Elektromagnetische Induktion Teil 3

Wiederholung

Bewegen wir einen elektrischen Leiter der (wirksamen) Länge $ll$ mit der Geschwindigkeit $vv$ (Weg $\text{∆}x∆x$ pro Zeit $\text{∆}t∆t$) in ein magnetisches Feld $BB$ wird mittels Ladungsträgertrennung durch die Kraft $F_{Lorenz}F\_\{Lorenz\}$ eine Induktionsspannung $U_{ind}U\_\{ind\}$ am Leiterstück erzeugt. Nach gleichem Prinzip funktioniert dies mit einer Leiterschleife der Flächenausdehnung $AA$.

Zur Wiederholung empfehlen wir den Artikel siehe LINK $\to \backslash rightarrow$ Elektromagnetische Induktion Teil 1

Drehen wir eine Leiterschleife (mit ihrer Flächenausdehnung $AA$) in einem magnetischen Feld $BB$, ändert sich die im Magnetischen Feld wirksame Fläche $A^{\mathrm{\prime }}A\text{'}$ (Flächenanteil jeweils $\text{⊥}\perp$ zu $BB$) über die Zeit. Der sich damit im Magnetfeld ändernde Quotient ${\displaystyle \frac{\mathrm{\Delta }A}{\mathrm{\Delta }t}}\backslash dfrac\{\Delta A\}\{\Delta t\}$ erzeugt eine sinusförmige Induktionsspannung $U_{ind}U\_\{ind\}$ abhängig vom jeweiligen Drehwinkel $\phi \phi$.

Zur Wiederholung empfehlen wir den Artikel siehe LINK $\to \backslash rightarrow$ Elektromagnetische Induktion Teil 2

Betrachten wir die aufgezeigten Formeln, so fällt auf, das bislang nur ein Größe als konstant angesehen wurde, jene der Magnetischen Flußdichte $BB$. Sofern nicht, erzeugt auch ein sich änderndes Magnetfeld $BB$ eine Induktionsspannung $U_{ind}U\_\{ind\}$, was wir nachfolgend näher betrachten werden.

Induktion durch Änderung der Magnetischen Flußdichte B

Analog zur bislang genutzten Formel zur Berechnung der Induktionsspannung durch Änderung der Fläche $AA$ (ausgedrückt mit Quotient ${\displaystyle \frac{\text{∆}A}{\text{∆}t}}\backslash dfrac\{∆A\}\{∆t\}$) gilt diese entsprechend angepasst auch für Änderungen der Flußdichte $BB$, letzteres wir durch einen Quotienten ${\displaystyle \frac{\text{∆}B}{\text{∆}t}}\backslash dfrac\{∆B\}\{∆t\}$ ausdrücken können:

Lenz’sches Gesetz, ganz einfach!

In obiger Formel bringt das "Minus" das Lenz’sches Gesetz zum Ausdruck, welches besagt, dass die Induktionsspannung $U_{ind}U\_\{ind\}$ immer ihrer Ursache entgegenwirkt. Was heißt dies konkret?

• Steigt die magnetische Flußdichte in Form des Quotienten ${\displaystyle \frac{\text{∆}B}{\text{∆}t}}\backslash dfrac\{∆B\}\{∆t\}$ an (ist dieser also positiv), wird eine negative Induktionsspannung erzeugt, wirkt also ihrer Ursache entgegen.

• Fällt oder sinkt die magnetische Flußdichte in Form des Quotienten ${\displaystyle \frac{\text{∆}B}{\text{∆}t}}\backslash dfrac\{∆B\}\{∆t\}$ ab (ist dieser also negativ), wird eine positive Induktionsspannung erzeugt.

Praktische Anwendung - Der Transformator

Was nützt all die umfangreiche Theorie, wenn wir diese nicht an einem praktischen Beispiel anwenden könnten. In der Elektrotechnik gibt es ein zentrales wie wichtiges Bauelement, ohne dieses viele uns bekannte elektrotechnische Geräte nicht genutzt werden könnten.

In nachfolgender Abb. 1 ist ein Transformator (in Kurzform auch Trafo genannt) dargestellt:

Wozu wird ein Transformator gebraucht und benutzt?

Im Grunde genommen hat ein Transformater zwei Hauptaufgaben, indem er . . .

1. Zwei Stromkreise (Primär- und Sekundärstromkreis) galvanisch voneinander trennt. Hierbei ist gemeint, dass zwei Stromkreise nicht direkt elektrisch miteinander verbunden, sondern elektrisch entkoppelt sind. Die Kopplung findet ausschließlich über das Magnetische Feld statt.

2. Ein Spannungsniveau (im Primärstromkreis) auf ein anders Spannungsniveau (im Sekundärstromkreis) absenkt oder anhebt. Gleichermaßen kann die jeweilige Höhe der Stromstärke in den beteiligten Stromkreisen umgewandelt also transformiert werden.

Unser Transformator in Abb. 1 würde beispielsweise (aufgrund der Anzahl der Wicklungen der beiden Spulen) eine eingehende Wechselspannung $U_{1}U\_1$ am Ausgang mit $U_{2}U\_2$ halbieren.

In der alltäglichen Anwendung im Haushalt finden wir unzählige verbaute Transformatoren (Abb. 2), um (sogeannnte Niedervolt-) Geräte wie Halogenlampen, Computer, Lichterketten, Fernseher, Türklingel, Haushaltsmaschinen, u.v.m., an der üblichen Haushaltsspannung von 230V nutzen zu können. In Bereichen der Stromerzeugung und Verteilung, ebenso der Industrie, gibt es unzählige Anwendungen auf welche wir an dieser Stelle zunächst nicht eingehen können.

Wie ist ein Transformator aufgebaut?

Zum prinzipiellen Aufbau:

• Mit isoliertem Draht werden 2 Spulen um einen magnetisch leitfähigen z.B. Ringkern (Material $\text{µ}r\text{}>>1\mu r>>1$, $\to \to$ LINK) gewickelt.

• Die beiden Spulen (mit jeweiliger Wicklungszahl $nn$, $NN$) sind wegen des isolierten Drahtes nicht elektrisch miteinander verbunden.

Herzlichen Glückwunsch!

Wir haben das einführende Ende dieses spannenden Themas und somit auch das Ende dieses Artikels erreicht!