Das Induktionsgesetz
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Grundlagen zum Thema Das Induktionsgesetz
Nach dem Schauen dieses Videos wirst du in der Lage sein, die Induktionsphänomene mit dem Induktionsgesetz zu erklären.
Zunächst lernst du ein grundlegendes Experiment zur Induktion kennen.
Anschließend erfährst du, mit welchen Maßnahmen sich die Induktionsspannung erhöhen lässt. Abschließend erfährst du, wie sich alle Maßnahmen mit Hilfe des Induktionsgesetzes verallgemeinern lassen.
Lerne etwas über Induktionskochherde.
Das Video beinhaltet Schlüsselbegriffe, Bezeichnungen und Fachbegriffe wie Feldlinien, Feldliniendichte, Relativbewegung, Relativgeschwindigkeit, Querschnittsfläche, Änderungsrate, Windungszahl, Windungsdichte, Eisenkern, Leiter, Induktion, Induktionsspannung, Spule, Spulenlänge, Spulenquerschnittsfläche.
Bevor du dieses Video schaust, solltest du bereits wissen, was Induktion eigentlich ist. Außerdem solltest du grundlegendes Wissen zu Magnetfeldern von Permanentmagneten und Spulen haben.
Nach diesem Video wirst du darauf vorbereitet sein, die mathematische Form des Induktionsgesetzes zu lernen.
Transkript Das Induktionsgesetz
Hä? Was geht denn da ab? Wieso schmilzt die Schokolade nur auf einer Hälfte? Die Antwort darauf ist "Das Induktionsgesetz". Wenn du noch nie etwas von Induktion gehört hast, schaust du dir am besten das Thema vorher nochmal an. Auf dem Weg zum INDUKTIONSGESETZ wollen wir jetzt herausbekommen, wie sich die Induktionsspannung erhöhen lässt. Wir betrachten dazu ein Experiment, bei dem ein Permanentmagnet in der Nähe einer Spule bewegt wird, an die ein Voltmeter angeschlossen ist. Wir untersuchen folgende Kategorien, die einen Einfluss auf die Induktionsspannung haben könnten: die Relativgeschwindigkeit zwischen Magnet und Spule, die Stärke des Permanentmagneten, die Querschnittsfläche der Spule, die Windungszahl der Spule, das Einbringen eines Eisenkerns und los. Wenn der Magnet auf die Spule zubewegt wird, dann schlägt das Voltmeter in EINE Richtung aus. Wenn der Magnet in der Spule oder in ihrer Nähe ruht, gibt es keinen Ausschlag. Wenn der Magnet von der Spule entfernt wird, schlägt das Voltmeter in die ANDERE Richtung aus. Je schneller der Magnet angenähert oder entfernt wird, desto größer ist der Ausschlag und damit die Induktionsspannung. Dabei kommt es nur auf die Relativbewegung zwischen Magnet und Spule an. Wir können auch die Spule bewegen. Wir setzen ein erstes Häkchen in unserer Liste. Die Relativgeschwindigkeit zwischen Magnet und Spule hat einen Einfluss auf die Höhe der Induktionsspannung. Nun nehmen wir ein stärkeres Magnetfeld, indem wir einen zweiten baugleichen Magneten auf den ersten legen und das Experiment mit der gleichen Relativgeschwindigkeit wiederholen. Wir erhalten einen doppelt so hohen Ausschlag der Spannung! Auch die Stärke des Magneten hat einen Einfluss auf die Induktionsspannung. Nun verdoppeln wir die Querschnittsfläche der Spule. Bei ansonsten gleichen Versuchsbedingungen verdoppelt sich der Ausschlag des Voltmeters. Wir verwenden nun eine baugleiche Spule mit doppelter Windungszahl. Bei gleichen Versuchsbedingungen verdoppelt sich auch hier die Induktionsspannung. Nun bringen wir noch einen EISENKERN in die Spule ein. Bei gleichen Versuchsbedingungen vergrößert sich der Zeigerausschlag mehr als deutlich!!! Jetzt haben wir verschiedene Faktoren untersucht, die Einfluss auf die Induktionsspannung haben. Finden wir eine gemeinsame Eigenschaft, aus der wir dann ein allgemeines Induktionsgesetz formulieren können? Alle Versuche haben gemeinsam, dass eine VERÄNDERUNG eine Induktionsspannung bewirkt hat. Als der Magnet und die Spule relativ zueinander in Ruhe waren, gab es KEINE Induktionsspannung. Aber was veränderte sich? Wir werfen einmal einen Blick auf das Feldlinienbild des Magneten. An verschiedenen Stellen der Umgebung des Permanentmagneten ist die Anzahl der Feldlinien, die eine bestimmte Fläche durchdringen, verschieden! Wenn sich also Magnet und Spule relativ zueinander bewegen, dann ändert sich die Anzahl der Feldlinien, die die Spulenfläche durchdringen!!! Je SCHNELLER die Relativbewegung ist, desto HÖHER ist die Rate, mit der die ÄNDERUNG stattfindet. Die Induktionsspannung könnte demnach abhängig von der Änderungsrate der Feldliniendichte sein. Passt das zu unseren Experimenten?Eine Erhöhung der Relativgeschwindigkeit führt bei gleichen Verhältnissen zu einer Erhöhung der ÄNDERUNGSRATE der Feldliniendichte und damit zu einer Erhöhung der Induktionsspannung. Passt. Je stärker der Permanentmagnet ist, desto höher ist die Dichte seiner Feldlinien. Passt. Hier wird deutlich, dass eine größere Querschnittsfläche von mehr Feldlinien durchdrungen wird als eine kleinere. Auch das passt also. DIESES Bild verdeutlicht, wie durch die Feldlinien UM die einzelnen Windungen HERUM das gesamte Feldlinienbild entsteht. Man kann sich leicht vorstellen, dass MEHR Windungen auf dem selben Raum zu einer VerDICHTUNG der Feldlinien insgesamt führen. Von der STROMDURCHFLOSSENEN Spule wissen wir, dass ein Eisenkern ihr Magnetfeld verstärkt, also offenbar die Feldlinien verdichtet. Dies ist auch der Fall, wenn die Spule als Induktionsspule dient. Damit haben wir alle Puzzleteile zusammen und können jetzt ein Gesetz formulieren. Dabei verallgemeinern wir die Spule ein wenig: Sie besteht aus einem Leiter, der rund um eine Fläche läuft, wir sagen: eine Fläche UMRANDET. “An den Enden eines – eine Fläche umrandenden – Leiters entsteht eine Induktionsspannung, wenn sich in dieser Fläche die Dichte der Magnetfeldlinien ändert. Die Induktionsspannung ist umso höher, je größer die Änderungsrate der Feldliniendichte ist.” Bevor wir zu unserem Kochherd zurückkehren, fassen wir zusammen. Bei Verwendung eines Permanentmagneten und einer Induktionsspule führen DIESE Maßnahmen zu einer Erhöhung der Änderungsrate der Feldliniendichte und damit auch zu einer Erhöhung der Induktionsspannung: Dies führt uns zu folgendem Induktionsgesetz. Und was ist jetzt mit der Schoki? Na ja: Der Induktionsherd liefert ein sich änderndes Magnetfeld. Dieses führt aber gemäß unserem Induktionsgesetz nur INNERHALB der halben Pfanne zu Induktion und damit zu Wärmeentwicklung! Die Schokolade an sich ist ja kein Leiter. Glücklicherweise gibt es auch ganze Pfannen.
Das Induktionsgesetz Übung
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Definiere das Induktionsgesetz.
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Beschreibe, warum die Schokolade nur im Pfannenteil schmilzt.
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Beschreibe, was passiert, wenn in einem Experiment die Windungszahl erhöht wird.
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Beschreibe Methoden, wie durch diese Anordnung in der rechten Spule eine Induktionsspannung erzeugt werden kann.
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Benenne alle Begriffe, die etwas mit dem Induktionsgesetz zu tun haben.
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Erkläre, was bei dem Versuch physikalisch passiert.
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