Kontrollfragen 12 Etit

Erläutern Sie den Begriff "magnetischer Dipol" kurz und welche Konsequenzen ergeben sich daher für das magnetische Feld?

Ein magnetischer Dipol besitzt stets Nord- und Südpol; beide Pole lassen sich nicht isolieren. Deshalb gibt es keine beobachteten magnetischen Monopole und magnetische Feldlinien sind immer geschlossen.

Erklären Sie die Begriffe Quellenfeld und Wirbelfeld und nennen Sie zwei Beispiele für ein Quellenfeld und eines für ein Wirbelfeld.

Quellenfeld: Feldlinien beginnen an Quellen und enden an Senken; Beispiele: E-Feld einer Punktladung und einer Linienladung. Wirbelfeld: Feldlinien sind geschlossen und umlaufen eine Ursache; Beispiele: B-Feld um einen stromdurchflossenen Leiter und B-Feld eines Stabmagneten.

Mit welchem fundamentalen Experiment der Elektrotechnik hat Hans Christian Oerstedt im Jahr 1819 den Begriff Elektromagnetismus begründet und warum ist diese Experiment bis heute so bedeutsam?

Oerstedt beobachtete die Ablenkung einer Kompassnadel neben einem stromdurchflossenen Leiter. Das zeigte erstmals: elektrischer Strom erzeugt ein Magnetfeld; es verbindet Elektrizität und Magnetismus und ist Grundlage vieler elektrischer Maschinen.

Skizzieren Sie einen einfachen Elektromagnet inkl. Feldlinien.

Eine stromdurchflossene Spule, ggf. um einen Eisenkern, erzeugt wie ein Stabmagnet ein Feld: im Inneren dicht und annähernd parallel, außen geschlossene Rücklauf-Feldlinien. Polrichtung mit der rechten-Hand-Regel eintragen. [Skizze erforderlich.]

Wie ermitteln Sie die Richtung der Kraft allgemein bei einem stromdurchflossenen Leiter, welcher sich in einem Magnetfeld begründet? Erläutern Sie anhand einer beschrifteten Skizze.

Lorentzkraft auf den Leiter: F=I·l×B; l zeigt in Richtung des technischen Stroms. Rechte-Hand-Regel: Finger von I nach B drehen, Daumen zeigt F. F steht senkrecht auf I und B. [Skizze erforderlich.]

Wie entsteht eine Aurora Borealis?

Geladene Teilchen des Sonnenwinds werden vom Erdmagnetfeld zu den Polen geleitet. Dort stoßen sie mit Atomen/Molekülen der Atmosphäre zusammen, regen sie an und beim Zurückfallen wird Licht ausgesendet.

Wie lautet die Lorentzgleichung und wie ergänzt diese die Maxwellgleichungen (Gleichungen für E- und B-Feld)?

F=q(E+v×B). Die Maxwellgleichungen beschreiben Entstehung und Verhalten von E- und B-Feld; die Lorentzgleichung beschreibt anschließend die Kraft dieser Felder auf eine Ladung q mit Geschwindigkeit v.

Was ist der Unterschied zwischen Geschwindigkeit (velocity) und Schnelligkeit (speed)?

Geschwindigkeit v ist eine Vektorgröße mit Betrag und Richtung. Schnelligkeit ist nur ihr Betrag |v| und damit eine skalare Größe.

Was ist ein Kreuzprodukt? Erläutern Sie anhand einer beschrifteten Skizze.

a×b ist ein Vektor senkrecht auf der von a und b aufgespannten Ebene. Betrag |a×b|=|a||b|sin(θ), Richtung nach der rechten-Hand-Regel; bei parallelen Vektoren null, bei 90° maximal. [Skizze erforderlich.]

Erläutern Sie, warum das magnetische Feld, im Gegensatz zum elektrischen Feld, keine Arbeit an einer bewegten Ladung verrichten kann.

F_B=q(v×B) steht immer senkrecht auf v. Daher P=F_B·v=0: Das B-Feld ändert nur die Bewegungsrichtung, nicht Geschwindigkeit oder kinetische Energie der freien Ladung.

Leiten Sie die Drehmomentgleichung als Funktion des Lagewinkels einer einfachen rechteckigen Drahtschleife im Magnetfeld aus der Lorentzgleichung her.

Aus F=I l B für die beiden wirksamen Leiterseiten folgt mit dem wirksamen Hebelarm b sin(θ): M=F·b sin(θ)=I l b B sin(θ)=IAB sin(θ); bei N Windungen M=N I A B sin(θ). [Skizze erforderlich.]

Wozu benötigen Sie bei einem Elektromotor betrieben mit Gleichstrom einen Kommutator?

Der Kommutator kehrt die Stromrichtung der Rotorwicklung nach jeder halben Umdrehung um. So bleibt das Drehmoment gleichgerichtet und der Motor dreht kontinuierlich weiter statt zurückzudrehen.

Erklären Sie die Komponenten Stator, Rotor, Kommutator, Bürsten, und Wicklung eines Elektromotors kurz anhand einer Skizze.

Stator: feststehender Magnetfeld-Erzeuger. Rotor: drehbarer Teil. Wicklung: stromdurchflossene Spulen auf dem Rotor. Kommutator: segmentierter Stromwender auf der Welle. Bürsten: feste Schleifkontakte zur Stromzufuhr an den Kommutator. [Skizze erforderlich.]

Warum nutzt man bei einem Elektromotor immer Wicklungen (mehrere Drahtschleifen voneinander durch Isolierung getrennt)?

Die Drehmomente der einzelnen Windungen addieren sich: mehr Drehmoment bei gleichem Strom. Mehrere räumlich versetzte Wicklungen machen das Drehmoment außerdem gleichmäßiger und vermindern Totlagen.

Skizzieren Sie einen einfachen Gleichstrommotor und erklären sie die Funktion stichwortartig.

Stator liefert B-Feld; durch Rotorwicklung fließt über Bürsten und Kommutator Strom. Auf die Leiterseiten wirkt F=I·l×B, daraus entsteht Drehmoment; der Kommutator wendet den Strom pro halber Umdrehung und hält die Drehrichtung aufrecht. [Skizze erforderlich.]