Die interaktive Animation zeigt, wie elektrischer Strom durch Bewegung erzeugt wird. Im linken oberen Bereich der Animation wird eine 3D-Szene dargestellt, die aus einem Hufeisenmagneten und einem Metallzylinder (Leiter) besteht.
Der Leiter kann interaktiv durch ein Magnetfeld bewegt werden. Das Induktionsgesetz sagt in diesem Fall die Entstehung eines elektrischen Feldes im Leiter voraus. Im Inneren des Metallzylinders deuten blaue Kügelchen den elektrischen Strom an.
Hinweis zur Benutzung
Die Fenster können wie bei allen Animationen durch einen Klick vergrößert oder verkleinert werden.
Nach dem Start der Anwendung können Sie die Animation im Vollbildmodus anschauen. Klicken Sie dazu auf „Ansicht“ und anschließend auf „Vollbild“:
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Beschreibung der Animation
Die Animation zeigt im linken oberen Fenster ein 3D-Modell mit einem Hufeisenmagneten. Im Inneren des Magnetfelds befindet sich ein zylinderförmiger Leiter. Die Elektronen werden durch blaue Kugeln dargestellt.
Das Magnetfeld des Hufeisenmagneten kann bei Bedarf ein- und ausgeblendet werden.
Im rechten oberen Fenster werden die Objekte in einer Profilansicht dargestellt. In dieser Darstellung kann der Leiter mit der Maus verschoben werden.
Das Induktionsgesetz sagt voraus, dass sich die Elektronen in Bewegung setzen, wenn das Material im 90-Grad-Winkel zu den Feldlinien des Magnetfelds verschoben wird.
\[ U_\text{ind} = – \frac{\Delta \Phi}{\Delta t} \]
Das Induktionsgesetz lässt sich auch durch die folgende Formel ausdrücken, welche die Verhältnisse bei einem stromdurchflossenen Draht direkter beschreibt:
\[ U_\text{ind} = -B \cdot v \cdot l \cdot \sin(\alpha) \]
Die Formel teilt mit, dass die Höhe der Induktionsspannung proportional zur Bewegungsgeschwindigkeit des Materials ist.
Die Geschwindigkeitsabhängigkeit der Induktionsspannung lässt sich über die Kurvendarstellung des rechten unteren Fensters anschaulich zeigen.
In der Animation können auch die Feldlinien der Magnetfelder eingeblendet werden.
Das Ampèresche Durchflutungsgesetz sagt voraus, dass sich um einen stromdurchflossenen Leiter ein kreisförmiges Magnetfeld herausbildet.
\[ B = \frac{\mu_0 \cdot I}{2 \pi \cdot r} \]
Hinweis: μ₀ ist die magnetische Feldkonstante. In der Profilansicht kann auch das resultierende Magnetfeld dargestellt werden.
Das resultierende Magnetfeld entsteht durch die Vereinigung des dynamischen Magnetfelds um den Leiter mit dem statischen Magnetfeld des Hufeisenmagneten.
Das Lorentzkraftgesetz beschreibt die Kraft, die auf den stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld wirkt.
\[ \vec{F} = q \cdot (\vec{v} \times \vec{B}) \]
Diese Kraft wirkt der Bewegungsrichtung des Materials entgegen. Somit wird für die Verschiebung des Materials nicht nur ein Weg zurückgelegt, sondern auch eine Kraft aufgewendet. Mit anderen Worten: Es wird mechanische Arbeit aufgewendet.
In der technischen Anwendung verrichtet diese Arbeit beispielsweise eine Turbine. Die Turbine kann durch Dampf oder – bei einer Windkraftanlage – auch durch Wind angetrieben werden.
Hinweis: Die Animation berücksichtigt den Unterschied zwischen technischer und physikalischer Stromrichtung. Elektronen werden durch blaue Kügelchen angedeutet und zeigen die physikalische Stromrichtung an. Die Symbolik aus Punkt und Kreuz bezieht sich auf die technische Stromrichtung.
In unserem Alltag wirkt elektromagnetische Induktion fast überall im Hintergrund: In Kraftwerken erzeugen Generatoren Strom, indem sich Leiter in Magnetfeldern bewegen; Fahrraddynamos verwandeln die Drehung des Rads in elektrische Energie; Induktionskochfelder erhitzen Töpfe, weil sich im Metall Wirbelströme bilden; Transformatoren in Ladegeräten passen Spannungen an, damit Geräte sicher betrieben werden können; kabellose Ladegeräte für Smartphones übertragen Energie über sich ändernde Magnetfelder.
Verwandte Animationen
HD-Animationen
Web-Animationen
Überblick und Download
| Titel | Elektromagnetische Induktion 1 |
| Zielgruppe | Lehrer/innen und Vortragende |
| Plattformen | Microsoft® Windows® Apple® Macintosh® (versionsabhängig) |
| Features | Vollbildmodus verlustfreie Vergrößerung Großbildschirme und Leinwände unterstützt |
| Lizenz | Freeware |
| Download | Kontakt |
Mitwirkende
C. Hein, S. Rikowski
Quellen
- Autorenwerkzeug: Adobe Animate
- 3D-Engine für 3D-Modell: Papervision3D 2.0
- 3D-Rotationen: Algorithmus übernommen von Federico Calvo: http://blog.federicocalvo.com/2009/03/papervision-3d-sphere-globla-axis.html
- Gekrümmte Feldlinien: Klasse Bezier3D von Aleksandar Mancic
- Autorenwerkzeug (Steuerungselemente mitgeliefert): Adobe Animate
Versionshistorie
| Datum | Änderung |
| 2014-06-01 | Erste Version |
| 2024-02-09 | Neue Playeranwendung und kleinere Korrekturen |