Wirbelströme, Induktion, Magnetfeld?
Ich sollte in einem Experiment eine Magnetkugel eine Aluminiumschiene und eine Kunststoffschiene herrunterrollen lassen. Sie war bei der Aluminiumschiene deutlich langsamer und hat auch manchmal gestoppt und ist wieder losgerollt.
Ich soll dafür eine Erklärung finden. Bisher habe ich das:
Das Rollen der Magnetkugel induziert in der Aluminiumwinkelschiene Wirbelströme. Diese erzeugen ein Magnetfeld, welches dem Magnetfeld der Magnetkugel gemäß der Lenz’schen Regel (Die Lenz’sche Regel besagt, dass ein Induktionsstrom stets so gerichtet ist, dass er der Ursache seiner Entstehung entgegenwirkt.)entgegengesetzt ist und somit die Kugel bremst.
Stimmt das überhaupt und kann das jemand noch genauer formulieren oder die Zusammenhänge besser erklären, weil ich das insgesamt noch nicht vollständig verstanden habe (vor allem die Verbindung zwischen Induktion, Induktionsstrom und Wirbelstrom). Und was hat das ganze mit der Lorentzkraft zu tun? Dankeschön :)
Stimmt diese Aussage? Und trifft das auf meinen Versuch zu?
1 Antwort
Ja, deine Erklärung ist im Grundsatz korrekt. Ich kann versuchen, die Zusammenhänge noch etwas genauer zu formulieren.
Wenn die Magnetkugel die Aluminiumschiene hinunterrollt, entsteht durch die relative Bewegung zwischen dem Magnetfeld der Kugel und der Aluminiumschiene eine Änderung des magnetischen Flusses. Dies führt nach dem Faraday'schen Induktionsgesetz zu einer induzierten elektromotorischen Kraft (emf) in der Aluminiumschiene. Die induzierte emf treibt einen elektrischen Strom in der Schiene, der als Wirbelstrom bezeichnet wird.
Wirbelströme fließen in geschlossenen Pfaden innerhalb des leitenden Materials (in diesem Fall Aluminium), ähnlich wie Wasser in einem Wirbel oder Strudel fließt. Deshalb werden sie als "Wirbelströme" bezeichnet.
Nach der Lenz'schen Regel ist die Richtung des induzierten Stroms (und des daraus resultierenden magnetischen Feldes) immer so, dass sie versucht, die Änderung des magnetischen Flusses zu verhindern, die ihn verursacht hat. In diesem Fall wird das durch den Wirbelstrom erzeugte Magnetfeld so gerichtet sein, dass es dem ursprünglichen Magnetfeld der Kugel entgegenwirkt und so die Kugel bremst.
Die Lorentzkraft ist die Kraft, die auf eine Ladung in einem elektromagnetischen Feld wirkt. In diesem Fall ist die Lorentzkraft die Kraft, die auf die bewegten Ladungen (den Wirbelstrom) in der Aluminiumschiene wirkt und sie in eine kreisförmige Bahn lenkt. Dies ist ein weiterer Grund, warum die Magnetkugel gebremst wird.
Das bedeutet, dass die Kugel auf der Aluminiumschiene langsamer rollt als auf der Kunststoffschiene, weil die Kunststoffschiene nicht leitfähig ist und daher keine Wirbelströme und kein entgegengesetztes Magnetfeld erzeugen kann.
Ja, diese Aussage ist korrekt und beschreibt das grundlegende Prinzip der elektromagnetischen Induktion. Die Lorentzkraft wirkt auf die Ladungsträger in einem Leiter, wenn dieser sich in einem sich ändernden Magnetfeld befindet. Die resultierende Bewegung der Ladungsträger führt zu einer Ladungstrennung und somit zur Bildung eines elektrischen Feldes und einer induzierten Spannung.
Das trifft auch auf deinen Versuch zu. Wenn die Magnetkugel die Aluminiumschiene hinunterrollt, ändert sich das Magnetfeld in der Schiene, weil die Quelle des Magnetfeldes (die Kugel) sich bewegt. Dies führt zu einer induzierten Spannung in der Schiene und zum Fließen von Wirbelströmen. Die Wirbelströme erzeugen ein eigenes Magnetfeld, das, wie bereits erwähnt, gemäß der Lenz'schen Regel der Änderung des ursprünglichen Magnetfelds entgegenwirkt und so die Kugel bremst.
Vielen vielen Dank :) Ich habe meine Frage oben ergänzt, hast du darauf vielleicht auch eine Antwort?