Lorentzkraft und Spannung?
Wenn in einem Generator Bewegungsenergie in elektrische Energie umgewandelt wird, erfolgt dies ja durch die Lorentzkraft, welche eine Spannung induziert. Aber wie genau werden der Plus- und Minuspol angelegt? Und warum befinden sich nicht direkt alle Elektronen am Minuspol? Und wenn der Strom beim Pluspol angekommen ist, wie kommt er dann wieder zum Minuspol? Damit das Ganze von Neuem beginnen kann?
4 Antworten
Mal ein ganz vereinfachtes Modell. Brich dir aber nicht das Handgelenk.
Das Magnetfeld ( Zeigefinger ) zeige in den Bildschirm hinein; der Daumen ( Draht ) bewege sich nach Oben. Dann zeigt der Mittelfingert v X B nach Links; da Elektronen aber eine negative Ladung besitzen
F = e v X B ( 1 )
werden sie nach Rechts gedrückt - und stauen sicb da, weil wo sich eine Ladungsdichte aufbaut, wird eine Gegen EMK induziert.
Fließen kann der Strom doch erst, wenn du den Kreis AUSSERHALB des Magnetfelds schließt - frei nach dem Prinzip, dass sich nichts " staut " ===> ( ( quasi ) stationärer Strom )
Hier kriegst du gleich einen Anschauungsunterricht in ===> Lenzscher Regel geboten. So bald nun der Induktionsstrom zu fließen beginnt - physikalische Stromrichtung von Rechts nach Links; also Daumen nach Links - ist dieser Bewegung eine weitere Lorentzkraft zugeordnet.
Diesmal ist es sogar leichter; der Mittelfinger weist nach UNTEN , der Bewegung des Drahtes ENTGEGEN . Du musst Arbeit aufwenden, um den Leiter gegen diesen Widerstand im Feld zu verschieben ===> Induktionsbremse.
===> Michael Faraday war ein schlaues Köpfchen; als ich noch Grundschüler war, wollte ich auch mal so werden wie der. Selbst die Einsteinschen ===> Gravitationswellen hat er vorher gesehen.
Aber den Energiesatz hat er Zeit Lebens nicht begriffen. ER hat es nicht so gesagt; und es hat ihm auch keiner unter die Nase gehalten.
Faraday kannte die Entdeckung des Elektromagnetismus ===> Christian Oersted ( 1820 )
Übrigens die Hörer von ===> Robert-Wichard Pohl nannten dessen Vorlesungen den " Physikzirkus " ; mach dich mal schlau in Pohls " Elektrizitätslehre " ( eine Fundgrube für Schüler wie dich; deine Lehrer werden staunen, was du alles weißt ) - mach dich mal schlau, was der ===> Rowlandstrom ist.
" Strom ist bewegte Ladung. "
" JEDER Strom erzeugt ein Magnetfeld. " Also?
Faraday war ganz typisch ein Mensch wie ich; er legte den Rückwärtsgang ein; er dachte rückwärts. 1834 entdeckte er die elektromagnetische Induktion.
" Angenommen ich schließe eine Spule über eine Glühbirne zu einem geschlossenen Kreis und lege neben die Spule einen ( nur hinreichend ) starken Magneten.
Dann müsste das Lämpchen doch leuchten ... "
Warum wäre das, wenn sowas ginge, ein Perpetuum Mobile?
Das ist für diese Zwecke im Prinzip das gleiche wie mit einem Ventilator und der Luft.
Wie ein sich veränderndes Magnetfeld die Elektronen beschleunigt, so beschleunigen die Schaufeln des Ventilatorrotors die Luft.
Dadurch wird auf der einen Seite des Ventilators der Luftdruck erhöht und auf der anderen Seite erniedrigt. Wenn wir z. B. das Staubsaugerrohr oder den Föhn zuhalten (entspricht offenem Stromkreis), staut sich ein wenig Luft, bis der Gegendruck genau dem Ventilatordruck entspricht. Das entspricht dem Plus- und dem Minuspol am Generator: auch hier befinden sich nur so viele Elektronen mehr bzw. weniger an den Polen, dass die Gegenspannung genau der Generatorspannung entspricht.
Wenn wir das Rohr freigeben (den Stromkreis schließen), kann die Luft im Kreis strömen - außen herum (wie der äußere Stromkreis auf der einen Seite Elektronen aufnimmt und auf der anderen Seite abgibt).
Plus und Minuspol werden nicht angelegt, sondern entstehen dadurch erst.
Die Lorentzkraft schiebt die Elektronen im Leiter an eine Seite, dadurch ist auf der einen Seite ein Elektronenmangel (+ Pol) und auf der anderen Seite ein Elektronenüberschuss (- Pol).
Wenn der Strom wieder beim Pluspol ist werden die Elektronen durch die Lorentzkraft wieder zum - Pol bewegt ähnlich einer Wasserpumpe welche Wasser im Kreis pumpt.
Die Lorentz-Kraft ist hier nicht angebracht. Was Du brauchst, ist das Induktionsgesetz.
Beide Sachen beschreiben in dem Fall den selben Effekt, nämlich die Erzeugung eines elektrischen Feldes durch ein Magnetisches.
Die Lorentzkraft beschreibt die Erzeugung dieses Feldes durch Kraft auf Ladungsträger ähnlich wie beim Halleffekt, das Induktionsgesetz durch zeitliche Änderung des magnetischen Flusses.
Weil die Physik ja in sich Konsistent sein sollte, dürfen beide betrachtungen keinen Unterschied ergeben, was in diesem Fall auch stimmt.
Zur Anwendung des Induktionsgesetzes muss man aber eine Leiterschleife betrachten, für die Lorentzkraft reicht ein einfacher Leiter, darum ist die Erklärung über die Lorentzkraft beim Elektromotor und Generator einfacher, weil man im Prinzip nur den Leiter im Magnetfeld betrachten muss und nicht das Magnetfeld auf die Leiterschleife projezieren muss.
Lorentzkraft und Induktionsgesetz sind zwei verschiedene mathematische Beschreibung ein und derselben Sache, nämlich aus zwei verschiedenen Bezugssystemen. FL = E • q + q • (v x B) Aus Sicht des Magneten ist E = 0 und es bleibt der zweite Term, aus Sicht des Drähtes ist v = 0 und es bleibt E • q, also das elektrische Feld nach dem Induktionsgesetz. Es sind also zwei Beschreibungen derselben Sache.