Elektromagnetismus - Praktische Anwendungen

Zur Herleitung und Wiederholung des Themas Lorentzkraft $F_{Lorentz}$, empfehlen wir Dir folgenden Kurs (--> LINK)

Einführung

Wir hatten in der zusammenfassenden Erkenntnis obigen Kurses bereits festgehalten, dass sich aus der . . .

• Ablenkung von Ladungen

• Kraftwirkung auf Leiter

• Kraft- und Drehbewegung auf Leiterschleifen und Spulen

. . . technische Anwendung ableiten und herstellen lassen, welche mittlerweile als unverzichtbar für unseren praktischen Alltag gelten. Wir leiten diese Anwendungen nachfolgend ab und zeigen eine kleine Auswahl auf.

1) Ablenkung von Ladungen

Ablenksysteme von geladener Teilchenstrahlung / Ladungen

Beispielhaft zu nennen sind hierbei Geräte mit sogenannten "Kathodenstrahlröhren", verbaut oftmals in älteren Bildschirmmodellen (siehe Abb. 1). Hierbei handelt es sich um eine Vorrichtung, welche einen gebündelten Elektronenstrahl (also Ladungen) in einer Kathode erzeugt und in Richtung von Anoden emittiert, welcher anschließend mittels magnetischem Feld von Spulen derart korrigiert, abgelenkt und modeliert wird, dass auf einem Leuchtschirm ein sichtbares Bild erzeugt wird.

2) Kraftwirkung auf Leiter

Wir haben mit der Ableitung der Magnetischen Flußdichte B gelernt, dass ein magnetisches Feld $B$ eine Kraftwirkung $F$ auf ein stromdurchflossenes (bewegte Ladungen $q$) Leiterstück einer bestimmten Länge $s$ hat (--> LINK, nachfolgend siehe Versuch I)

Nun gibt es in der Praxis keine spannende wie direkt nutzbringende Verwendung, welche uns den Alltag erleichtern würde, ausser natürlich in Schulen oder Universitäten (Experiment Leiterschaukel) um dieses grundlegende physikalische Phänomen eindrücklich aufzuzeigen.

Annahme und Umkehrung Ursache/Wirkung

Allerdings müsste dieses aufgezeigte Phänomen auch umgekehrt nutzbar sein und zwar dahingehend, was passiert wenn ein zunächst ruhender Leiter in einem magnetischen Feld der Flußdichte B aktiv von außen bewegt wird (nachfolgend siehe Versuch II). Diese umgekehrte Nutzung nennt man Elektromagnetische Induktion.

Für die Elektromagnetische Induktion wiederum gibt es zahlreiche praktische wie notwendige Anwendungen. Wir werden dieses Thema zusammenfassend noch ausführlicher behandeln.

Beispielhafte Anwendungen an dieser Stelle . . .

• Generatoren (Elektrische Maschinen zur Erzeugung des elektrischen Stromes)

• Transformatoren (Elektrische Maschinen zur Umwandlung elektrischer Spannungen/Ströme), siehe LINK: Kurs Transformatoren

3) Kraft- und Drehbewegung auf Leiterschleifen und Spulen

a) Grundlegendes einer Leiterschleife

Wir haben bereits in o.g. einführendem Kurs (--> LINK) gelernt, das eine einzelne stromdurchflossene Leiterschleife in einem Magnetischen Feld B eine Drehbewegung widerfährt. Wir können dies mit der Rechte-Hand-Regel (für technische Stromrichtung, Protonen) oder der Linke-Hand-Regel (für physikalische Stromrichtung, Elektronen) überprüfen.

Bereits mit dieser theoretisch einfachen Konstruktion ist prinzipiell ein Motor definiert, praktisch allerdings aufgrund der geringen entstehenden Kraft $F_{Lorentz}$ in Form einer Drehbewegung unbrauchbar. Wie können wir diese erhöhen?

b) Weiterführung durch mehrere Leiterschleifen (Spule)

Hierzu leisten wir zunächst etwas gedankliche Vorarbeit.

Es ist nachvollziehbar, dass für eine Vielzahl von Leiterschleifen (siehe Abb. 2) nacheinander, man nennt dies auch Spule, die Kraft $F_{Lorentz}$ (im Sinne einer Drehbewegung/Rotation) vermutlich verstärkt auftritt.

c) Nutzung und Anwendung am Beispiel eines Elektromotors

Um eine optimale Kraft- und Drehbewegung erzeugen zu können, wird im Magnetfeld eines Permanentmagneten ein drehbarer Elektromagnet (also eine stromdurchflossene drehbare Spule inkl. Weicheisenkern) platziert (siehe Konstruktion Abb. 3)

d) Nutzung und Anwendung am Beispiel eines Generators

Wir erinnern uns an das Ende des obigen Punktes 2. Hier hatten wir die Elektromagnetische Induktion durch Umkehrung von Ursache/Wirkung abgeleitet und deren Anwendungsmöglichkeit mit einem Generator beschrieben, ohne diesen konkret vorgestellt zu haben, was wir nun kurz nachholen werden.

Ausgehend von unserem nunmehr bekannten Elektromotor, wählen wir einen ähnlichen Versuchsaufbau (siehe Abb. 4), lediglich drehen wir nun Ursache/Wirkung um

• Bislang: Ursache Strom $\Rightarrow$ Wirkung Kraft/Drehbewegung (Motorenprinzip)

• Nunmehr: Ursache Kraft/Drehbewegung $\Rightarrow$ Wirkung Induzierter Strom (Generatorenprinzip)