Leiterschleife im geschlossenen Magnetfeld

    Hallo, uns plagt jetzt schon seit längerem ein Problem im Pysikkurs. Es handelt sich dabei um die Annahme, dass ein geschlossener Leiterkreislauf der sich durch ein Magnetfeld hindurchbewegt eine Ladungsverschiebung erfährt. Es ist klar, dass kein Strom fließt, da die Elektronen durch die Lorenzkraft sowohl im Urzeigersinn als auch gegen den Urzeigersinn eine Kraft erfahren. Da aber beide Kräft in die gleiche Richtung wirken, müsste es doch theoretisch zu einer Veränderung der Ladungen kommen. Dies hätte zur folge, dass in dem geschlossenen Leiterkreis eine Potentialdifferenz herscht, solange er sich mit einer konstanten Geschwindigkeit duch das Magnetfeld bewegt. Durch die beiden Kräfte aber kein Stromfluss existiert.
    Liegen wir mit dieser Vermutung richtig oder gibt es auch keine Ladungstrennung??

    Hi,
    also als erstes sollte man klären wie sich die Leiterschleife durch das Magnetfeld bewegt. Ich nehm jetzt einmal an sie bewegt sich senkrecht zu den Feldlinien eines homogenen Magnetischen Feldes.


    2. Die Lorentzkraft ( F = Q v x B = I l x B) tritt bei bewegten Ladungen in einem Magnetfeld auf.


    Bewegt sich der Leiterkreis nun gleichmäßig in dem homogenen Magnet Feld ändert sich nichts, denn es damit eine Spannung/ein Strom induziert wird muss sich der Magnetische Fluß durch die Schleife ändern. Das wäre nur beim Aus/Eintritt aus dem Feld so.


    Nehmen wir ein ideales homogenes feld an, also ein Feld mit einem "Scharfen Rand" (kein Feld -> homogenes Feld, kein inhomogens Magnetfeld zwischen diesen Zuständen)
    In dem Fall ist es etwas komplizierter, da muss ich nochmal überlegen.


    bis dann

    So, beim Eintritt der Leiterschleife in das Magnet Feld wird eine Spannung in der Schleife induziert bzw. es tritt ein Induktionsstrom auf.
    Bei einem geschlossens Leiter sollte nun also in der Schleife ein strom fließen der abhängig von der Änderung des Magnetischen Feldes ist. Da wir ein homogenes Feld haben, d.h. überall gleichstark und zeitlich unverändert und sich die leiterschleife gleichförmig bewegt, hängt der Betrag des Stromflußes von der form der Leiterschleife ab. Die Richtung ist bei rechteckigen Leitern leicht mit der Dreifingerregel zu ermitteln.


    Fazit:
    Bei geschlossenen Leitern fließt beim ein- und austritt ein kurzzeitiger Induktionsstrom.


    Wäre der Leiter nicht geschlossen würde sich zwischen den Enden eine Induktionsspannung bilden.



    P.S. So sollte es sein, 100% sicher bin ich mir (leider) auch nicht.

    noch ein Zusatz zu Cepheidens Ausführungen:


    Im homogenen Magnetfeld gilt das was zuvor schon gesagt wurde.


    Es kann aber ein Strom auch bei einer geschlossenen Leiterschleife fließen, und zwar durch die Lenzsche Regel. Die Bedingung dafür ist, das das Magentfeld nicht mehr homogen ist, sondern sich zeitlich ändert.
    Dann wird in der geschlossenen Leiterschleife ein Strom induziert, der so gerichtet ist, dass jetzt durch die Lorentzkraft (es tritt eine Ladungsverschiebung auf, also bewegte Ladungen, also Lorentzkraft) eine Kraft verursacht wird, die der Bewegung (eigentlich der Kraft, die Bewegung hervorruft) entgegenwirkt.


    Bei Fragen stehen wir gerne zur Diskussion zur Verfügung. :)

    Leider beantwortet das noch nicht meine Frage. Ich habe jetzt mal 2 Bilder "gemalt", um meine Frage zu verdeutlichen. Im ersten Bild sieht man eine geschlossene Leiterschleife von links nach rechts in ein Magnetfeld eintauchen. Dabei entsteht ein Induktionsstrom. Das ist klar. Im zweiten Bild bewegt man die Leiterschleife weiter durch das Magnetfeld. Da sowohl auf der linken als auch auf der recchten Seite die gleiche Lorenzkraft wirkt, heben diese sich in ihrer Wirkung auf und es kommt nicht zu einem Stromfluss.
    Nun meine Frage. Die Lorenzkraft im Bild 2 müsste doch trotzdem noch die Elekronen nach unten verschieben, so dass oben ein geringere Ladungsdichte im Leiter besteht als unten. Dies würde dann auch ein Spannungsunterschied bedeuten. Trotz dieses Spannungsunterschiedes kommt es allerdings nicht zu einem Stromfluss, da die Lorenzkraft, die gleichzeitig Ursache des Ladungsunterschiedes ist, den ausgleich verhindert.


    Ich hoffe meine Frage ich jetzt zu verstehen.


    P.S. Leider kann ich die Bilder nicht einfügen. Wie kann ich das am besten machen. Es sind 2 kleine bmp Dateien??

    Einfach im Anhang einfügen. Im Fenster wo du auch den Beitrag schreibst, befindet sich unten die Funktion dazu.


    Ich glaube es geht nur immer ein Bild, aber kannst ja zwei Posts machne mit den jeweiligen Bildern.


    Anhand der Bilder kann man das vielleicht besser erklären.

    Also ich hab das Problem schon richtig verstanden.


    Zu Bild 1)
    Wenn sich die Leiterschleife durch das konstante Magnetfeld bewegt sich der Magnetische Fluss durch die Leiterschleife sich also nicht ändert, dann fließt auch kein Strom. Ebenfalls erfolgt keine Ladungstrennung auf Grund der Lorentzkraft. Denn diese wirkt nur auf bewegte Ladungsträger.
    Gut man könnte jetzt sagen die Ladungsträger bewegen sich mit dem Leiter (Mikroskopische Betrachtung). Aber damit ändert sich in Makroskopischer Sicht nicht (z.B. messbarer Stromfluss)auch nichts. Wenn kein elektrisches Feld anliegt, so wie bei unserem geschlossener isolierter Leiterzug, unterliegen die Ladungsträger nur der Temperatur bedingten ungeordneten Braunschen Bewegung.
    Die Ladungen unterliegen natürlich der Lorentzkraft. Aber diese wirkt auf alle Ladungsträger unabhängig von den anderen. Makroskopisch ändert sich also nichts. Denn die Ladungsträger führen nun nicht auf einmal eine geordnete (überlagernde) Bewegung in eine Richtung aus. Sondern jeder „kreist“ für sich.



    Zu Bild 2.) Beim Eintritt der Leiterschleife in das Magnetfeld, ändert sich der magnetische Fluss durch die Leiterschleife (bis sie komplett im Magnetfeld ist). Dies induziert eine Spannung in der Leiterschleife. Da nun aber die Leiterschleife geschlossen ist bricht die Spannung „im selben Moment“ zusammen, dies geschieht auf Grund dem durch die Spannung verursachten Ladungsträgerbewegung (Stromfluss). Solange dich der Magnetische Fluss ändert fließt also ein Strom.
    Genau dasselbe geschieht beim Austritt (nur in die entgegengesetzte Richtung)., denn die Richtung der Änderung des Magnetischen Flusses ist entgegengesetzt (anderes Vorzeichen).
    Ebenfalls fließt ein Strom, wenn man die Leiterschleife im Magnetischen Feld drehen oder verbiegen würde.


    Oder was meinst du?



    Edit: Kleinigkeiten am Ausdruck geändert.

    Interessant wäre auch mal zu wissen mit welchen Physikalischen Gesetz ihr das begründet. Vielleicht kann man ja da zur Diskussion ansetzen.


    Ein Möglichkeit wäre das Induktionsgesetz mit


    U_ind = -d/dt IntInt B*dA (Int bedeutet Integral)


    Da sich die Fläche aber nicht ändert bringt das nix.


    Na ich werde mal mit meinen Kommilitonen darüber diskutieren. :)

    Er schreibt doch wegen der Lorentzkraft. Liest hier niemand?


    Achso warum eigentlich
    U_ind = -d/dt IntInt B*dA


    Warum intint?


    Du hast doch nur eine Variable die du integrierst
    --> U_ind = -d/dt Int B*dA


    Oder einfacher
    U_ind = -dPhi/dt


    Phi ... magnetischer Fluß

    Die Induktivität kann man u.a. (teilweise) auch mit der Lorentzkraft begründen. Hat schon seine Richtigkeit, wie ich das geschrieben habe. Und nur weil dA eine Variable ist, heißt das noch lange nicht, dass man nur ein Integral bilden muss.
    A ist eine Fläche bzw. Oberfläche. Und dazu gehört nun mal das Oberflächenintegral IntInt.


    Ändert natürlich trotzdem nix an der Fragestellung.
    Der Punkt ist nämlich der.


    Bewegt man nur einen Leiter in einem homogen magnetischen Feld, wird durch die Lorentzkraft eine Ladungsverschiebung (so wie wiro das meint) hervorgerufen, die eine Spannung induziert. Im Leiter wird nämliche in magnetisches Feld induziert. Wie gesagt, das gilt dur für einen bewegten Leiter.
    Wie das jetzt bei der geschlossenen Leiterschleife aussieht weiß ich auch noch nicht.

    Meine Frage ist glaube ich versanden worden. Die Antwort, dass mikroskopisch ein Ladungsunterschied besteht, erfreut mich. Dieses war unser Streitgespräch, das wir mit unserem Physikleher hatten. Wir wissen, dass es keinen Stromfluss gibt, wenn sich die Leiterschleife komplett im Magnetfeld befindet. Da aber sowohl links als auch rechts die Lorenzkraft auf die einzelnen Elektronen wirkt, erfahren die Elektronen eine Kraftwirkung.
    In einer Leiterschleife, die sich in keinem Magnetfeld befinden, gehen wir theoretisch davon aus, dass die Elektronen gleichmäßig verteilt sind, da jedes Elektron auf ein anderes eine gewisse abstoßende Kraft ausübt.
    Bewegt sich also die Leiterschleife im Magnetfeld, müsste sich eine Umverteilung der Elektronen bemerkbar machen.


    Wir haben uns zu diesem Problem ein Modell entwickelt. Geht man von einem mit Luft gefüllten Rohr aus, dass wie die Leiterschleife geschlossen ist. In dem Rohr befinden sich links und rechts zwei Metallkugeln (für unsere Überlegungn vernachlässigen wir das Gewicht, da wir das Modell auch auf die Seite legen können). Es herrscht sowohl über als auch unter den Kugeln der gleiche Luftdruck. Üben wir mit einem Magneten auf eine Kugeln eine Kraft aus, so wird die andere Kugel auch weggedrückt. Übt man nun aber auf beide Kugeln eine Kraft aus, so wird man einen Luftdruckunterschied feststellen. Die einzelnen Molekühle werden auf der einen Seite zusammengedrückt und auf der anderen Seite auseinandergezogen. Dies geschiet so lange, bis sich ein Kräftegleichgewicht eingestellt hat.


    Das gleiche Prinzip vermuten wir, liegt bei Elektronen vor. Diese lassen sich auch weiter "auseinanderziehen" und "zusammendrücken".
    Unser Lehrer meinte auf die Idee dieses Modelles hin, dass sich Elektronen nicht so verhalten wie Gase sondern wie Flüssigkeiten, die sich nicht kompremieren lassen.


    Vielen Dank für euer Interesse
    WiRo

    Also ob da nun wirklich eine Ladungstrennung statt findet kann ich nicht sagen.
    Fakt ist das ein bewegter Leiter im Magnetfeld einer Ladungstrennung erfährt (Lorenz-Kraft).
    Ebenfalls ist klar das bei der geschlossenen Leiterschleife keine Spannung bzw. stromfluß durch die Induktion entsteht (Magnetischer Fluß ändert sich nicht)
    Ob nun der erstgenannte Effekt auch bei einem geschlossen Leiter auftritt, kann ich nicht sagen. Da müsste ich mal nächste Woche meinen Prof. fragen.
    Ich tippe mal die Ladungstrennung findet statt.


    Aber warum baut ihr nicht einfach eine wirkliche Versuchsanordnung?


    Leiterschleife mit 2 Kontakten für das Spannungsgerät und das dann sauber jede ohne Drehung senkrecht in ein homogenes Magnetfeld (z.B. Helmholtzspulenanordnung) einfügen.
    Es kann aber sein, dass ihr mit den Leitern zum Spannungsmessgerät den Versuch zu stark verfälscht.


    Ob (ein) Elektronen(gas) niemals komprimierbar ist mag ich bezweifeln. Fest steht aber das man (ab einer bestimmten dichte) gegen einen im Pauli-Prinzip und in der Unschärferelation begründeten Widerstand arbeitet. Der Energieaufwand steigt also enorm, das würde dann ungefähr einer Flüssigkeit nahe kommen.


    Aber wie gesagt kann ich dazu nicht 100%iges sagen.
    Unser Lehrer meinte auf die Idee dieses Modelles hin, dass sich Elektronen nicht so verhalten wie Gase sondern wie Flüssigkeiten, die sich nicht kompremieren lassen.


    Fakt ist das wirbis jetzt keine wirkliche Lösung haben.

    Zitat

    Original von wiro
    Meine Frage ist glaube ich versanden worden. Die Antwort, dass mikroskopisch ein Ladungsunterschied besteht, erfreut mich. ...


    Wo steht denn das? Und wie soll dich das weiterbringen?
    ich mein ein miroskopischer Ladungsunterschied besteht immer.
    In dem Fall ist aber wichtig ob ein makroskopischer Ladungsunterschied festzustellen ist. Also ob die Ladungen sich in ein bestimmte Richtung bewegen bzw. sich an einer bestimmten Stelle sammeln.
    und in dem Fall sind wir uns bei der geschlossenen Leiterschleife nicht einig bzw. sicher. Wir vermuten es nur.



    Übrigens dem Argument eures Lehrers die Ladungsansammlung an einer Seite finde nicht statt bzw. kann nicht mit dem Verhalten von Gasmolekülen verglichen werden kann nicht ganz stimmen. Denn bei einer normalen Induktion (offene leiterschleife, veränderlicher Magnetischer Fluß) passiert genau das an der Kathode.

    Hab mal mit meinen Kommilitionen disskutiert, und die meinen, dass eine Ladungstrennung hervorgerufen wird. Man kann also zw. oben und unten eine Spannung messen. Ein Strom fließt dabei nicht, da ja die Lorentzkraft gleichgerichtet ist, und dies somit verhindert.
    Mehr passiert da nicht.


    Oben ist übrigens + und unten -.

    Das scheint euch ja sehr zu interessieren. Auf die Idee eines Versuches, sind wir auch schon gekommen. Aber falls man bei dem Versuch versucht die Spannung abzugreifen (angenommen oben und unten), hätte man wieder eine Änderung der mit einem magnetischen Fluss durchsetzten Fläche und somit sicher eine induzierte Spannung.
    Wir sind leider nicht auf einen passenden Versuch gestoßen ohne die Rahmenbedingungen zu änderen. Es ist daher nur eine theoretische Überlegung mögich.
    Das erstaunliche in der Streitfrage war, dass unser Lehrer uns vorher erkläre, ein Eisenstab, der durch ein Magnetfeld geführt wird, erfährt eine Ladungstrennung. Aber eine Leiterschleife dann nicht?? Wie kann das den angehen, würde der Eisenstab keine Ladungstrennung mehr erfahren, wenn man einen Schlitz hineinschneiden würde?

    Also wie gesagt, ich denke das eine Ladungstrennung auch bei der Leiterschleife auftritt und man so eine Spannung messen kann.


    Wieso sollte das Messen der Spannung die Rahmenbedingungen ändern? Sind doch nur 2 Kabel, die in oben und unten an der Leiterschleife angeschlossen werden. Der Spannungsmesser ist ja außerhalb des magn. Feldes. Wenn die Kabel senkrecht nach oben und unten gehen bilden si auch in dem Sinne keine Fläche. Damit man ausschließen kann, dass man eine Ladungstrennug in den Kabeln misst, kann man den Versuch einmal ohne Leiter durchführen (also nur die Kabel miteinanderverbinden, durch das Magnetfeld führen und messen ob ne Spannung auftritt), einmal mit einem Leiter und dann mit verschiedenen Leiterschleifen.
    Wäre mal ein interessanter Versuch.

    Nein, das geht nicht. Wenn man an die Leiterschleife zwei Kabeln, oben und unten, anbringt, ist das wie ein normaler bewegter Leiter im Magnetfeld. Dabei werden die Elektronen durch die Lorenzkraft beschleunigt und es kommt in jedem fall zu einer induzierten Spannung.
    Die Fläche ändert sich, da man von der von dem Leiter überstreiften Fläche ausgeht. Das ist der erste Versuch, der gemacht wird. Man kann diesen Versuch einmal mit der Lorenzkraft beschreiben: F(Lorenz)=v*l*B oder mit der Änderung des magnetischen Flusses U(ind)=dPhy/dt bzw. U(ind)=B*dA/dt. Da B in dem Versuch gleich bleibt und durch die gleiche Geschwindigkeit auch dA/dt gleich ist, kommt es zu einer konstanten Spannung.
    Für die feldliniendurchsetzte Fläche dA gilt l(Leiter)*v*t.


    Daher ist es nicht möglich den Spannungsunterschied nachzumessen. Vielleicht ist es ja möglich das entstehende Feld in der Nähe des Leiters zu messen. Dieses müsste dann doch theoretisch ein zusammengesetztes Feld aus dem ursprünglichen B-Feld sein und dem Feld, dass durch die erhöhte Elektronenkonzentration erzeugt wird. Auf der anderen Seite der Leiterschleife mit der vermuteten geringeren Elektronenkonzentration müsste dann das resultierende Feld unterschiedlich zu dem oben gemessenen sein.