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Physik-LK
Gast
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 Physik-LK Verfasst am: 14. Dez 2017 21:26 Titel: Ind. elektrisches Feld auch bei induktion mit Lorentz-Kraft? |
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Hallo zusammen,
ich arbeite mich momentan für den Leistungskurs Physik in die elektromagnetische Induktion ein. Bezüglich des Induktionsvorganges durch die Lorentz-Kraft habe ich ein kleines Verständnisproblem bzw. ist mir etwas aufgefallen.
Folgende klassische Ausgangssituation:
Homogenes statisches Magnetfeld (B-Feld) in z-Richtung. Darin befindet sich eine rechteckige Leiteranordnung parallel zur x-y-Ebene und damit senkrecht zur z-Richtung. Die Leiteranordnung soll in dieser Position durch das Magnetfeld bewegt werden.
Es entsteht, wie bekannt, eine Induktionsspannung, da auf die bewegten Ladungen die Lorentz-Kraft trennend wirkt.
Meine Frage nun:
Für die Elektronen bzw. den Leiterabschnitt, dessen Bewegung parallel zum B-Feldvektor ist, ändert sich aber doch auch das Magnetfeld, weil sie bzw. er durch das Magnetfeld bewegt werden. Beteiligt sich also auch das induzierte elektrische Feld an dem Induktionsvorgang (sspeziell in diesem Fall, bewegte Leiterschleife, relativ dazu ruhenden Magnetfeld) zusätzlich zur Lorentz-Kraft?
Bitte nicht verwechseln. Ich bin mir im Klaren darüber, dass das elektrische Feld induziert wird, wenn sich das Magnetfeld ändert. Aber ich möchte speziell in dieser Anordnung wissen, ob auch ein elektrisches Feld induziert wird, weil in den Lehrbüchern wird nur von der Lorentz-Kraft gesprochen bei dem oben beschriebenen Vorgang.
Gruß
Schüler
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Physik-LK
Gast
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| Physik-LK Verfasst am: 14. Dez 2017 21:29 Titel: Korrektur |
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Kleine Korrektur:
[...]dessen Bewegung parallel zum B-Feldvektor ist[...]. Es muss natürlich "senkrecht zum Geschwindigkeitvektor" heißen.
Gruß
Schüler
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Physik-LK
Gast
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| Physik-LK Verfasst am: 15. Dez 2017 18:43 Titel: |
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Schade, dass hier so selten geantwortet wird.
Ich möchte nur wissen, ob sich der obige Induktionsversuch aus Lorentz-Kraft und induziertem elektrischem Feld zusammensetzt, weil sich für die Ladungsträger doch ebenfalls das Magnetfeld ändert. In Lehrbüchern wird bei dieser Anordnung nur die Lorentz-Kraft erwähnt.
Gruß
Schüler
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ML
Anmeldungsdatum: 17.04.2013
Beiträge: 3397
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| ML Verfasst am: 15. Dez 2017 18:56 Titel: Re: Ind. elektrisches Feld auch bei induktion mit Lorentz-Kr |
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Hallo,
| Physik-LK hat Folgendes geschrieben: |
Folgende klassische Ausgangssituation:
Homogenes statisches Magnetfeld (B-Feld) in z-Richtung. Darin befindet sich eine rechteckige Leiteranordnung parallel zur x-y-Ebene und damit senkrecht zur z-Richtung. Die Leiteranordnung soll in dieser Position durch das Magnetfeld bewegt werden.
Es entsteht, wie bekannt, eine Induktionsspannung, da auf die bewegten Ladungen die Lorentz-Kraft trennend wirkt.
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Unklar ist, ob die Leiterschleife geschlossen ist, ob sie sich vollständig oder nur teilweise im Magnetfeld bewegt, wo das Spannungsmessgerät angeschlossen wird und ob das Spannungsmessgerät im Laborsystem ruht.
| Zitat: |
Beteiligt sich also auch das induzierte elektrische Feld an dem Induktionsvorgang (sspeziell in diesem Fall, bewegte Leiterschleife, relativ dazu ruhenden Magnetfeld) zusätzlich zur Lorentz-Kraft?
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Der Begriff "Bewegung relativ zu einem Magnetfeld" ergibt keinen Sinn. Schau Dir dazu folgenden FAQ-Beitrag an:
https://www.physikerboard.de/topic,52470,-faq---elektromagnetismus-und-relativgeschwindigkeit.html
Beschreibe Deine Anordnung, dann können wir darüber diskutieren. Eine Zeichnung wäre nützlich.
Viele Grüße
Michael
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Physik-LK
Gast
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| Physik-LK Verfasst am: 18. Dez 2017 18:58 Titel: |
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Moin zusammen.
Ausgangspunkt ist dieser Induktionsvorgang, der auf der Lorentz-Kraft basieren soll, da der Leiter sich relativ zu dem statischen magnetfeld bewegt.
Meine Frage:
Entsteht hier zusätzlich auch ein induziertes elektrisches Feld? Zusätzlich zur Lorentzkraft. Der Leiter bewegt sich doch durch das Magnetfeld und damit ändert sich dieses doch für den Leiter.
Gruß
Schüler
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ML
Anmeldungsdatum: 17.04.2013
Beiträge: 3397
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| ML Verfasst am: 18. Dez 2017 19:14 Titel: |
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Hallo,
| Physik-LK hat Folgendes geschrieben: |
Ausgangspunkt ist dieser Induktionsvorgang, der auf der Lorentz-Kraft basieren soll,
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Bei Experimenten zur Bewegungsinduktion bewegt sich ein Leiter im Magnetfeld. Durch die Lorentzkraft werden Elektronen im Leiter verschoben. Dies führt zu einem E-Feld. Die Verschiebung der Elektronen hört auf, wenn die Lorentzkraft gleich groß wie die elektrische Kraft ist.
| Zitat: |
da der Leiter sich relativ zu dem statischen magnetfeld bewegt.
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Der Begriff "Bewegung relativ zu einem Magnetfeld" ergibt keinen Sinn. Ich habe Dir einen Verweis auf die FAQ gegeben. Du kannst ihn lesen oder auch nicht.
Falls Dein Lehrer behauptet, es gäbe eine solche "Bewegung relativ zu einem Magnetfeld", zeig ihm den FAQ-Beitrag und bitte ihn, sich hier im Forum zu melden. Er braucht dann dringend Nachhilfe in Elektromagnetismus.
| Zitat: |
Entsteht hier zusätzlich auch ein induziertes elektrisches Feld? Zusätzlich zur Lorentzkraft. |
Die Ursache für E-Felder sind Ladungen bzw. eine Änderung des B-Feldes.
Es gibt Autoren, die die Lorentzkraft als eine elektrische Kraft umdeuten wollen. Das zumindest ist Unsinn.
Es ist aber wahr, dass nach einem Bezugssystemwechsel (Beobachter ruht im Laborsystem vs. Beobachter "reitet" auf dem fliegenden Elektron mit) eine Kraft, die man vorher als magnetisch aufgefasst hätte, im neuen Bezugssystem nun eine elektrische Kraft ist.
Viele Grüße
Michael
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Physik-LK
Gast
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| Physik-LK Verfasst am: 18. Dez 2017 20:14 Titel: |
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| ML hat Folgendes geschrieben: | Hallo,
| Physik-LK hat Folgendes geschrieben: |
Ausgangspunkt ist dieser Induktionsvorgang, der auf der Lorentz-Kraft basieren soll,
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Bei Experimenten zur Bewegungsinduktion bewegt sich ein Leiter im Magnetfeld. Durch die Lorentzkraft werden Elektronen im Leiter verschoben. Dies führt zu einem E-Feld. Die Verschiebung der Elektronen hört auf, wenn die Lorentzkraft gleich groß wie die elektrische Kraft ist.
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Hallo Michael, danke für die Erklärung.
Das verstehe ich.
Jetzt aber noch die Sache mit dem induzierten elektrischen Feld:
Ok, die Lorentz-Kraft verschiebt die Elektronen. Aber, da der Leiter sich bewegt, entsteht nicht auch ein induziertes elektrisches Feld? Die magnetische Flussdichte ändert sich doch (im Bezugssystem des Leiters) durch die Bewegung des Leiters und eine Änderung des Magnetfeldes induziert ein elektrisches Feld.
Irgendwie verstehe ich nicht, wenn doch der Vorgang mit einem bewegten Magneten durchgeführt wird, steht in den Lehrbücher, dass ein elektrisches Feld entsteht. Wenn ich jetzt den Leiter durch das Magnetfeld bewege, ändert sich die Flussdichte doch auch. Also müsste zusätzlich zur Lorentz-Kraft auch ein induziertes elektrisches Feld "mitwirken" 
Gruß
Schüler
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Physik-LK
Gast
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| Physik-LK Verfasst am: 18. Dez 2017 21:13 Titel: |
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Ich versuche mein Verständnisproblem noch einmal einzugrenzen:
Nehmen wir ein Bezugskoordinatensystem und im Ursprung einen Stabmagneten. Jetzt bewege ich mich relativ zum Bezugssystem und damit zum Magneten.
Nehme ich, wenn ich die Umgebung des Magneten passiere, ein (induziertes) elektrisches Feld wahr?
Gruß
Schüler
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ML
Anmeldungsdatum: 17.04.2013
Beiträge: 3397
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| ML Verfasst am: 19. Dez 2017 17:30 Titel: |
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Hallo,
| Physik-LK hat Folgendes geschrieben: |
Nehmen wir ein Bezugskoordinatensystem und im Ursprung einen Stabmagneten. Jetzt bewege ich mich relativ zum Bezugssystem und damit zum Magneten.
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Entscheidend ist die Bewegung relativ zum Koordinatenursprung (Bezugssystem) und dass am Ort Deiner Bewegung ein Magnetfeld herrscht.
Vollkommen irrelevant ist, ob dieses Magnetfeld durch einen ruhenden oder bewegten Magneten zustandekommt. Die Geschwindigkeit des Magneten interessiert Dich nur insoweit, als er sich auf die Felder  und  auswirkt. Die Geschwindigkeit "relativ zum Magneten" oder gar "relativ zum Magnetfeld" ist keine Größe, die Dir beim Lösen der Aufgabe hilft.
| Zitat: |
Nehme ich, wenn ich die Umgebung des Magneten passiere, ein (induziertes) elektrisches Feld wahr?
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In welchem Bezugssystem befindest Du Dich denn jetzt? Deine Angaben sind widersprüchlich.
1) Denn entweder bist Du der Beobachter, der im Koordintenursprung ruht. Dann kannst Du unmöglich die wahrnehmende Person sein.
2) Oder Du bist die Person, die etwas wahrnimmt. Dann würdest Du nicht sagen, dass Du den Magneten passierst, sondern Du würdest sagen "Ich ruhe und der Magnet bewegt sich unter mir weg".
Festlegung:
Wir nehmen ein Koordinatensystem und im Ursprung einen ruhenden Permanentmagneten. Ein Metallstab (=elektrisch leitfähig) bewegt sich im Magnetfeld.
a) Der Beobachter im Koordinatenursprung (Variablen ohne Strich) sagt: "Der Metallstab bewegt sich. Auf die Elektronen im Metallstab wirkt daher eine Lorentzkraft. Dadurch verschieben sich die Elektronen, und zwar so lange, bis sich ein Kräftegleichgewicht einstellt. Die Gesamtkraft =\vec 0 \Longrightarrow \vec E = - \vec v \times \vec B) . Im Metallstab herrscht also ein E-Feld."
Ich würde das E-Feld nicht "induziertes Feld" nennen. Ich weiß ohnehin nicht, was das sein soll. Nenn es einfach E-Feld.
b) Der auf dem Stab mitreitende Beobachter (Variablen mit Strich) sagt: Der Stab ruht im Magnetfeld und hat die Geschwindigkeit  . Es herrscht ein Kräftegleichgewicht. Die Gesamtkraft =\vec 0 \Longrightarrow \vec E' = - \vec v' \times \vec B'=-\vec 0 \times \vec B = \vec 0) . Im Metallstab herrscht also ein E-Feld von null."
Viele Grüße
Michael
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ML
Anmeldungsdatum: 17.04.2013
Beiträge: 3397
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| ML Verfasst am: 24. Dez 2017 00:03 Titel: |
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Hallo,
| Physik-LK hat Folgendes geschrieben: |
Jetzt aber noch die Sache mit dem induzierten elektrischen Feld:
Ok, die Lorentz-Kraft verschiebt die Elektronen. Aber, da der Leiter sich bewegt, entsteht nicht auch ein induziertes elektrisches Feld?
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Unten ist der Standardversuch zum Thema "Bewegungsinduktion" abgebildet. Eingezeichnet sind die E-Felder, die sich nach dem Ausklingen der transienten Vorgänge ergeben, d. h. das Feld, das sich ^während der Bewegung des Leiterstabs (nach Abschluss des Ladevorgangs) ergibt.
An welcher Stelle denkst Du, dass dort ein "induziertes E-Feld" auftritt?
| Zitat: |
Die magnetische Flussdichte ändert sich doch (im Bezugssystem des Leiters) durch die Bewegung des Leiters und eine Änderung des Magnetfeldes induziert ein elektrisches Feld.
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Zunächst einmal: Im oben genannten Standardexperiment herrscht ein homogenes, zeitlich konstantes B-Feld. Die magnetische Flussdichte ändert sich dort in keinem Bezugssystem.
Nun aber zu Deiner Frage: Du hast also ein inhomogenes, zeitlich konstantes B-Feld vor Augen und sagst, im Bezugssystem des Leiters ergebe sich eine Änderung des Magnetfeldes, die durch die Bewegung des Leiters entstehe.
Damit hast Du recht. Wenn sich (aus Sicht des Laborsystems) ein Leiter durch ein inhomogenes B-Feld bewegt, würde ein Beobachter im Eigensystem des Leiters von einem zeitlich veränderlichen Magnetfeld sprechen.
Ich empfehle Dir, bei einer Erklärung solche Bezugssystemwechsel nach Möglichkeit zu vermeiden. Besser ist: Du legst Dich am Anfang Deiner Beschreibung fest, von welchem Bezugssystem aus Du die Beschreibung durchführen willst und ziehst das dann mit dem Bezugssystem durch.
Beispiel:
Du sprichst von einem Leiter, der sich im Labor bewegt. Schön. Dann wissen wir, dass Du das Experiment definitiv nicht aus Sicht des Eigensystems des Leiters beschreibst. Also fragst Du Dich auch nicht, ob sich im Bezugssystem des Leiters eine B-Feld-Änderung ergibt, sondern Du fragst Dich nur, welche B-Feldänderung sich im Laborsystem ergibt und wie schnell der Leiter sich dort bewegt.
| Zitat: |
Irgendwie verstehe ich nicht, wenn doch der Vorgang mit einem bewegten Magneten durchgeführt wird, steht in den Lehrbücher, dass ein elektrisches Feld entsteht. Wenn ich jetzt den Leiter durch das Magnetfeld bewege, ändert sich die Flussdichte doch auch. Also müsste zusätzlich zur Lorentz-Kraft auch ein induziertes elektrisches Feld "mitwirken"
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Als erstes musst Du wissen:
In den verschiedenen Bezugssystemen wirst Du andere Felder messen. Insbesondere das E-Feld unterscheidet sich gravierend in beiden Bezugssystemen -- selbst bei winzigen Relativgeschwindigkeiten zwischen den Bezugssystemen!
Wenn die Relativgeschwindigkeit beider Bezugssysteme nicht allzu groß ist, wird aber die Gesamtkraft ) aus beiden Bezugssystemen betrachtet heraus ungefähr gleich groß sein. Regelmäßig ist dabei das, was in einem Bezugssystem eine elektrische Kraft ist in einem anderen Bezugssystem eine magnetische Kraft und umgekehrt.
Konkret:
- Wenn Du den Magneten durch den Raum bewegst, entsteht ein E-Feld, weil sich das B-Feld ändert. Die Orte, an denen sich das B-Feld ändert, sind Quellen für differentiell kleien E-Feld-Kringel (anschaulich: E-Felder, die geschlossen im Kreis herumgehen*).
- Wenn Du den Leiter durch das Magnetfeld bewegst, entsteht ein E-Feld, weil auf die Leitungselektronen eine magn. Kraft wirkt, die die Leitungselektronen verschiebt. Die Feldlinien gehen von (+) nach (-) und sind nicht in sich geschlossen.
- Kontraintuitive Zusammenhänge:
Intuitiv erwartet man, dass es egal ist, ob man die Spule zum Magneten bewegt oder den Magneten zur Spule.
Die Frage ist aber: "Egal in Bezug auf was?".
Meist meint man ja, in Bezug auf eine Spannungsanzeige an einem Voltmeter. Dummerweise führt man mit dem Voltmeter ein drittes Objekt ein und muss sich fragen: "Und wie soll sich das Voltmeter bewegen? - Mit der Spule oder mit dem Magneten oder ganz anders?" Und schon ist der schöne Analogieschluss, den man in der Anordnung gesucht hat, nicht mehr so klar.
Viele Grüße
Michael
* Bei der Überlagerung kann es sein, dass die E-Felder nicht mehr im Kreis herumgehen, sondern sich auch beispielsweise erst "im Unendlichen" schließen. Entscheiden ist, dass sie nicht an bestimmten Punkten enden.
| Beschreibung: |
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