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Die Physik ist eine wichtige Grundlage der Technik. In der Technik werden bewusst physikalische Erkenntnisse genutzt, um z. B. Geräte und Anlagen zu bauen, Informationen zu übertragen, Energie in den gewünschten Formen zu gewinnen und zum Verbraucher zu transportieren. Dabei ist oft die Natur selbst Vorbild für technische Lösungen.
Ziel technischer Entwicklungen und damit der Anwendung der Physik ist es, unser Leben sicherer und angenehmer zu machen.

Ein Fahrraddynamo, häufig kurz als Dynamo bezeichnet, ist ein kleiner Generator für den Betrieb der Beleuchtungsanlage eines Fahrrades. In ihm wird mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Dabei wird das Induktionsgesetz genutzt.

Die elektromagnetische Induktion ist ein Vorgang, bei dem durch Bewegung eines elektrischen Leiters im Magnetfeld oder durch Änderung des von einem Leiter umschlossenen Magnetfeldes eine elektrische Spannung und ein Stromfluss erzeugt werden. Die entstehende Spannung nennt man Induktionsspannung.
Der Strom wird als Induktionsstrom bezeichnet.
Die elektromagnetische Induktion und das Induktionsgesetz wurden 1831 von MICHAEL FARADAY entdeckt.

In einer Spule wird eine Spannung induziert, wenn sich das von der Spule umfasste Magnetfeld ändert. Die Induktionsspannung ist umso größer,

• je schneller sich das von der Spule umfasste Magnetfeld ändert (je schneller man die Spule bewegt),
• je stärker sich das von der Spule umfasste Magnetfeld ändert.

Die in einer Spule induzierte Spannung hängt auch vom Bau der Spule ab. Das Induktionsgesetz wurde 1831 von dem englischen Naturforscher MICHAEL FARADAY (1791-1867) entdeckt.
Es ist eine wichtige Grundlage für den Bau von Generatoren und Transformatoren.

Als Schwingkreis bezeichnet man im einfachsten Fall eine Anordnung eines Kondensators und einer Spule in einem geschlossenen Stromkreis. Durch Anlegen einer äußeren Wechselspannung kann ein Schwingkreis zu elektromagnetischen Eigenschwingungen angeregt werden. Bei diesen Schwingungen wandeln sich beständig elektrische Feldenergie im Kondensator und magnetische Feldenergie an der Spule ineinander um.

Die Physik ist eine wichtige Grundlage der Technik. In der Technik werden bewusst physikalische Erkenntnisse genutzt, um z. B. Geräte und Anlagen zu bauen, Informationen zu übertragen, Energie in den gewünschten Formen zu gewinnen und zum Verbraucher zu transportieren. Dabei ist oft die Natur selbst Vorbild für technische Lösungen.
Ziel technischer Entwicklungen und damit der Anwendung der Physik ist es, unser Leben sicherer und angenehmer zu machen.

Wenn sich ein elektrisch leitender Gegenstand in einem Magnetfeld bewegt oder von einem zeitlich veränderlichen Magnetfeld umschlossen ist, dann werden in ihm Ströme induziert. Handelt es sich bei dem Leiter um einen langen Draht oder eine Spule, dann ist die Richtung des induzierten Stromes eindeutig vorgegeben. In räumlichen oder flächenhaften Metallstücken unterliegt die Stromrichtung turbulenten Veränderungen. Solche Ringströme bezeichnet man als Wirbelströme. Sie werden einerseits z.B. bei Wirbelstrombremsen genutzt, führen aber andererseits bei vielen elektrischen Maschinen, z.B. Transformatoren und Generatoren, zu Energieverlusten (Wirbelstromverlusten) und müssen dort möglichst klein gehalten werden.

Die elektromagnetische Induktion ist die physikalische Grundlage für die gesamte Elektrotechnik. In Generatoren wird mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Mithilfe von Transformatoren lassen sich hohe Spannungen oder große Stromstärken erzeugen.

Mit dem Test können Sie prüfen, inwieweit Sie die grundlegenden Zusammenhänge und Gesetze der elektromagnetischen Induktion verstanden haben.  

Hier kannst du dich selbst testen. So kannst du dich gezielt auf Prüfungen und Klausuren vorbereiten oder deine Lernerfolge kontrollieren.

Multiple-Choice-Test zum Thema "Physik - Elektromagnetische Induktion".

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WISSENSTEST

Generatoren dienen der Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie. Dabei wird das Induktionsgesetz genutzt. Fast alle Generatoren arbeiten nach dem Rotationsprinzip: Durch ein rotierendes Magnetfeld werden in fest stehenden Induktionsspulen Spannungen induziert (Innenpolmaschine) oder in rotierenden Induktionsspulen werden durch ein fest stehendes Magnetfeld Spannungen induziert (Außenpolmaschine).
Für die Elektroenergieversorgung nutzt man zumeist sinusförmigen Wechselstrom, dessen Entstehung für den elementaren Fall der gleichförmigen Rotation einer Leiterschleife in einem homogenen Magnetfeld leicht aus dem Induktionsgesetz ableitbar ist.

Die elektromagnetische Induktion ist ein Vorgang, bei dem durch Bewegung eines elektrischen Leiters im Magnetfeld oder durch Änderung des von einem Leiter umschlossenen Magnetfeldes eine elektrische Spannung und ein Stromfluss erzeugt werden. Umfassend wird dieser Vorgang durch das Induktionsgesetz erfasst. Aus historischer Sicht wesentlich sind eine Reihe von Versuchen, die man als Grundversuche zur elektromagnetischen Induktion bezeichnet und mit denen gezeigt werden kann, unter welchen Bedingungen überhaupt eine Induktionsspannung entsteht und durch welche Faktoren der Betrag der Induktionsspannung beeinflusst wird. In dem Beitrag sind die wichtigsten Grundversuche zusammengestellt und erläutert. Sie waren letztlich die empirische Grundlage für die Formulierung des Induktionsgesetzes, das MICHAEL FARADAY 1831 fand.

Das Induktionsgesetz ist ein grundlegendes physikalisches Gesetz und die Grundlage für die Wirkungsweise solcher Geräte wie Transformatoren und Generatoren. In Worten kann man es so formulieren:
In einer Spule wird eine Spannung induziert, wenn sich das von der Spule umfasste Magnetfeld ändert. Der Betrag der Induktionsspannung ist umso größer, je schneller sich das von der Spule umfasste Magnetfeld ändert.
Eine allgemeine mathematische Formulierung des Induktionsgesetzes lautet:
$U_i=-N\cdot \frac{\text{d}\phi }{\text{d}t}\text{oder}{U}_i=-N\cdot \frac{\text{d}(B\cdot A)}{\text{d}t}$
Aus dieser allgemeinen Formulierung kann man alle wesentlichen Spezialfälle ableiten, insbesondere auch diejenigen, die der Wirkungsweise von Transformatoren und Generatoren zugrunde liegen.

Nach dem Induktionsgesetz wird in jeder Spule, die von einem Magnetfeld veränderlicher Stärke umschlossen wird, eine Spannung induziert. Schaltet man den durch eine Spule fließenden Gleichstrom aus, dann bricht das Magnetfeld der Spule zusammen, verändert also seine Stärke und induziert deshalb in der Spule selbst eine Spannung. Diesen Vorgang bezeichnet man als Selbstinduktion.

* 13.12.1816 Lenthe bei Hannover
† 06.12.1892 Charlottenburg bei Berlin

Er war deutscher Physiker, Techniker und Unternehmer. Seine bedeutendste wissenschaftliche Leistung war die Entdeckung des dynamoelektrischen Prinzips und damit einer der Grundlagen für den Bau und die Wirkungsweise aller modernen Generatoren. Wesentlich beteiligt war er am Bau großer Telegrafenlinien in Deutschland und in anderen Ländern. Unter der Leitung von SIEMENS entstand die erste Elektrolokomotive, der erste elektrische Aufzug und die erste elektrische Straßenbahn. Die von ihm mitbegründete Firma Siemens & Halske war Ende des 19. Jahrhunderts eines der führenden Unternehmen der Elektroindustrie in der Welt.

Bewegt sich ein elektrisch leitender Gegenstand in einem Magnetfeld, dann werden in ihm Wirbelströme induziert. Diese Wirbelströme kann man zur Bremsung oder Dämpfung einer Bewegung nutzen. Das Verfahren wird häufig eingesetzt, wenn man eine direkte mechanische Belastung von Bauteilen vermeiden will.

Elektrische und magnetische Felder existieren nicht nur in der Technik, sondern auch in der Natur. Beispiele dafür sind das magnetische Feld der Erde oder elektrische Felder zwischen Wolken oder zwischen einer Wolke und der Erde, die zu einem Blitz führen können.

Eine wichtige physikalische Grundlage für die gesamte Elektrotechnik ist die elektromagnetische Induktion. Sie wird bei Generatoren und bei Transformatoren genutzt. Mit dem Test wird grundlegendes Wissen aus dem genannten Themenbereich überprüft.

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Multiple-Choice-Test zum Thema "Physik - Elektrische und magnetische Felder".

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WISSENSTEST

HEINRICH FRIEDRICH EMIL LENZ (1804-1865) entdeckte 1833 bei seinen Untersuchungen zum elektrischen Strom und zu der von MICHAEL FARADAY (1791-1867) erforschten elektromagnetischen Induktion, dass die Richtung des Induktionsstromes nicht zufällig ist. Sie steht vielmehr in ursächlichem Zusammenhang mit der jeweiligen Ursache für das Entstehen einer Induktionsspannung. Es gilt:

Der Induktionsstrom ist stets so gerichtet, dass er der Ursache seiner Entstehung entgegenwirkt.

Dieses Gesetz, das nichts anderes ist als der Energieerhaltungssatz für die elektromagnetische Induktion ist, wird nach seinem Entdecker als lenzsches Gesetz oder lenzsche Regel bezeichnet.

Als Schwingkreis bezeichnet man im einfachsten Fall eine Anordnung eines Kondensators und einer Spule in einem geschlossenen Stromkreis. Durch Anlegen einer äußeren Wechselspannung kann ein Schwingkreis zu elektromagnetischen Eigenschwingungen angeregt werden. Bei diesen Schwingungen wandeln sich beständig elektrische Feldenergie im Kondensator und magnetische Feldenergie an der Spule ineinander um.

Eine stromdurchflossene Spule wird von einem Magnetfeld durchsetzt und ist auch von diesem Feld umgeben. Bei konstanter Stromstärke ist dieses Feld zeitlich konstant. Verändert sich die Stromstärke, so verändert sich auch die Stärke des Magnetfeldes, das von der Spule umschlossen wird. Damit wird nach dem Induktionsgesetz in der felderzeugenden Spule selbst eine Spannung induziert. Diese Erscheinung wird als Selbstinduktion, die entstehende Spannung als Selbstinduktionsspannung bezeichnet. Der Bau der Spule, der für den Betrag der Induktionsspannung eine erhebliche Rolle spielt, wird durch die Größe Induktivität charakterisiert.

* 13.12.1816 in Lenthe bei Hannover
† 06.12.1892 in Charlottenburg bei Berlin

Er war deutscher Physiker, Techniker und Unternehmer. Seine bedeutendste wissenschaftliche Leistung war die Entdeckung des dynamoelektrischen Prinzips und damit einer der Grundlagen für den Bau und die Wirkungsweise aller modernen Generatoren. Wesentlich beteiligt war er am Bau großer Telegrafenlinien in Deutschland und in anderen Ländern. Unter der Leitung von Siemens entstand die erste Elektrolokomotive, der erste elektrische Aufzug und die erste elektrische Straßenbahn. Die von ihm mitbegründete Firma Siemens & Halske war Ende des 19. Jahrhunderts eines der führenden Unternehmen der Elektroindustrie in der Welt.

Transformatoren oder Umformer werden verwendet, um elektrische Energie eines Wechselstromes von einem Primärstromkreis auf einen Sekundärstromkreis zu übertragen. Bei dieser Übertragung kann man die Werte für die Spannungen und die Stromstärken verändern. Das Funktionsprinzip von Transformatoren beruht auf der elektromagnetischen Induktion, wobei die eine Spule als felderzeugende Spule und die andere als Induktionsspule dient.
Für die praktische Anwendung wesentlich ist die Anpassung eines Transformators an die jeweilige Belastung. In der Technik gibt es auch eine Reihe von speziellen Transformatoren, zu denen beispielsweise Netzgeräte oder Zündspulen gehören.