Physik-LK · Skript 3 · Elektrizitätslehre
Lenzsche Regel
Der Induktionsstrom ist stets so gerichtet, dass er seiner Ursache entgegenwirkt. Das folgt aus der Energieerhaltung: Würde er seine Ursache verstärken, könnte man aus nichts Energie gewinnen. Die elektrische Energie des Induktionsstroms stammt aus der Arbeit, die man gegen die Bremskraft verrichten muss. Hier siehst du das an einem Ring, an einem Pendel und an einem fallenden Magneten.
So gehst du vor
- 1Ring: Ziehe den Magneten mit dem Finger zum Ring und wieder weg. Verfolge rechts die Kette von der Flussänderung bis zur Kraft. Wiederhole das mit dem geschlitzten Ring.
- 2Wirbelstrombremse: Lenke die Platte aus, lass sie los und stoppe, bis sie ruht. Vergleiche massive und geschlitzte Platte.
- 3Rohr: Lass Magnet und Metallstück fallen. Übernimm die Zeiten der Lichtschranken in Tabelle A und bestimme die Endgeschwindigkeit.
Anordnung
Punkt und Kreuz am Ring zeigen die Stromrichtung im Schnitt: Punkt aus der Zeichenebene heraus, Kreuz hinein. N und S neben dem Ring: Die Ringseiten wirken wie Pole eines Magneten. Positiver Strom heißt, dass sein Feld im Ring nach rechts zeigt.
Tempo des Magneten v
0,30 msWas gerade geschieht
Der Fluss durch den Ring ändert sich nicht. Es wird keine Spannung induziert.
Aufträge
- Ring: Fahre den Magneten mit dem Nordpol voran heran. Was ist die Ursache des Induktionsstroms? Bestimme, welcher Pol an der Ringseite entsteht, die dem Magneten zugewandt ist. Wiederhole das mit dem Südpol voran.
- Fahre den Magneten wieder weg. Was ändert sich am Strom, was an der Kraft? Was bleibt in beiden Fällen gleich?
- Schalte auf den geschlitzten Ring. Wird noch eine Spannung induziert? Warum bewegt sich der Ring nicht?
- Begründe mit dem Energieerhaltungssatz, warum der Strom nicht andersherum fließen kann. Was müsste sonst mit einem Ring geschehen, dem man den Magneten nähert?
- Wirbelstrombremse: Stoppe bei B = 300 mT die Zeit für die massive und für die geschlitzte Aluminiumplatte. Erkläre den Unterschied. Was geschieht bei Kunststoff?
- Vergleiche B = 150 mT und B = 300 mT. Die Bremskraft wächst mit B². Begründe das in zwei Schritten: Wovon hängt der Wirbelstrom ab, wovon die Kraft auf ihn? Wohin geht die Energie des Pendels?
- Rohr: Lass bei 20 g den Magneten durch das Kupferrohr fallen, dann das Metallstück. Vergleiche die Fallzeiten. Warum wird die Geschwindigkeit des Magneten konstant?
- Beobachte den Energiebalken. Warum wächst beim Magneten im Kupferrohr fast nur die Wärme? Welche Leistung setzt der Magnet mit 20 g um?
- Fülle Tabelle B für vier Massen und bestimme die Bremskonstante. Bestimme dann die Bremskonstante von Rohr X und vergleiche mit Kupfer. Löse erst danach auf.
Theorie: E-Lehre-Skript, Abschnitte „Die Lenzsche Regel“ und „Wirbelströme“; Aufgabe „Lenzsche Regel anwenden“.