Arbeitsblatt: Zusammenfassung Elektrisches und Magnetisches Feld

Elektrisches und magnetisches Feld Elektrisches Feld Eigenschaften des elektrischen Feldes: Ein elektrisches Feld ist ein Raum, in dem auf geladene Körper Kräfte ausgeübt werden. Im Raum zwischen positiv und negativ geladenen Elektroden herrscht ein elektrisches Feld, das Kräfte auf elektrische Ladungen ausübt. Elektrische Feldlinien Richtung der auftretenden Kräfte Gehen von positiven Ladungen aus und enden auf negative Ladungen Beginnen und enden auf der Oberfläche einer elektrischen Ladung Sind immer senkrecht Sie schneiden sich gegenseitig nie Je dichter, desto stärker die Kraftwirkung Homogenes Feld: Feldlinien verlaufen parallel mit dem gleichen Abstand zu einander in die selbe Richtung Inhomogenes Feld: Feldlinien sind nicht parallel und haben unregelmässige Abstände zueinander Elektrische Feldstärke E: Bespiel: zwei getrennte Kondensatorplatten werden unter Gleichspannung gesetzt, die Kondensatorplatten laden sich negativ und positiv auf, es entstehen Feldlinien und auf ein Styroporball wirkt sich eine Kraft aus Die elektrische Feldstärke bewirkt eine Kraft auf eine Ladung im elektrischen Feld Ein elektrisches Feld entsteht zwischen zwei entgegengesetzt geladenen Körpern Elektrische Influenz und Polarisation: Beispiel: gleiche Situation wie oben, nur werden zwei kleinere Platten in das elektrische Feld getan, wenn man jetzt die zwei kleineren Platten trennt, entsteht zwischen diesen ein feldfreier Raum Bei Metallen wird die Influenz genutzt, um eine Abschirmung elektrischer Felder zu erreichen Erwünschte elektrische Felder bzw. Kapazitäten: Kondensator Unerwünschte elektrische Felder bzw. Kapazitäten: Zwischen parallel verlaufenden Leitungen Zwischen Leitungen und benachbarten Metallteilen In Transistoren und Dioden Zwischen Drahtwindungen einer Spule In Widerstände Verhalten eines Kondensators: Besteht aus zwei elektrisch leitenden Platten (z.B. Metallfolien) mit Isolierstoff (Dielektrikum) dazwischen Laden an Gleichspannung: Beim Laden fliesst zu Beginn ein hoher Ladestrom. Während des Aufladens wird der Ladestrom immer kleiner, bis er zu null wird. Dann sperrt der Kondensator den Gleichstrom der Kondensator ist aufgeladen Die eine Platte hat nun einen Elektronenmangel und die andere Platte Elektronenüberschuss Spannung ist erzeugt Entladen (Kurzgeschlossen): Strom ist im Minusbereich hoch und fällt dann langsam zum Nullpunkt Kondensatoren können elektrische Ladungen speichern Kapazität eines Kondensators: Erhöht man die Spannung an einem Kondensator auf den doppelten Wert, so fliesst auch die doppelte Ladung auf die Kondensatorplatten Ein Kondensator hat die Kapazität 1 Farad (F), wenn er von der Ladung 1As um 1V aufgeladen wird (1F 1As/V) Einheit Farad ist für die Praxis zu gross mF, F, nF, pF Laden und Entladen eines Kondensators: die Stromstärke nimmt beim Laden zunächst rasch, dann immer langsamer ab Das Laden eines Kondensators dauert umso länger, je grösser die Kapazität ist Im Einschaltmoment wirkt der Kondensator wie ein Kurzschluss, ist der Kondensator aufgeladen wirkt er wie ein grosser Widerstand Der aufgeladene Kondensator sperrt im Gleichstromkreis den Strom die Stromstärke nimmt beim Entladen zunächst rasch, dann immer langsamer ab (im Minusbereich, weil Strom in den Stromkreis zurückgegeben wird) Spannung nimmt beim Entladen zuerst schnell, dann langsam ab Energie des geladenen Kondensators: Ein Kondensator wird über den Widerstand an eine Gleichspannung geschaltet. Es fliesst ein Strom, bis der Kondensator auf die Spannung geladen ist. Nun hat der Kondensator die Ladung und die Spannung U. Es gilt die Beziehung x U, das heisst die Ladung ist der Spannung verhältnisgleich. Parallelschaltung von Kondensatoren: An jedem Kondensator liegt die gleiche Spannung an In jedem Kondensator fliesst ein Teilladestrom und lädt ihn auf Die Gesamtladung ist die Summe der Teilladungen Gesamtkapazität ist gleich der Summe der Einzelkapazitäten Reihenschaltung von Kondensatoren: An jedem Einzelkondensator liegt nur eine Teilspannung, sie ist umgekehrt proportional zur Kapazität Durch alle Kondensator fliesst der gleich grosse Ladestrom Jeder Kondensator speichert eine gleich grosse Ladung - Die Gesamtkapazität ist kleiner als die kleinste Einzelkapazität Am Kondensator mit der grössten Kapazität liegt die kleinere Spannung Kenngrössen und Bauformen von Kondensatoren: Kenngrössen Nennkapazität ist angegeben Bemessungsspannung: maximal 40C höhere Spannung: Zerstörung Abhängig vom Isolierstoff Toleranz Verlustfaktor, tan Quotient aus Wirk- und Blindteil Temperaturbeiwert Kapazitätsänderung je Kelvin Kunststofffolien-Kondensatoren Kennzeichen Dielektrikum: Kunststofffolien Gewickelte dünne Metallfolien Kapazität: nF – uF Spannung: 63V – 1000V Metallisierte KunststofffolienKondensatoren Kennzeichen MK Dielektrikum: Kunststofffolien Aufgedampfte dünne Metallschichten Selbstheilung Keramik-Kondensatoren Dielektrikum: keramische Masse Aufgedampftes Edelmatell Kapazität: 1 pF – 470 nF Spannung: 400V Metallpapierkondensatoren Kennzeichen MP Papierband mit aufgedampfter Metallschicht z.B. Zink Selbstheilung Arten Glättungskondensatoren Kompensationskondensatoren Frequenzabhängigen Widerstand Koppelkondensatoren Kondensatoren Bauformen Festkondensatoren konstante Kapazitätswerte Dreh- und Trimmerkondensatoren veränderbare Kapazität Info Nur für Gleichspannung Beachten: Polarität und Spannungshöhe Umweltbelastend wegen flüssigem Elektrolyt Nach Abfallgesetz entsorgen Aluminium-Elektrolytkondensatoren Positive Elektrode: Aluminiumfolie Aluminiumoxidschicht Negative Elektrode: Elektrolyt Hohe Kapazitäten Tantal-Elektrolytkondensatoren Anode: Tantal (Folie, Draht und Sinterkörper) Katode: Elektrolyt z.B. Schwefelsäure Dielektrikum: Tantalpentoxid Chip-Kondensatoren Z.B. für Leiterplatten gelötet Magnetisches Feld Magnete: Ferromagnetische Stoffe: Stoffe, die von einem Magneten angezogen werden Eisen, Nickel und Kobalt Besitzen einen Süd- und einen Nordpol Ungleichnamige Magnetpole ziehen sich an Gleichnamige Magnetpole stossen sich ab Pole des Magneten: Ferromagnetische Stoffe lassen sich magnetisieren: alle ungeordnete Elementarmagnete im Stoff selber werden ausgerichtet, wenn alle ausgerichtet sind, ist der Stoff magnetisch gesättigt. Ferromagnetische Stoffe lassen sich zum Beispiel durch Ausglühen (Curiepunkt), Wechselstrommagnetfeld oder Erschütterung entmagnetisieren Weichmagnetische Stoffe lassen sich leicht wieder entmagnetisieren Trafobleche Hartmagnetische Stoffe lassen sich nur mit hohem Energieaufwand magnetisieren und entmagnetisieren, aus solchen Stoffen werden Dauermagnete hergestellt Magnetisches Feld und seine Darstellung: Um einen Magneten herrscht ein magnetisches Feld, es wirken Kräfte auf ferromagnetische Stoffe, die vom Magnetismus ausgeht Das magnetische Feld herrscht im Innern eines Magneten und im Raum um einen Magneten Magnetische Feldlinien sind Linien, die den Verlauf der magnetischen Kraftwirkung darstellen Magnetische Feldlinien sind immer geschlossene Feldlinien ohne Anfang und Ende Magnetische Feldlinien verlaufen ausserhalb des Magneten vom Nordpol zum Südpol und innerhalb vom Südpol zum Nordpol Magnetische Feldlinien treten immer senkrecht aus der Magnetoberfläche aus bzw. in sie ein Homogene Felder: die Richtung und die Grösse der magnetischen Kraftwirkung ist an jeder Stelle im Feld gleich Feldlinien verlaufen parallel, in gleichem Abstand in die gleiche Richtung Radialhomogene Felder: die Richtung der magnetischen Kraftwirkung verläuft im Feld strahlenförmig nach allen Richtungen angewendet bei Messgeräten, Motoren und Generatoren Stromdurchflossener Leiter und Magnetfeld: Fliesst der Strom aus dem Leiter heraus, so zeichnet man in den Leiterquerschnitt einen Punkt, fliesst er in den Leiter hinein, so zeichnet man ein Kreuz Die magnetischen Feldlinien verlaufen im Uhrzeigersinn, wenn man in Stromrichtung auf den Leiter blickt, sie verlaufen gegen den Uhrzeigersinn, wenn der Strom auf den Betrachter zufliesst Schraubenregel: man denkt sich eine Schraube mit Rechtsgewinde in Richtung des Stromes in den Leiter geschraubt, die Drehrichtung der Schraube gibt dann die Richtung der Feldlinien an Magnetisches Wechselfeld: um Leiter, die mit Wechselstrom durchflossen werden, bildet sich ebenfalls ein Magnetfeld, das sich ständig ändert Stromdurchflossene Spule und Magnetfeld: Eine Spule besteht auch mehreren in Reihe geschalteter Windungen Das Magnetfeld einer Spule ergibt sich aus der Überlagerung der Magnetfelder der einzelnen Windungen, es entsteht ein Magnetfeld, das dem des Stabmagneten gleicht Im Innern der Spule ist das magnetische Feld dicht und homogen, dort wo die Feldlinien austreten ist der Nordpol, dort wo sie eintreten ist der Südpol Stromdurchflossene Spulen sind Elektromagnete Spulen-Regel: legt man die rechte Hand so um eine Spule, dass die Finger in Stromrichtung zeigen, dann zeigt der abgespreizte Daumen zum Nordpol der Spule Magnetischer Fluss : Magnetischer Fluss: Gesamtzahl der magnetischen Feldlinien eines Dauermagneten oder einer stromdurchflossenen Spule Je stärker der Strom, desto stärker ist auch der magnetische Fluss Bei einer Spule vervielfachen die stromdurchflossene Anzahl der Windungen den magnetischen Fluss Elektrische Durchflutung : Elektrische Durchflutung Stromstärke x Windungszahl - Wenn man die eine Feldlinie vorstellt, die alle stromdurchflossenen Leiter einer Spule umfasst, so wird die so entstandene Fläche von den Strömen durchflutet Magnetische Feldstärke H: Den Quotienten aus Durchflutung und mittlerer Feldlinienlänge lm nenn man magnetische Feldstärke Magnetische Flussdichte B: Ein Magnet hat eine um so grössere Kraftwirkung, je dichter die magnetischen Feldlinien sind, also je grösser der magnetische Fluss und je kleiner die Fläche ist, die von ihm durchsetzt wird Den Quotienten aus magnetischen Fluss und der Fläche nennt man magnetische Flussdichte hat die Einheit Tesla Je grösser die magnetische Flussdichte eines Magneten ist, umso grösser ist die magnetische Wirkung Eisen im Magnetfeld einer Spule: Ein Eisenkern erhöht die magnetische Flussdichte einer stromdurchflossenen Spule wesentlich Weisssche Bezirke: sind Kristallbereiche in ferromagnetischen Stoffen, die in dich magnetisch gleich ausgerichtet sind Spule ohne Eisenkern: magnetische Flussdichte nimmt im gleichen wie der Spulenstrom und damit wie die magnetische Feldstärke zu Spule mit Eisenkern: das Magnetfeld der stromdurchflossenen Spule wird durch das Eisen verstärkt, ab der Sättigung des Eisens nimmt die Flussdichte der Spule bei weiterer Stromerhöhung nur noch bei Luftspulen zu Permeabilitätszahl r die Zahl drückt aus, wie viel mal besser, oder auch schlechter ein Stoff magnetisierbar ist, als Vakuum bzw. Luft Permeabilität eines Stoffes: 0 r Beim Magnetisieren und Entmagnetisieren bleibt immer eine restliche magnetische Flussdichte die Remanenzflussdichte Br, die Feldstärke, die notwendig ist, um den Restmagnetismus zu beseitigen, nennt man Koerzitivfeldstärke Hc Bei Wechselstrom wird das Eisen ständig ummagnetisiert, dabei entstehen Wärmeverluste Hystereseverluste (Ummagnetisierungsverluste) Magnetischer Kreis: Den in sich geschlossenen Verlauf der magnetischen Feldlinien nennt man magnetischen Kreis Je kleiner der Luftspalt in einem magnetischen Kreis ist, umso grösser ist bei gleicher Durchflutung der magnetische Fluss Man versucht deshalb, z.B. bei elektrischen Maschinen, die erforderlichen Luftspalte möglichst klein zu halten Streufluss: man nennt einen Teil des magnetischen Flusses, der nicht genutzt werden kann, Streufluss. Streufluss bedeutet einen Verlust an magnetischer Energie (Streuverluste) Stromdurchflossener Leiter im Magnetfeld: Auf den stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld wirkt eine Kraft senkrecht zum Magnetfeld und senkrecht zum Leiter Die Richtung der Ablenkkraft hängt von der Stromrichtung im Leiter und von der Richtung des Magnetfeldes ab Motorregel: hält man die linke Hand so, dass die Feldlinien vom Nordpol her auf die Innenfläche der Hand auftreffen und die ausgestreckten Finger in Stromrichtung zeigen, dann zeigt der abgespreizte Daumen die Ablenkkraft des Leiters an Die Kraft auf den Leiter vergrössert sich mit dem Leiterstrom Die Kraft auf den Leiter wächst mit der magnetischen Flussdichte Motorprinzip: Stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld erzeugen Bewegung Lorentzkraft: die Kraft auf die im Magnetfeld bewegte Ladungträger Stromdurchflossene Spule im Magnetfeld: Auf eine stromdurchflossene Spule im Magnetfeld wirkt eine drehende Kraft, die Kraftrichtung hängt von der Stromrichtung in der Spule und von der Richtung des Magnetfeldes ab Stromdurchflossene parallele Leiter: Fliesst der Strom in beiden Leitern in gleicher Richtung, so umschlingt das gemeinsame Feld beide Leiter. Zwischen den Leitern ist die magnetische Flussdichte geringer als ausserhalb, die Feldlinien wollen sich verkürzen und er entsteht eine Anziehungskraft Fliessen die Ströme in entgegengesetzter Richtung, so verstärkt sich zwischen den Leitern das Magnetfeld und es entsteht eine abstossende Kraftwirkung Fliesst Wechselstrom durch die Leiter, so wechselt ständig die Kraftwirkungsrichtung Induktion der Bewegung (Generatorprinzip): Wird eine Leiterschleife in einem Magnetfeld so bewegt, dass sich der magnetische Fluss in der Schleife ändert, wird in ihr während der Bewegung eine Spannung induziert Induktion Generatorprinzip: Magnetfeld und Bewegung eines Leiters erzeugen eine Spannung Die Richtung der induzierten Spannung hängt von der Richtung der Bewegung und von der Richtung des Magnetfeldes ab Die Höhe der induzierten Spannung nimmt mit der Geschwindigkeit des Leiters zu Ändert sich der von einer Spule umfasste magnetische Fluss, wird in ihr eine Spannung erzeugt Die induzierte Spannung wächst mit der Anzahl der Windungen bzw. der Leiter Generatorregel: hält man die rechte Hand so, dass die Feldlinien vom Nordpol her auf die Innenfläche der Hand treffen und der abgespreizte Daumen in die Bewegungsrichtung zeigt, so fliesst der Induktionsstrom in Richtung der ausgestreckten Finger Die Spannungserzeugung durch Induktion der Bewegung wird bei Generatoren angewendet Lenzsche Regel: Der durch eine Induktionsbewegung hervorgerufene Strom ist stets so gerichtet, dass er der Ursache der Induktion entgegenwirkt Induktion der Ruhe (Transformatorprinzip): In der zweiten Spule wird eine Spannung induziert, wenn sich die Anzahl der von der ersten Spule umfassten Feldlinien, also der umfasste magnetische Fluss, ändert Ein Eisenkern verstärkt das Feld in den Spulen, bei Feldänderung erhält man damit eine grössere Änderung des magnetischen Flusses Die induzierte Spannung ist umso grösser, je schneller sich der magnetische Fluss in der Spule ändert Die Anordnung zweier Spulen (Wicklungen) auf einem gemeinsamen Eisenkern nennt man Transformator Die induzierte Spannung ist der Windungszahl proportional Induktionsgesetz: die in einer Spule induzierte Spannung ist umso grösser, je grösser die Windungszahl der Spule, je stärker die Flussänderung und je kürzer die Zeitdauer ist, in der diese Flussänderung erfolgt Wirbelströme: Wird Metall in einem Magnetfeld bewegt, so entstehen im Metall Wirbelströme, deren Magnetfeld die Bewegung bremst Wirbelströme entstehen besonders in massiven Metallen durch ein magnetisches Wechselfeld oder durch Bewegung des Metalls in einem Magnetfeld und erzeugen Wärme Durchbricht ein magnetisches Wechselfeld Metall, so werden im Metall Wirbelströme erzeugt, die das Metall stark erwärmen Wirbelströme können Energieverluste (Wirbelstromverluste) verursachen, Wirbelströme können aber auch technisch genutzt werden Wirbelstrombremsung wendet man bei Elektrizitätszählern an. Es dreht sich eine elektromotorisch angetriebene Aluminiumscheibe zwischen den Polen eines Dauermagneten.