Begriff Lorentzkraft nur für die Summe aller elektromagnetischen Kräfte \(\vec {F}_L=q(\vec {E}+\vec {v}\times \vec {B})\) verwendet und nicht für dessen magnetischen Anteil.

Hierbei muss man darauf achten, sich nicht in Unstimmigkeiten zu verstricken. Oft wird bei der Einführung der magnetischen Kraft erwähnt, dass mit ihr keine Arbeit verrichtet werden könne. In diesem Experiment und in jedem Generator wird jedoch mit der magnetischen Kraft Energie umgesetzt. Der Ausdruck, dass eine Kraft Arbeit verrichten kann, ist etwas heikel. Eine Kraft ist oft nur ein „Kanal“, um Energie von einem System in ein anderes zu bringen. So wird durch die Coulombkraft Energie vom elektrischen Feld in die Bewegung eines geladenen Körper transportiert, oder umgekehrt. Die magnetische Kraft beschreibt den Energietransport des mechanischen Systems der Leiterschleife, also seiner Bewegung, in das elektrische System, und umgekehrt. Das Magnetfeld hat dabei, vereinfacht ausgedrückt, die Funktion eines Vermittlers, und die Energie stammt nicht aus dem Magnetfeld.

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Titel

Elektromagnetische Induktion

Buch

Elektrodynamik an Schule und Hochschule

Print ISBN: 978-3-662-61841-7

Electronic ISBN: 978-3-662-61842-4

https://doi.org/10.1007/978-3-662-61842-4

DOI

https://doi.org/10.1007/978-3-662-61842-4_8

Autor:

Andreas Helzel

Verlag

Springer Berlin Heidelberg

Sequenznummer

Kapitelnummer

Kapitel 8