Beobachtungen:
Felder
1. Elektrisches Feld
2. Magnetfeld
F. Ehrenhaft
3. Gravitationsfeld
4. Elektrische Spannungsquellen
4.1 Reibungselektrizität
4.2 Kelvin-Generator
4.3 Piezoelektrizität
4.4 Thermoelektrizität, Peltier-Effekt, Seebeck-Effekt
4.5 Galvanisches Element, Froschschenkel
4.6 Elektrizität durch Licht oder Hitze
4.6.1 Photozelle
4.6.2 Glühemission
4.7 Induktion
4.7.1 Leiter im wechselnden Magnetfeld
4.7.1a Leiter oder Magnetfeld bewegt
4.7.1b praktische Anwendung
4.7.1c Leiter und Elektromagnet ortsfest, Magnetfeld zeitlich veränderlich
4.7.2 Leiter im Magnetfeld, Faraday-Scheibe
4.7.3 Leiter im Magnetfeld, Faraday-Paradoxon
4.7.4 Lorenzkraft
4.7.5 Hall-Effekt
4.7.6 Deutung
4.8 mechanische Beschleunigung von Metallen
4.8.1 Tolman-Versuch
8. Meßgeräte
9. Kraft, Drehmoment einer Spule im Magnetfeld
9.1 Messung des dielektrischen Verschiebungsstroms
10. Magnetische Strukturen als Informationsträger
11. Magnetfeld eines geraden langen Leiters
12. Geschwindigkeit von Ladungsträgern in einem Leiter
In der Physik gibt es in den Lehrbüchern drei bekannte Begriffe:
- Magnetfeld,
- Elektrisches Feld,
- Gravitationsfeld
- gibt es weitere ????
Woher wissen wir, daß es sie gibt?
Man kann Effekte beobachten und damit die Eigenschaften der Felder beschreiben.
Häufig gelingt es Kräfte zu messen, die die Felder verursachen.
- Mit Eisenfeilspänen lassen sich außerhalb eines Magneten "Feldlinien" zeigen.
- Polarisiertes Licht ändert seine Schwingungsrichtung.
- Mit Hilfe von Bärlappsamen auf Öl lassen sich zwischen zwei unterschiedlich elektrisch geladenen Elektroden ebenfalls "Feldlinien" demonstrieren.
- Feldlinien der Gravitation ???
In der Physik kann man die Stärke eines Feldes definieren über die Kraft, die auf einen Probekörper wirkt.
Aus der experimentellen Erfahrung weiß man, daß sich bei diesen drei genannten Feldern die Feldstärke quadratisch mit zunehmendem Abstand verringert, sofern der Probekörper weit genug von der Quelle des Feldes entfernt ist. Dies hängt damit zusammen, daß sich die Oberfläche einer Kugel ebenfalls quadratisch mit dem Radius vergrößert.
Während man beim elektrischen und magnetischen Feld den Probekörper vergleichsweise sehr dicht an die Quelle heranbringen kann, so daß die Feldstärke wegen dieses Abstandsgesetzes hohe Werte annehmen kann, bleiben bei der Gravitation immer größere Abstände zwischen den anziehenden Massen. (Der Abstand zwischen Mittelpunkt der Erde und einem Probekörper auf der Erdoberfläche ist rund 6300 km)
Im praktischen Leben haben die drei Felder unterschiedliche "Reichweiten". Die Gravitation reicht am weitesten, bis weit in das uns umgebende Sternensystem.
Wir haben es gelernt, mit Feldern umzugehen, weil wir einen Teil ihrer Eigenschaften kennen. Die grundsätzliche Frage aber, was ein Feld nun ist, nämlich woraus es besteht, bleibt offen.
Siemens hat im 19. Jahrhundert seinen Elektrogenerator gebaut, ohne je ein einzelnes Elektron gesehen zu haben, noch Informationen über die physikalischen Hintergründe zur Existenz von Feldern gehabt zu haben.
Sollte sich ein weiterer Feldbegriff in der Wissenschaft allgemein einbürgern und anerkannt sein, wie z.B. das von Burkhard Heim (dt. Physiker 1925-2001) in seiner Quantenfeldtheorie postulierte Informationsfeld, dann könnte man eine große Zahl von Beobachtungen der Existenz dieses Feldes zuschreiben und dann damit arbeiten wie mit den anderen Feldbegriffen.
So wie Siemens würden wir zunächst nur den Begriff und manche der Eigenschaften verwenden, ohne Heims Quantenfeldtherie im Einzelnen verstehen zu müssen.
Viele Beobachtungen und Erfahrungen rechtfertigen die Annahme der Existenz eines solchen Feldtyps, beispielsweise sind dies die von R. Sheldrake beschriebenen Morphischen Felder.
/sheldrake 1993/
Magnet, Elektret
Man kann es nicht ordentlich beschreiben: (eine Katze ist ein Tier, das so aussieht wie eine Katze)
https://de.wikipedia.org/wiki/Magnet
Ein Magnet (...... líthos magnes ‚Stein aus Magnesia‘, vgl. das Mineral Magnetit) ist ein Körper, der bestimmte andere Körper magnetisch anzieht oder abstößt. Magnetische Anziehung oder Abstoßung ist ein grundlegendes Naturphänomen – siehe dazu den Artikel Magnetismus.
https://de.wikipedia.org/wiki/Elektret
Der oder das Elektret ist ein elektrisch isolierendes Material, das quasi-permanent gespeicherte elektrische Ladungen oder quasi-permanent ausgerichtete elektrische Dipole enthält und somit ein quasi-permanentes elektrisches Feld in seiner Umgebung oder in seinem Inneren erzeugt. Der Name ist in Anlehnung an das Wort Magnet entstanden und stammt von dem englischen Physiker Oliver Heaviside, der die Existenz von Elektreten 1885 theoretisch vorhersagte. Der Name soll zeigen, dass der Elektret als elektrostatisches Analogon zum Permanentmagneten aufgefasst werden kann.
Lassen sich diese drei Felder abschirmen?
Elektrisches Feld:
Umgibt man den Probekörper
(berührungslos) mit einer leitfähigen Oberfläche, dann
wirkt durch das umgebende Feld keine elekrische Kraft auf ihn.
(Faradayscher Käfig)
Magnetisches Feld:
Mit einem Gehäuse aus einer
speziellen Legierung (MU-Metall) oder einem Supraleiter läßt
sich ein (fast) feldfreier Raum erzeugen.
Gravitationsfeld:
Aufhebung der Schwerkraft,
Schwerelosigkeit
Jedes Feld läßt sich durch ein gleichgroßes aber entgegengesetztes kompensieren.
Beispielsweise gibt es auf der Verbindungslinie zwischen Erde und Mond eine Stelle, bei der die Anziehungskräfte von Erde und Mond den gleichen Betrag aber ein unterschiedliches Vorzeichen haben und sich somit in der Summe aufheben.
Jedes Feld läßt sich durch ein gleichgroßes aber entgegengesetztes kompensieren.
Beispielsweise gibt es auf der Verbindungslinie zwischen Erde und Mond eine Stelle, bei der die Anziehungskräfte von Erde und Mond den gleichen Betrag aber ein unterschiedliches Vorzeichen haben und sich somit in der Summe aufheben.
Allgemein gesagt, läßt sich durch ein Zusatzfeld in entgegengesetzter Richtung die Wirkung eines Feldes aufheben.
Spezielle Felder: Erdmagnetfeld
Ken L. Wheeler, Uncovering the Missing Secrets of Magnetism 2014
"Physics is the science of existence, but not necessarily the science of truth, only of objective truth (which as any rational person knows is only half or less of the picture), which is not part nor parcel to any field which has no objective existence, no objective reality! The quickest way to hush anyone within the realm of GR or QM (general relativity and quantum mechanics) is to ask him or her what a "field” is, and immediately inform him or her before answering that it cannot involve particles, as this is a well established absolute. There have only been two positions in the totality of history on fields and magnetism, immaterial and materialistic / atomistic. The GR and QM position is purely materialistic, they have not one explanation for a field, they explain away fields, in fact no less, with another field, and their pseudo-argument is purely circular and fallacious; at best they evoke non-entity particles to rationalize fields as the means and mediators of fields, however of course this is impossible in the vacuum of space and at the superluminal speeds in which some fields operate. Typical of GR and QM insanity, fields and the Ether have been replaced with an insane reification of ‘warped spacetime’. While most historical immaterial explanations for fields have been surrealistic, hypermystical, magical, the fact remains that all fields are Ether in nature, they are also rational, logical and these are the very same conclusions drawn by Tesla, Steinmetz, Heaviside, and Maxwell (among many), and the only conclusions that explains fields, dielectricity, magnetism, gravity, electricity and countless other rational, logical experiments and observations without end.
The notion that magnetism is a "quantum mechanical effect” is pure nonsense, additionally that there are ‘electrons moving’ which resultantly creates magnetism; this is absurd, contrary to facts and observation. As any ‘scientist’ will tell you, nobody has ever 'seen an electron’, as discussed further on, this is the premise of the greatest minds of electrical theory as well, Tesla, Heaviside, Maxwell, Steinmetz and others. Typical of GR and QM, they have reified unreal abstractions and concepts (muons, gluons, electrons etc.), things that utterly do not exist, and thoroughly dismiss reality, that being fields and the Ether. Rationally one must ask themselves that since the greatest inventive minds to exist and which created our entire electrical world, Tesla, Maxwell, Steinmetz and others, if these great minds embrace the Ether as reality, and academic fools who invent nothing and only create fictional works vociferously deny it, which side is the more rational and sane?
/Wheeler 2014/ S. 12
Aether
Lernen durch Beobachten, Entstehung der "Lehre von der Elektrizität"
Beschäftigung mit den Eigenschaften von "geladenen" Körpern.
Otto von Guericke hat sich nicht nur mit "Vakuum" beschäftigt, sondern auch mit einer "Elektrisiermaschine".
Durch Reiben einer Schwefelkugel mit einem Tuch aus Seide läßt sich eine Vogelfeder "aufladen" so, daß sie schwebt.
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| Abb. 00-01: Elektrisiermaschine mit Schwefelkugel, Otto von Guericke, 1672, (a) Feder wird abgestoßen (/Teichmann 1996/ S. 16) |
1. Elektrisches Feld
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| Abb. 01-00: Natürliche Elektrizität, Ladungstrennung zwischen Wolken erzeugt elektrisches Feld. Abb. 04-01-19: Erstes Blitzableiterexperiment, durchgeführt von
d´Alibard in Marly bei Paris am 10.5.1752, Holzschnitt, um 1870
(/Teichmann 1996/, S. 31) |
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| Abb. 01-01: Elektrostatik: auf einer Öloberfläche schwimmen kleine Körner (Bärlappsamen). (FB) |
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| Abb. 01-02: Elektrisches Feld: Im Durchlicht werden Feldlinien zwischen den unterschiedlich geladenen Elektroden sichtbar. (FB) |
Elektrisches Feld
Coulombkraft, Kraft zwischen zwei Ladungen q1 und q2 beim Abstand r
 |
| Abb.
01-03: Drehwaage von Coulomb. An einem sehr dünnen Torsionsfaden
(Fig. 2 und 3) hängt ein horizontaler Stab (Fig. 3). Am rechten Ende
befindet sich eine Kugel (a), am linken Ende ist ein Gegengewicht zu
sehen. In dem Waagengehäuse (Fig. 1) ist die Anordnung umgekehrt: links die Kugel, rechts der Spiegel. Fig. 5 zeigt das Gegenstück mit einer zweiten Kugel (d), das man in das Gehäuse einhängen kann. Die Auflage (m) erlaubt eine seitliche Verschiebung. Lädt man nun diese Kugel elektrisch gegen das Gehäuse auf, so läßt sich die elektrostatische Kraft zwischen beiden Kugeln als Drehmoment am Waagebalken beobachten. Um wieder auf die ursprüngliche Stellung zu kommen, kann man die Aufhängung des Torsionsfadens entgegendrehen und so die Größe der kraft messen. Die beobachtbare Kraft hängt vom Abstand zwischen beiden Kugeln ab: Coulombsches Gesetzt. https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Bcoulomb.png |
Oersted, J.C. Annalen der Physik und Chemie (1841) 129 8, 612-613
VIII Über ein neues Elektrometer
"Der Wagbalken hängt in einem Glascylinder, durch dessen Deckel ein Metallbogen geht, isolirt man diesem durch Gummilack und Glasröhre, und dessen Enden solchergestalt mit denen des Wagbalkens in Berührung kommen, daß das eine die rechte und das andere die linke Seite berührt. Indem also der Metallbogen Elektricität empfängt, geht diese zugleich in den Wagbalken über und erzeugt eine Drehung. Wenn die magnetische Richtkraft (des Eisenbügels) so geringe ist, daß sie kaum merkbar, zeigt dieß Elektrometer eine außerordentliche Empfindlichkeit. Um sehr schwache elektrische Wirkungen zu entdecken, theilt man ihm zuerst etwas Elektricität mit, welche den Wagbalken um einige Grade dreht. Ein Körper, welcher dieselbe Art von Elektricität besitzt, bringt dann, wenn er genähert wird, eine sehr bedeutende Vergrößerung der Abweichung hervor. Die Elektricität, welche isolirte Zink- und Kupferplatten nach Berührung und Abhebung zeigen, wird auf diese Weise ohne Hülfe eines Condensators, sehr wahrnehmbar."
2. Magnetfeld
neuere Ansätze:
/Wheeler 2014/ /Monstein 1994/ /Monstein 1991/ /Crane 2000/
Siehe auch Erdmagnetfeld erdmagnetfeld.htm
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| Abb. 02-01: Natürliches magnetisches Material: ein Magnetstein /Peregrinus 1269/ Seite 8
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| abb. 02-01a: Magneteisenstein mit eisernen Polschuhen, 1712, Isaac Ourry, Orangerie Kassel (FB) |
 |
| Abb. 02-02: Hufeisenmagnet, aus Stahl geschmiedet (FB) |
 |
| Abb. 02-03: Ringmagnet aus Ferrit, Keramik aus Eisenoxid (Hämatit Fe2O3) gepresst und gesintert, ist elektrisch schlecht leitend. (FB) |
 |
| Abb. 02-04: Neodym-Magnet, gepreßt und oberflächlich vergütet (vernickelt). Der Magnet ist in zwei Teile zerbrochen. In der ursprünglichen Anordnung halten sie nicht mehr zusammen, weil sie sich abstoßen würden. Sie haben sich nun anders zusammengefügt. Es ist eine Legierung aus Neodym, Eisen und Bor mit der Zusammensetzung Nd2Fe14B. (FB) |
 |
| Abb.
02-05: Elektromagnet. Er dient als Antrieb für eine elektrische
Maschine und ist der Funktion des Zylinders einer Dampfmaschine
nachempfunden ist. Kleine elektromagnetische Maschine nach Page, 1859
(FB) |
 |
| Abb.
02-06: Supraleitender Magnet in einem mehrfach isolierten Gefäß.
Solange die Kühlung mit flüssigem Helium (-269°) läuft, kann ein
einmalig hineingegebener elektrischer Strom dort dauernd fließen und ein
Magnetfeld erzeugen, weil der Spulendraht bei diesen Temperaturen (z.B.
aus Niob) supraleitend ist d.h. keinen Widerstand hat. (FB) |
 |
| Abb. 02-06a: Magnetfeldlinien, Michael Faraday On the Physical Character of the Lines of Magnetic Force Phil. Mag. 6 (1852) 401-428 |
 |
| Abb. 02-07:
Magnetisches Feld von
vier Magneten,
Feldlinien, links-rechts: jeweils anziehend, oben-unten: jeweils
abstoßende Pole(FB) |
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| Abb. 02-08: Pole farbig markiert (FB) |
 |
| Abb. 02-09: Nahaufnahme des linken oberen Pols (FB) |
 |
Abb. 02-10: aus erdmagnetfeld.htm |
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| Abb. 02-11: Ausschnitt (FB) |
 |
| Abb. 02-11a: Feinste Eisenteilchen in einer wässrigen Lösung mit Spülmittel. In der Bildmitte liegt unterhalb des Gefäßes ein flacher Stabmagnet. Sein Pol zeigt in Richtung Kamera. (FB) |
 |
| Abb. 02-12: Magnetpole in einer magnetischen Flüssigkeit, Technikmuseum in Mannheim (FB) |
 |
| Abb. 02-13: magnetische Flüssigkeit, Technikmuseum in Mannheim (FB) |
 |
| Abb. 02-14: magnetische Flüssigkeit, Technikmuseum in Mannheim (FB) |
 |
| Abb.
02-14a: Magnetische Flüssigkeit, je nach Abstand und Dicke der
Flüssigkeitsschicht entstehen unterschiedliche Figuren: großer
Abstand, dicke Schicht Unter der Schale mit der Flüssigkeit liegt ein flacher Magnet mit Magnetisierung in Richtung der Flächennormale (FB) |
 |
| Abb. 02-14b: Magnetische Flüssigkeit (FB) |
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| Abb. 02-14c: Magnetische Flüssigkeit (FB) |
 |
| Abb. 02-14d: Magnetische Flüssigkeit (FB) |
 |
| Abb.
02-14e: kleiner Abstand, dünne Schicht, flacher Neodym-Magnet 20
mm x 20 mm mit 4 mm Bohrung in der Mitte. (s.u.) (FB) |
 |
| Abb. 02-15: Nach den Vorschlägen aus dem Buch von /Wheeler 2014/: ia802502.us.archive.org/31/items/magnetism1small/magnetism1small.pdf oder die Videos dazu. http://www.youtube.com/watch?v=ECokfl2y0Fs&index=7&list=PLnilnjUumFqDMOeh3DVHd7QjZdObXBxxE Röhren-Farbfernseher als Detektor von Magnetfeldern. (FB) Im Normalfall werden die drei Elektronenstrahlen für RGB (rot, grün, blau) jeweils an jeder Stelle des Bildschirms mit Hilfe einer Lochmaske auf die unterschiedlichen Phosphorenszenz-Punkte gelenkt. Die unterschiedlichen Phosphorelemente für RGB sind als senkrechte Streifen nebeneinander angeordnet. beschleunigte-ladungen.htm#rgb-maske Treffen sie ihr Ziel nicht, weil ein zusätzliches Magnetfeld sie ablenkt, entstehen Farbverschiebungen. Als Vorlage diente hier ein leicht abgedunkeltes weißes Bild. Direkt vor der Mitte der Glasfläche wird ein 20 mm x 20 mm großer Neodymmagnet von einem Messingstab gehalten. Die Elektronenstrahlen treffen nahezu senkrecht auf den Schirm. Beim entstehenden Farbmuster ist die obere Hälfte komplementär zur unteren. (Das Streifenmuster resultiert aus der Übelagerung der Bildpunkte in der Digitalkamera und den Löchern in der Maske.) (FB) |
 |
| Abb. 02-16: Vier aneinanderhängende Neodymmagnete 10 mm Durchmesser erzeugen dieses Muster (FB) |
 |
| Abb. 02-17: Der Hintergrund ist nur blau. Nur der blaue Elektronenstrahl liefert Intensität. Bild vom flachen Neodymmagnet mit 20 mm x 20 mm. Der Magnet ist jetzt etwas außerhalb der Mitte (nach links) angebracht. Dort treffen die Elektronenstrahlen in einem schrägen Winkel auf den Schirm (FB) |
 |
| Abb.
02-18: Vier Zylindermagnete mit 10 mm Durchmesser, Position linkes
unteres Viertel des Bildschirms, dort treffen die Elektronenstrahlen
schräg auf. (FB) |
Felix Ehrenhaft
Gibt es magnetische Monopole?
faraday-literatur.htm/ehrenhaft
ehrenhaft.htm
Petra Schulz, Die deterministische Wellenfunktion und Ehrenhafts Experimente
schulz_det_wellenf_ehrenhaft1.pdf
/Santos 2010/
G.M. Santos
A debate on magnetic current: the troubled Einstein-Ehrenhaft correspondence
Tabelle 1 auf Seite 387:
Gegenüberstellung der Eigenschaften von Elektrizität und Magnetismus.
Es gibt viele Gemeinsamkeiten.
| Electricity | Magnetism |
| Movement of single electrical charge. Consequence: magnetic field. Rowland 1876 | Movement of single magnetic pole. Consequence: electrical field, induction experiment. Faraday 1831 |
| Bodies move in homogeneous electrical field. Direction reversal with field reversal. Electrical ions. Faraday 1830 | Bodies move in homogeneous magnetic field. Direction reversion with field reversal. Ehrenhaft 1930, 1941 |
| Positive and negative electrical charge produced by friction | North and south magnetic poles produced by friction. Ehrenhaft 1941 |
| Electrophoresis. Reuss 1809 | Magnetophoresis. Ehrenhaft 1941 |
| Particle coagulation in electrical field | Particle coagulation in magnetic field. Ehrenhaft 1941 |
| Electrophotophoresis. Bodies move in homogeneous electrical field in or against field direction when strongly irradiated. They revert with the field, and speed is a function of field strength and light intensity. Ehrenhaft 1920 | Magnetophophoresis. The same behaviour in the magnetic field as in electrical field. Ehrenhaft 1930 |
| Water electrolysis. 1800 | Water magnetolysis tried (Fresnel 1820). Conducted by Ehrenhaft with electromagnets 1942, with permanent magnets 1944 |
| Loss of pole strength in a Volta battery during electrolysis | Loss of pole strength of permanent magnets during magnetolysis. Ehrenhaft |
| Magnetic whirl around electric current (Oersted). Deviation of magnetic needle through wire connecting poles of Volta battery | Electric whirl around wire connecting both poles of permanent magnet. Ehrenhaft 1944 |
| Measurement of current strength due to the work of current traversing poles | Measurement of magnetic current strength due to work of charges traversing poles. Ehrenhaft |
| None | Spiral paths of bubbles and particles in constant homogeneous magnetic field in fluids as well as gases. Ehrenhaft |
Tabelle aus der Vorlesung von Ehrenhaft, 1947 ehrenhaft.htm#kapitel-08
| Elektrizität | Magnetismus |
| 1) Im homogenen elektrischen Feld bewegte Körper,
Umkehr der Bewegungsrichtung mit Umkehr des Feldes. Elektrische Ionen, Faraday 1930 | 1) Im homogenen magnetischen Feld bewegte Körper, Umkehr der Bewegungsrichtung mit Umkehr des Feldes. Magnetische Ionen. 1930, 1941. |
| 2) Erzeugen positiver und negativer elektrischer Ladung durch Reibung | 2) Erzeugung von Nord-und südmagnetischen Polen, Reibung 1941 |
| 3) Elektrophorese, Preuß 1809 | 3) Magnotophorese 1941 |
| 4) Koagulation von Teilchen im elektrischen Feld | 4) Koagulation von Teilchen im magnetischen Feld 1941. |
| 5) Elektrophotophorese 1920 In einem homogenen elektrischen Feld bewegen sich Körper mit oder gegen die Richtung des Feldes, wenn sie stark bestrahlt werden. Sie reversieren mit dem Feld und ihre Geschwindigkeit ist eine Funktion der Feldstärke und der Intensität des Lichtes | 5) Magnetophotophorese 1930. Dasselbe im magnetischen Feld |
| 6) Elektrolyse des Wassers, 1?88 | 6) Magnetolyse des Wassers bereits am Beginn des 19. Jahrhunderts versucht. (Fresnel 1880). 1942 von Ehrenhaft mit dem Elektromagneten durchgeführt, 1944 mit dem permanenten Magneten. |
| 7) Verlust der Polstärke einer Voltabatterie im Verlauf der Elektrolyse | 7) Verlust der Polstärke des so genannten permanenten Magneten bei der Magnetolyse. |
| 8) a) magnetischer Wirbel um den elektrischen Strom b) Ablenkung der Magnetnadel durch die Pole der Voltabatterie verbindenden Draht. Messung der Stromstärke nach Ampere durch die Arbeit des den Strom umkreisenden Einheitspoles. | 8) a) elektrischer Wirbel um den die beiden Pole des so genannten permanenten Magneten verbindenden Draht. 1944. b) Messung der Intensität des magnetischen Stromes durch die Arbeit der den Strom umkreisenden Einheitsladung (Oersted) |
| 9) Spiralbahnen von Blasen und Teilchen im konstanten homogenen Magnetfeld, in Flüssigkeiten, sowie in Gasen. | |
| 10) Bewegung einer einzelnen elektrischen Ladung. Folge: Magnetfeld (Rowland 1876) | 10) Bewegung eines einzelnen Magnetpols. Folge: elektrisches Feld (Faraday Induktionsversuch 1831) |
Homogenes Magnetfeld läßt Materie rotieren.
/Braunbeck 2003/ Seite 128
"... Ein Alnico-Magnet 5 - 60.000 Maxwell - wird mit zwei runden Polstückchen versehen, die kegelstumpfartig enden. Die einander gegenüberliegenden Kreisflächen haben einen Durchmeser von 5 mm und sind 1,5 mm voneinander entfernt. Diese horizontal gegenüberliegenden Polflächen werden mit einer elektrisch isolierenden Schichte von Picein bedeckt. Man gibt einen Tropfen konzentrierter Eisenchloid -Lösung in das homogene Feld zwischen die Polschuhe des Magneten. Der Tropfen nimmt dort aus Gründen der Kapillarität die Form eines Katenoids an. Man kann in Dunkelfeldbeleuchtung an der kreisförmigen Bewegung der Eisenhydroxyd-Partikel, die in einer solchen Lösung immer suspendiert sind, feststellen, dass der Tropfen sich gegen den Uhrzeigersinn dreht, wenn man in die Feldrichtung blickt, und dass der Drehungssinn unabhängig ist von der Richtung des beleuchteten Strahles.... "
3. Gravitationsfeld
 |
| Abb. 03-01:
Gravitationfeld:
Anziehung von
Massen: Mit dieser Drehwaage lassen sich Kräfte zwischen Massen
ermitteln. Rechts hinter der Glasscheibe eine kleine Bleikugel,
dahinter eine große. (Spiegelbildlich dazu die gleiche Anordnung
auf der linken Seite.) Die kleinen Kugeln gehören zu einem
Waagebalken, der an einem Torsionsfaden drebar um eine senkrechte Achse
aufgehängt ist. Dreht man den Teller mit der großen
Kugeln vorne nach rechts, dann werden die kleinen Kugeln jeweils von
den
anderen Kugeln d.h. zur anderen Seite gezogen. Damit man sehr kleine Bewegung überhaupt beobachten kann, ist in der Mitte der Aufhängung ein kleiner Spiegel angebracht. Über einen "Lichtzeiger" Laserstrahl läßt sich dann die Bewegung des Spiegelbildes verfolgen. (FB) |
 |
| Abb.
03-02: Nach Umlegen der äußeren Bleikugeln nimmt der Waagebalken eine neue Ruhelage ein. Dargestellt ist die gedämpft schwingende Bewegung des Lichtzeigers nach dem Umlegen. Man braucht sehr viel Geduld, wenn man den zeitlichen Verlauf dieser extrem kleinen und auch sehr langsamen Bewegung mit den Augen verfolgen will. Mit Hilfe einer elektronischen Aufzeichnung (Kamera) wird es einfacher. Nach 30 Minuten ist die durch das Umklappen der großen Kugeln ausgelöste gedämpfte Schwingung noch immer nicht zur Ruhe gekommen. Periode: 630 s oder 10,5 Minuten. (FB) |
4. Elektrische Spannungsquellen
Wodurch läßt sich eine elektrische Spannung erzeugen?
4.1 Reibungselektrizität
/Simonyi, 2001/ S. 328
Es läßt sich nicht mehr genau feststellen, was Franklin dazu bewogen hat, gerade die Elektrizität des Glases als existent anzusehen und bei der Harzelektrizität von einem Mangel zu sprechen. Die Beziehungen positiv und negativ sind natürlich eine logische Folge dieser Festlegung. Franklin ist offenbar von Erwägungen ausgegangen, daß bei der Berührung eines geladenen und ungeladenen Körpers die Ladungen immer nur in eine Richtung strömen. Dies ist auch nach unseren heutigen Erkenntnissen so, wenn wir die Strömung elektrischer Ladungen in metallischen Körpern betrachten. Im Unterschied zu der Annahme Franklins strömt in Metallen allerdings die negative Ladung, während die positiven Ladungen ihre Plätze beibehalten. In Franklins Versuchen - bei der Ladungsübertragung auf bzw. der Ladungsentnahme von einem Körper mit Hilfe einer Metallspitze - kommt es aber im Luftraum zwischen der Metallspitze und dem Körper zu Ladungsströmungen in beiden Richtungen. Es ist sehr wahrscheinlich, daß Franklin durch das im Dunklen sehr gut zu sehende Funkenbild, das hier an einen aus einer Gießkanne ausfließenden Strom von Wassertropfen erinnert, zu der Annahme geführt worden ist, daß nur die Glaselektrizität fließt.
/Simonyi, 2001/ s. 330
Auch die Leitfähigkeiten verschiedener Stoffe hat Cavendish gemessen und dazu den Begriff des Widerstandes eingeführt, worin er Ohm ein halbes Jahrhundert zuvorgekommen ist. Erwähnenswert ist, daß Cavendish z.B. für das Verhältnis der Leitfähigkeiten des Meerwassers und des Eisens einen Zahlenwert von 1 : 4. 1E6 angibt, was überraschend gut mit dem heute bekannten Wert übereinstimmt. Cavendish bemerkt dazu, daß er diesen Zahlenwert mit einem sehr einfachen Meßverfahren erhalten habe.
Heute kommt man bei der Messung des elektrischen Widerstandes ebenfalls mit sehr einfachen Instrumenten, einem Volt- und einem Amperemeter, aus; zu Zeiten Cavendish' waren diese Meßinstrumente aber noch nicht erfunden, und aus seinem Manuskript geht hervor, was er unter einem einfachen Meßverfahren verstanden hat: Cavendish hat die Stärke der elektrischen Entladungen miteinander verglichen, die er erhalten hat, wenn er die beiden Elektroden einer Leidener Flasche über unterschiedliche Substanzen miteinander verbunden hat, und aus der subjektiven Empfindung des elektrischen Schlages hat er dann auf den Zahlenwert für die Leitfähigkeit geschlossen.
/Simonyi, 2001/ Seite 324
Dufays größte Leistung ist die Entdeckung, daß zweierlei Sorten der Elektrizität existieren. Bis zu diesem Zeitpunkt war lediglich bekannt, daß ein mittels Reibung elektrisierter Körper die leichten Gegenstände seiner Umgebung zunächst anzieht und nach der Berürhung abstößt und daß die elektrisierten Körper selbst einander abstoßen. Es hat sich dann aber beim Reiben eines Glasstabes und eines Stücks Kolophonium herausgestellt, daß diese beiden elektrisierten Körper einander nicht abstoßen, sondern anziehen. Dufay hat deshalb zwei Soren der Elektrizität, die Glaselektrizität (électiricitè vitreuse) und die Harzelektrizität (èlectricitè rèsineuse) unterschieden. Demzufolge ist neben der Einflüssigkeitstheorie eine Zweiflüssigkeitstheorie entstanden und von dem am französischen Hof tätigen Naturforscher Jean Antoine Nolle (1700-1770) detailliert ausgearbeitet worden. Nach seinen Vorstellungen sollen die beiden Elektrizitätssorten in der Form eines Effluviums und eines Affluviums dei elektrisierten Körper umgeben.
Die Erfindung der Leidener Flasche hat den Versuchen einen neuen Auftrieb gegeben. Wir verdanken sie dem Pfarrer von Kleist aus Cammin (Pommern) und dem in Leiden tätigen Professor Musschenbroek. Von Kleist ist zufällig, Musschenbroek beim systematischen Experimentieren, aber mit Hilfe des Zufalls, zu dieser Erfindung gekommen. Musschenbroek hatte nämlich versucht, den bekannten Effekt zu unterbinden, daß ein nur von Luft umgebener Leiter, der in einen elektrisierten Zustand versetzt und an isolierenden Fäden aufgehängt ist, nach einer bestimmten Zeit seine Ladung wieder verliert. Zu diesem Zweck hat er das in einer Glasflasche befindliche Wasser "elektrisiert", indem er einen durch den Verschlußtopfen der Flasche hinduchführenden Metallstift mit der Reibungselektrisiermaschine verbunden hat. In einen Hand hielt er die Flasche, und als er mit der anderen den Metallstab berührte,verspürte er einen kräfigen elektrischen Schlag. im Zitat (**) wird Musschenbroeks panischer Schrecken in lebhaften Farben geschildert.
Wir wollen hier besonders darauf hinweisen, daß auch der zweite Teil des Zitats recht bemerkenswert ist: Jeder Wissenschaftler muß einen gewissen furor heroicus zu Tage legen, d.h. eine Bereitschaft, sein Leben bei wissenschaftlichen Untersuchungen einzusetzen und den Ruhm als solchen Opfers wert anzusehen.
Der im Zitat erwähnte Richman hatte sein Leben in Petersburg bei elektrischen Versuchen verloren.
Zitat (**):
Herr Musschenbroek, der dieses Experiment mit einem besonders dünnwandigen Glasgefäß ausführte, berichtet in einem Brief an Herrn Réaumur, dem er bald nach dem Experiment schrieb, er hätte in den Armen, der Schulter und der Brust einen Schlag verspürt, so daß es ihm den Atem verschlagen und er sich vom Schock und dem Schrecken erst nach zwei Tagen erholt hätte.
Er fügt hinzu, er würde sich nicht um das Königtum Frankreich einem zweiten derartigen Schlag aussetzen.
..
In Frankreich wie auch in Deutschland wurden Versuche angestellt, um herauszufinden, wie viele Personen einen Schlag bei der Entladung ein und derselben (Leidener) Flasche verspüren könnten. Abbé Nollet, der in der Elektrizität einen guten Namen hat, ließ ihn 180 Wachsoldaten in Gegenwart des Königs fühlen. Im Pariser Kloster der Karthäuser bildeten alle Mönche der Klostergemeinschaft eine Menschenkette von 900 Klaftern Länge (es waren dabei je zwei Personen durch einen Eisendraht miteinander verbunden), also weit mehr, als die Kette der 180 Soldaten. Dabei machten alle ohne Ausnahme bei der Entladung der Flasche plötzlich und genau zugleich einen Satz, und alle verspürten den Schlag.
Priestley, J. The History and Present State of Electricity London 1175, vol 1. pp 106-107
 |
| Abb. 04-01-01: Kunststoff und Katzenfell, Reibungselektrizität, électricité resineuse, erzeugt negative Ladung. C. F. de Cisternauy Dufay (1698-1739) "Dufay hat deshalb zwei Sorten der Elektrizität, die Glaselektrizität (électricité vitreuse) und die Harzelektrizität (électricité resineuse) unterschieden." Jean Antoine Nollet (1700-1770) nennt es Effluvium und Affluvium. /Simonyi 2001/ Seite 324 |
 |
| Abb. 04-01-02: Glasstab und Ledertuch, Reibungselektrizität électricité vitreuse erzeugt positive Ladung. (FB) |
Das Vorzeichen der Reibungselektrizität soll mit der Elektronenaffinität zusammenhängen.
Triboelektrische Reihede.wikipedia.org/wiki/Reibungselektrizität
Die triboelektrische Reihe gibt die Elektronenaffinität eines Materials an. Je weiter ein Material am positiven Ende der Reihe steht, desto mehr Elektronen wird es bei Berührung oder Reibung an ein Material abgeben, welches weiter am negativen Ende der Reihe steht. Die tatsächliche Quantität der Ladungstrennung durch den triboelektrischen Effekt hängt jedoch von weiteren Faktoren wie Temperatur, Oberflächenbeschaffenheit, elektrische Leitfähigkeit, Wasseraufnahme ab.
Positives Ende der Reihe (+) Asbest, Glas, Nylon, Wolle, Blei, Seide, Aluminium, Papier, Baumwolle, Stahl, Hartgummi, Nickel/Kupfer, Messing/Silber, Synthetischer Gummi, Orlon, Saran, Polyethylen, Teflon (PTFE), Silikongummi (−) negatives Ende der Reihe
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| Abb. 04-01-03: Experimente mit Voltaschen Säulen und mehreren Elektrophoren, Sue, 1802, Fig. 5 zeigt ein Elektroskop (/Teichmann 1996/ S. 44) |
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Abb. 04-01-04: Elektrophor und KatzenfellEin Elektrophor besteht aus zwei Teilen: einer Metallplatte mit isoliertem Griff, vergleichbar der Platte eines Kondensators, und einem so genannten „Kuchen“, welcher elektrisch nicht leitend ist und aus einer Mixtur von Harz, Siegelwachs und Schellack besteht. Dieser Kuchen befindet sich auf einer geerdeten, metallenen Grundplatte, wie in nebenstehender Abbildung dargestellt.de.wikipedia.org/wiki/Elektrophor |
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| Abb.
04-01-05: Elektrophor, rechts ein Holzhocker mit einer Schicht aus
Kolophonium, darüber eine Messingplatte. links auf dem Tisch zwei
Elektrophore, ein dreibeiniger Hocher mit isolierten Füßen und eine
kleine Leidener Flasche. Die Flasche dient zum Transport von Ladungen.
Uni Oldenburg (FB) |
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| Abb.
04-01-06: Vorher lag die Metallplatte auf dem Elektrophor. Nach Anheben
der Metallplatte entsteht eine hohe Spannung. Der Griff, ein Glasstab,
isoliert die Hand von der Platte. Die Spannung steigt mit zunehmendem Abstand. Uni Oldenburg (FB) |
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| Abb. 04-01-07: Spuren auf Elektrophoren, Lichtenberg-Figuren, Spuren elektrostatischer Entladung, Uni Oldenburg(FB) |
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Abb.
04-01-08: Lichtenberg-Figuren, mit feinsten Teilchen (Bärlappsamen) die
Spuren elektrostatischer Entladung sichtbar gemacht. Uni
OldenburgLichtenberg: Ich habe diese Tage über einige Versuche über die Elektrizität gemacht, mit dem Harzstaub, die mir jene Entdeckung immer wichtiger machen. Unter anderm habe ich mit einem einzigen Schlag eine Menge Concentrischer Circkel hervorgebracht […]. Es ist freilich gespielt, allein ein so schönes lehrreiches Spiel, daß ich mich dessen nie schämen werde.(FB) |
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| Abb. 04-01-09:
Erzeugung von
Reibungselektrizität als Quelle für physikalische Versuche,
rechts eine Batterie von Kondensatoren (Leydener Flaschen), im
Hintergrund eine historische Darstellung einer sehr großen
Elektrisiermaschine, Orangerie in Kassel hochspannung (FB) |
Herr Musschenbroek, der dieses Experiment mit einem besonders dünnwandigen Glasgefäß ausführte, berichtet in einem Brief an Herrn Réaumur, dem er bald nach dem Experiment schrieb, er hätte in den Armen, der Schulter und der Brust einen Schlag verspürt, so daß es ihm den Atem verschlagen und er sich vom Schock und dem Schrecken erst nach zwei Tagen erholt hätte. Er fügt hinzu, er würde sich nicht um das Königtum Frankreich einem zweiten derartigen Schlag aussetzen. /Simonyi, 2001/ S. 327 |
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| Abb. 04-01-10: Die größte Elektrisiermaschine des 18. Jhdts. (/Teichmann 1996/ S. 35) |
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| Abb. 04-01-11: Musschenbroek, Versuch zur Weiterleitung der Elektrizität in eine wassergefüllte Flasche. Anschließend hat Musschenbroek den in die Flasche hineingesteckten Metallstift mit der anderen Hand berührt, während er die Flasche mit der linken Hand von unten gehalten hat. Dazu das obige Zitat: "er hätte in den Armen, der Schulter und der Brust einen Schlag
verspürt, so daß es ihm den Atem verschlagen und er sich vom Schock und
dem Schrecken erst nach zwei Tagen erholt hätte." Das was das Schlüsselexperiment zur Erfindung der Leidener Flasche: Die Flasche war in der Lage, größere Mengen an Ladung zu speichern und hat als Kondensator für Hochspannung gewirkt. (/Teichmann 1996/ S. 26) |
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| Abb. 04-01-11a: Leydener Flaschen, Kondensatorbatterie, Technikmuseum in der Orangerie, Kassel (FB) |
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| Abb. 04-01-11b: Batterie aus parallel geschalteten Leidener Flaschen, v. Marum, 1795 Links am Rand ist ein Seilzug mit einer Hand zu sehen. Von dort läßt sich die Batterie schalten. (/Teichmann 1996/ S. 30, Annalen der Physik, Band 1 |
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| Abb. 04-01-11b: Leidener Flasche, Schott & Gen. Jena, 814-D, Kap. 4060 cm = 4,5 nF, Physik (FB) |
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| Abb. 04-01-12: Elektrisiermaschine, Uni Oldenburg (FB) |
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| Abb. 04-01-13: Ein Tuch liegt oben auf der drehbaren Flasflasche auf, Elektrisiermaschine, Uni Oldenburg (FB) |
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| Abb. 04-01-14:
Das besondere Erlebnis: Die weibliche Person, aufgeladen durch
Reibungselektrizität, kommt der männlichen sehr nahe.
Funkenüberschlag, um 1750. (Kupferstich im Dt. Museum) |
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| Abb. 04-01-15: Eine Person steht auf
einer isolierten Unterlage. Sie berührt die Elektrode einer
Reibungselektrisiermaschine. (FB) |
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| Abb. 04-01-16: Nach Aufladung stehen ihr die Haare zu Berge. (FB) |
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| Abb. 04-01-17: |
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| Abb. 04-01-18: |
/Simonyi, 2001/ Seite 326
Auch vor Franklin hatte - wegen der bei einer elektrischen Entladung zu beobachtendenden Lichterscheinung und des knallartigen Geräusches - schon die Annahme nahegelegen, daß Blitz und elektrische Entladung einander entsprechende Erscheinungen sein sollten; ein vollständiger Beweis dieser Annahme ist aber erst mit den Versuchen von Franklin gelungen. Er hat dazu einen Elektrizitätsleiter zwischen einem in großer Höhe schwebenden Drachen und einer Leidener Flasche ausgespannt und nachgewiesen, daß die atmosphärische Elektrizität ebenso in der Lage ist, die Leiderne Flasche aufzuladen, wie die Reigungselektrizität.
Franklin hat im weiteren beobachtet, daß man mit Hilfe einer Metallspitze auf einen Körper eine Ladung übertragen und sie ihm auch wieder entnehmen kann.
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| Abb. 04-01-20: Ausschnitt, Erstes Blitzableiterexperiment, durchgeführt von d´Alibard in Marly bei
Paris am 10.5.1752, Holzschnitt, um 1870 (/Teichmann 1996/ S. 31) |
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| Abb. 04-01-21: Influenz-Maschine nach Holtz, 1873 (FB) |
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| Abb. 04-01-22: Wimshurst Influenzmaschine mit Leidener Flasche (FB) |
Van-de-Graaf Generator, Bandgenerator
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Abb. 04-01-23: Bandgenerator upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c2/Van_de_graaf_generator.svg |
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| Abb. 04-01-24: Bandgenerator de.wikipedia.org/wiki/Van-de-Graaff-Generator#/media/File:Van_De_Graaff_gen_03.jpg |
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| Abb. 04-01-25: Bandgenerator upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b5/Van_De_Graaff_gen_05.jpg |
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| Abb. 04-01-26: Bandgenerator de.wikipedia.org/wiki/Van-de-Graaff-Generator#/media/File:Van_De_Graaff_gen_06.jpg |
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| Abb.
04-01-27: Bandgenerator, andere Bauart. Das Gummiband läuft in einem
durchsichtigen Kunststoffrohr. Der Antriebsmotor unten treibt die helle
Kunststoffwalze an. Innerhalb der Kugel wird das Gummiband über eine
Aluminiumwalze umgelenkt. Die erreichbare Spannung beträgt laut Hersteller 400 000 Volt. (FB) |
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| Abb.
04-01-28: Am oberen Ende läuft das Gummiband über eine Rolle aus
Aluminium. Seitlich über das Drahtgitter werden die Ladungen
(berührungslos) abgegriffen. Die große Kugel ist mit dem Blech leitend
verbunden. (FB) |
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| Abb.
04-01-29: Unterhalb der Kunststoffrolle mit dem Gummiband ist das
Drahtgitter angebracht. Es liegt auf Gehäusepotential. Auch hier gibt es
keine Berührung (Reibung) (FB) |
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| Abb. 04-01-30: Elektronen Affinität Bei der Reibungselektrizität werden selten reine Elemente verwendet, eher Verbindungen wie Glas, Kunststoff usw. aus wuest-wimmer.htm |
4.2 Kelvin-Generator
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| Abb. 04-02-21: Der Kelvin-Generator arbeitet mit zwei dünnen Wasserstrahlen. Wassertropfen übertragen Ladung. kelvin-generator.htm (FB) |
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| Abb. 04-02-22: Kelvin-Influenz-Maschine, Kelvin Generator http://en.wikipedia.org/wiki/File:KevinWaterDropper_wiki.jpeg |
4.3 Piezoelektrizität
Beim Anlegen einer mechanischen Spannung (Druck ausüben) entsteht eine elektrische Spannung.
Beim Anlegen einer elektrischen Spannung entsteht ein mechanischer Druck.
Ultraschallwandler, Feuerzeuge, Mikrofone, Sensoren
piezoelektrischer Effekt
weitere Begriffe:
Ferroelektrizität
"Ferroelektrika besitzen in der Regel eine hohe bis sehr hohe relative Permittivität im Bereich zwischen 100 und 100.000, weshalb sie als Material für Keramikkondensatoren mit hohen Volumenkapazitäten verwendet werden."Pyroelektrizität
de.wikipedia.org/wiki/Ferroelektrikum
"pyroelektrischer Effekt, (pyroelektrische Polarisation) ist die Eigenschaft einiger piezoelektrischer Kristalle, auf eine zeitliche Temperaturänderung ΔT mit Ladungstrennung zu reagieren." de.wikipedia.org/wiki/Pyroelektrizität
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| Abb. 04-03-01: Piezo-Element zwischen zwei Plexiglasstempeln (FB) |
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| Abb. 04-03-02: Piezoelement aus einem elektrischen Feuerzeug. Beim Draufschlagen entsteht ein Funken (FB) |
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Abb. 04-03-03: Piezo-Elemente aus Barium Titanat "Bariumtitanat gehört zur Gruppe der Elektrokeramiken. Bariumtitanat ist ein Ferroelektrikum und besitzt eine ausgeprägte Hystereseschleife. Wie alle Ferroelektrika besitzt es eine hohe Permittivität welche stark von der elektrischen Feldstärke abhängt." de.wikipedia.org/wiki/Bariumtitanat aus kuehlwasser-sieben.htm#sieben-vier |
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| Abb. 04-03-04: Bewegungsmelder, Pyroelektrischer Effekt (FB) |
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| Abb. 04-03-05: Pyroelektrischer Sensor in einem Bewegungsmelder, rechts daneben ist ein Photowiderstand (FB) |
4.4 Thermoelektrizität, Peltier-Effekt, Seebeck-Effekt
Peltier-Effekt: Gibt man Strom hinein, so bildet sich ein Temperaturgefälle zwischen beiden Elektroden.
Seebeck-Effekt: erzeugt man ein Temperaturgefälle, dann entsteht eine elektrische Spannung zwischen den Elektroden
Mucke, Annalen der Physik und Chemie 1841 128 314-314
Eine thermo-elektrische Beobachtung
" Neulich zeigte mir eine Fremder einen närrischen Versuch. Man bringe eine Stange Wismuth mit dem einen Drahtende eines Thermomultiplicators in Berührung (festhaltend), eine Stange Antimon auf gleiche Weise mit dem anderen Ende - ich habe sie bloß mit den Fingern festgehalten. Berührt oder stößt man mit dem Wismut auf das Antimon, so bewegt sich die Nadel, - es sey östlich; reibt man dagegen, so bewegt sie sich westlich. Die Sache ist seltsam und verdient Beobachtung; es felhte mir aber an Zeit, den rohen Versuch auszuarbeiten. -
[Derselbe Versuch ist mir von Hrn. Wartmann aus Lausanne, bei seiner neulichen Anwesenheit in Berlin, gezeigt worden, und ich habe mich seitdem mehrfach von seiner Richtigkeit überzeugt. Die Erklärung desselben dürfte indeß ziemlich einfach seyn. Wenn man respective das Antimon und das Wismuth mit den Fingern gegen die Enden des Galvanometers drückt, so sind die Stellen, wo die Finger ruhen, wärmer als die, worin man Antimon und Wismuth einander berühren läßt; reibt man dagegen die beiden Metalle aufeinander, so wird diese Berührungsstelle wärmer als diejeniegen, welche man mit den Fingern drückt. Der Temperaturunterschie wechselt also das Zeichen, und damit nothwendig der Strom auch seine Richtung. P.] " P = der Herausgeber Poggendorf?
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| Abb. 04-04-01: Das Peltier-Element hat zwei Anschlußdrähte. (FB) |
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| Abb.
04-04-02: Peltier-Element aufgeschnitten. Zwischen den Kupferbahnen
befindet sich jeweils ein Element. Durch Hintereinanderschaltung
mehrerer Elemente kann man Betriebsspannungen von über 10 Volt erreichen
und die Anordnung beispielsweise zum Kühlen verwenden. (FB) |
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| Abb.
04-04-03: Kupferplatte mit Peltierelement darunter. Im Betrieb sinkt
die Temperatur unter den Gefrierpunkt, in der Mitte wurde es mit einem
Finger erwärmt, man sieht den Fingerabdruck. (FB) |
Thermoelemente
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| Abb.
04-04-04: Thermoelement. Zwei unterschiedliche Metalle sind
zusammengelötet. Schlägt man mit dem Hammer auf die Lötperle, dann
erwärmt sie sich bei der Verformung. Die kurzzeitig höhere Temperatur
ist dann als Thermospannung gut zu messen. (FB) |
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| Abb.
04-04-05: Versuch zur Thermokraft. Zwischen den beiden Schenkeln des
U-förmigen Kupferdrahtes ist ein
anderes Material eingelötet. Erhitzt man den nach oben gebogenen
Schenkel mit einer Flamme und kühlt den nach unten gebogenen in kaltem
Wasser, dann fließt in der waagerechten Leiterschleife ein starker
Strom. Das Magnetfeld dieses Stroms reicht aus, um die beiden Hälften
der Klammer aus Eisen zusammenzuhalten und ein Gewicht zu tragen. (FB) |
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| Abb. 04-04-06: Eisenklammer in Arbeitsstellung. (FB) |
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Abb. 04-04-07: Thermospannungen, Seebeck-Koeffizient, die größte Spannung hat Selen mit 900 uV/Kaus wuest-wimmer.htm#thermospannung |
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| Abb. 04-04-08: Stromerzeugung mit Gasflamme über Thermospannung Leybold Katalog, nach 1900 Seite 597 c) Ladung mit Gülcher'scher Thermosäule. |
4.5 Galvanisches Element, Froschschenkel
Simonyi, Seite 333
Die Vorgeschichte dieser Erfingung geht bis auf das Jahr 1780 zurück. Luigi Galvani (1737-1798), Professor der Anatomie an der Universität zu Bologna, hatte von seinen Mitarbeitern erfahren, daß man beim Herauspräparieren eines Nerven aus einem Froschchenkel ein Zucken des Froschschenkls beobachten kann, wenn man mit einem Seziermesser den Nerven zu einem Zeitpunkt berührt, in dem ein anderer Mitarbeier eine der damals in jedem Labor anzutreffenden Reibungselektrisiermaschinen bedient und es dort zu einer Funkenentladung kommt. Galvani hat erst 1791 ausführlich darüber berichtet, wie er auf dieses Phänomen aufmerksam gemacht worden ist und welche verschiedenen Versuche er angestellt hat. In unserer heutigen Sicht müssen wir sagen, daß Galvanis Mitarbeiter, wenn sie tatsächlich eine Gleichzeitigkeit der Funkenentladung und des Zuckens des Froschschenkels beobachtet haben sollten, den Empfang einer von Funken ausgehenden elektromagnetischen Welle registrierten.
Galvani hat im Verlauf der Versuche dann gefunden, daß Froschschenkel, die mit Kupferhaken am eisernen Fenstergitter aufgehängt worden sind, auch dann zucken, wenn sie zufällig das Eisengitter berühren. Diese Tatsache hat Galvani davon überzeugt, daß nicht etwa das Gewitter bzw. die in ihm erzeugte atmosphärische Elektrizität für das Phänomen verantwortlich sind. So hat er schließlich umfangreiche Laboruntersuchungn ausgeführt und ist zu dem Schluß gelangt, daß dieses elektrische Phänomen seine Ursache im Froschschenkel selbst hat; er hat deshalb die Bezeichnung animalische Elektrizität eingeführt.
Simonyi, Seite 334,
Es ist (Volta) ihm schließlich mit Hilfe eines Elektroskops auch gelungen, unmittelbar nachzuweisen, daß zwei sich zunächst berührende Metalle nach dem Trennen eine Ladung tragen. Die wesentliche Entdeckung Voltas hat in der Verstärkung dieser Wirkung bestanden, indem er mehrere Zink- und Kupferplatten abwechselnd übereinander angeordnet und zwischen die Plattenpaare jeweils einen weiteren Stoff, z.B. feuchten Karton, gelegt hat, den Volta als Leiter zweiter Art bezeichnete.Allessandro Volta (1745-1827)
Johann Wilhelm Ritter (1776-1810) hat wichtige Experimente mit Voltaischen Säulen druchgeführt. faraday-literatur.htm#ritter
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| Abb. 04-05-01: Galvanis Experimente mit Froschschenkeln. 1793 Galvanis Beobachtung: Wenn ein Froschschenkel mit einem Kupferdraht an ein Eisengestell gehängt wird, dann kann es zu Muskelzuckungen in ihm führen, wenn das andere Ende des Schenkels das Eisen berührt. Im Hintergrund links steht eine Reibungselektrisiermaschine. (Teichmann, S. 42) |
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| Abb.
04-05-02: Zamboni-Säule, Trockenbatterie, kann mehrere Hundert Volt
liefern, allerdings keinen Strom. Sie wurde in der Anfangszeit der
Radioaktivitätsmessung zur Versorgung von Zählrohren verwendet. /Fricke
2011/ Diese Zelle ist mittlerweile unbrauchbar geworden. (FB) |
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| Abb.
04-05-03: Zamboni-Säulen bestehen aus Stapeln von metallisiertem
Papier. Die eine Seite des Papiers ist mit "Bronze" die andere mit
"Silber" beschichtet. Die Restfeuchte im Papier wirkt als elektrischer
Leiter. (FB) |
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| Abb. 04-05-04: Normal-Element, Physik-Sammlung (FB) |
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| Abb.
04-05-05: Elektrische Beleuchtung eines Marktplatzes mit Bogenlampe und
galvanischen Batterien, vor 1885, die Batterien befinden sich
unter dem Tisch mit der Säule. (Teichmann, S. 57) |
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| Abb. 04-05-06: Handelsübliche Alkali Monozelle mit einem Zinkstab in der Mitte, 1,5 Volt (FB) |
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| Abb. 04-05-07: Unterbrechungsfreie Stromversorgung mit Batterien (FB) |
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Abb. 04-05-08: Elektrochemische Spannungsreihe und Ionisierungsenergieaus wuest-wimmer.htm |
4.6 Elektrizität durch Licht oder Hitze
4.6.1 Photozelle
Äußerer Photoeffekt: Zwischen den Elektroden befindet sich Vakuum oder ein Gas. (Technik der Anfangszeit)
photoeffekt.htm
photozelle.htm
Austrittsarbeit wuest-wimmer.htm#austrittsarbeit
Innerer Photoeffekt: die Ladungsträger entstehen in einer Halbleiterschicht.
(Selen-Zelle ab Ende 19. Jahrhundert, großtechnisch ab Ende 20. Jahrhundert)
halbleiter.htm
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| Abb. 04-06-01: Photozelle für den Unterricht, Praktikum Alkalischicht auf der hinteren Glasseite, davor eine Ringelektrode zum Auffangen des Photostromes (FB) |
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Abb. 04-06-02: Alkali-Photozelle aus einem Kinoprojektor zum Auslesen der Tonspur.aus photozelle.htm |
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Abb. 04-06-03: Austrittsarbeit und Ionisierungsenergieaus wuest-wimmer.htm |
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| Abb.
04-06-04: Äußerer Photoeffekt, über eine Kette von Vervielfacher
Elektroden werden die aus der Photokathode einzeln austretenden
Ladungsträger vervielfacht. Photomultiplier, R446, Hamamatsu, Betriebsspannung für die Kette der Vervielfacher Elektroden 1000 Volt, Dunkelstrom 3 nA, optischer Bereich 185 nm bis 870 nm, UV-Glas (FB) Datenblatt: http://sales.hamamatsu.com/de/produkte/electron-tube-division/detectors/photomultiplier-tubes-pmts/part-r446.php |
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| Abb. 04-06-04a: Selen-Zelle, mit Schieber aus Blech zum Abdecken, Paul Schultze, vorm. Saeger & Co, Phys. mech. Werkstätten Köthen-Anh. https://de.wikipedia.org/wiki/Selenzelle (FB) |
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| Abb. 04-06-04b: Selen-Zelle in einem Belichtungsmesser für Fotografie. (FB) |
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| Abb. 04-06-05: Photovoltaik aus der Serienproduktion, Silizium (FB) |
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| Abb. 04-06-06: polykristallines Silizium (FB) |
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Abb. 04-06-07: Photovoltaik-Platte aus photovoltaik.htm |
4.6.2 Glühemission
"Die Elektronen überwinden aufgrund ihrer thermischen Energie die charakteristische Austrittsarbeit des Metalls bzw. der Oxidschicht. Werden die freien Elektronen nicht durch ein elektrisches Feld abgesaugt, bilden sie um die Glühkathode im Vakuum eine Raumladungswolke aus und laden in der Nähe befindliche Elektroden gegenüber der „Kathode“ negativ auf. Dieser Effekt kann zur direkten Umwandlung thermischer in elektrische Energie genutzt werden. Der Wirkungsgrad dieses thermionischen Generators ist allerdings gering.https://de.wikipedia.org/wiki/Edison-Richardson-Effekt
Thomas Edison hat diese Erscheinung im Jahr 1880 bei Experimenten mit Glühlampen wiederentdeckt und meldete 1883 eine darauf beruhende Anwendung zum Patent an.
Julius Elster und Hans Friedrich Geitel untersuchten zwischen 1882 und 1889 systematisch die von einem heißen Draht abgegebene Ladung.
Die Sättigungsstromdichte wurde 1901 von Owen Willans Richardson rechnerisch in der Richardson-Gleichung erfasst, wofür er 1928 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde."
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| Abb.
04-06-08: Glühemission, die aus dem heißen Glühdraht austretenden
negativen Ladungsträger lassen sich mit einer positiven Spannung
absaugen. https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/48/Edison-richardson-effekt.gif |
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| Abb. 04-06-09: Der Glühstrumpf einer Gaslaterne leuchtet. Er soll negative Ladungen erzeugen. Möglicherweise entstehen bei diesem Prozeß N-Strahlen. aus n-strahlung.htm |
4.7 Induktion,
Faraday, M., Annalen der Physik und Chemie (1835) 110 292-300
Seite 292
Ueber den magneto-elektrischen Funken und Schlag, und über eine besondere Bedingung zur elektro-magnetischen Vertheilung.
"Dies gelang mir leicht auf folgende Weise. Einen etwa 20 fuß langen, mit Seide besponnenen Kupferdraht wickelt ich auf ein kurzes Stück des Endes einer Pappröhre, durch welche ein cylindrischer zolldicker Magnetstab frei hindurchgeschoben werden konnte. An dem einen Ende des Schraubendrahtes war eine kleine amalgamirte Kupferplatte befestigt, und das andere Ende war so geboben, daß es diese Platte senkrecht in der Mitte berührte, und zwar so, daß, wenn der Magnetstab durch den Cylinder gesteckt wurde, er gegen den Draht stoßen und das Ende desselben von der Platte abheben mußte. (Fig. 12, Taf. III). Wenn diese Handlung mit Schnelligkeit ausgeführt wurde, erschien dann an der Trennungsstelle ein elektrischer Funke."
Ampere, Annalen der Physik und Chemie (1833) 103 398-400
Ueber einen von Hrn. Hyppolyte Pixii mit einem Apparat von seiner Erfindung angestellten Versuch, die Erzeugung elektrischer Ströme durch Rotation eines Magneten betreffend.
"Durch Herrn Hachette kennt die Akademie die Versuche, welche mit einem von Hrn. Pixii erbauten Apparat angestellt wird, um elektrische Ströme zu erzeugen durch Umdrehung eines Hufeisenmagneten in der Nähe eines Hufeisens von weichem Eisen, um welches ein mit Seide besponnener Leitdraht spiralförmig gewunden ist. Nachdem man mit einem Magnet, der 30 Pfund trug, und einem Draht, der 500 Windungen machte, starke elektrische Funken erhalten hatte, hat man mittelst eines anderen Magneten, der mehr als 100 Kilogramm trug, und mit einem 1000 Meter langen Draht, der 4000 Windungen machte, bekommen:
1) starke elektrische Funken,
2) ziemlich starke elektrische Schläge,
3) wenn man die Hände in gesäuertes Wasser tauchte, in das die beiden Enden des Galvanometer-Drahts hinabgingen, Erstarrung und unwillkührliche Bewegungen in den Fingern,
4) ein starkes Auseinanderweichen der am Volta'schen Condensator befestigten Goldblättchen, und
5) eine ziemlich rasche Zersetzung des Wassers, das zur Erhöhung seiner Leitungsfähigkeit mit etwas Schwefelsäure versetzt war."
The Hooper-Monstein Paradox monstein.htm
4.7.1 Leiter im wechselnden Magnetfeld
4.7.1a Relativ zueinander bewegter Leiter und Magnetfeld
reichenbach-berlin-professoren.htm#dove
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| Abb. 04-07-01a-01: Der Magnet steht fest, der Leiter wird bewegt. Ein elektrischer Leiter (Kupferstab) kann pendelnde Bewegungen zwischen den Polen eines Permanentmagneten ausführen. Die größte Feldstärke herrscht in der Ruhelage, außerhalb davon wird es schwächer, sowohl nach vorne als auch nach hinten. Pendelt nun der Leiter, kommt er periodisch in Bereiche mit schwächerem und stärkerem Magnetfeld. Es gibt zwei Effekte, die bei der Bewegung eine Spannung an den Enden des Stabes erzeugen. 1. Wenn sich das Magnetfeld in der Leiterschleife (Kupferstab, Aufhängungsbänder und Meßgerät) zeitlich ändert, wird eine Spannung Uind induziert (Induktionsgesetz). Uind = dΦ/dt dΦ/dt zeitliche Ableitung vom magnetischen Fluß Φ 2. Zusätzlich wirkt noch die Lorenzkraft auf die Ladungsträger im Stab. felder.htm#lorenzkraft Sie wirkt senkrecht zum Magnetfeld und zur Bewegung des Stabes und erzeugt eine Kraft in Richtung des Stabes. Daraus ergibt sich auch eine elektrische Spannung. (FB) |
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| Abb.
04-07-01a-02: Es entsteht eine Wechselspannung mit abnehmender
Amplitude, weil das Pendel gedämpft schwingt. Gemessene Spannung als
Funktion der Zeit in Sekunden. Anfangsspannung: 0,9 mV Sind hier die zeitliche Änderung, die Lorenzkraft oder sind beide die Ursache? (FB) |
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| Abb.
04-07-01a-03: Ein 15 mm dickes Holzbrett mit einer Bohrung liegt auf
einer hölzernen Unterlage. Um die Bohrung herum ist eine Leiterschleife
aufgeklebt. Darinnen steht ein 30 mm langer Neodym-Magnet. Etwa die
Hälfte des Magneten (15 mm) ist oberhalb der Schleife. Im Experiment wird der Magnet von einem erhöhten Punkt über der Plattenmitte aus in die Bohrung hineingestellt und nach einigen Sekunden wieder herausgezogen und zwar jeweils mit Nordpol bzw. Südpol am unteren Ende. Der Stabmagnet wird dabei entlang seiner Längsachse bewegt. Der im Bild vordere Teil der Schleife ist an den Pluspol des Voltmeters angeschlossen. Somit wird ein positive Spannung gemessen, wenn negative Ladungsträger in der Schleife mit dem Uhrzeigersinn (CW) fließen und eine negative Spannung bei Stromfluß CCW. (FB) |
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| Abb. 04-07-01a-04: Zeitlicher Verlauf der gemessenen Spannung bei den vier Zuständen Polung-1 (Süd nach unten): hinein/ heraus und Polung-2 (Nord nach unten) hinein/heraus. Bei jeder Bewegung wird eine Spannung induziert Uind = dΦ/dt, deren Vorzeichen von der Polung und von der Bewegungsrichtung abhängt. Integriert man die Spannung über die Zeit, so bleibt der Wert des Integrals zwischen den Bewegungen "hinein" und "heraus" jeweils auf einem veränderten aber konstanten Wert (rote Kurve, Plateau) und kehrt anschließend auf den ursprünglichen Wert wieder zurück. (Ein geringfügig verschobener Nullpunkt des Voltmeters sorgt für einen leichten Anstieg.) Induktionsgesetz:
Uind = dΦ/dt
∫Uind dt= Φ in einem Stromkreis gilt: U = R I R∫I dt = Φ und für Strom I und Ladung q gilt: ∫I dt = q R q = Φ
q ~ Φ Induktionsgesetz in anderer Form: Die bewegte Ladung q ist proportional zu Änderung des magnetischen Flusses Φ. Mit anderen Worten ausgedrückt: Bringt man den Magneten in die Leiterschleife, dann bewirkt der zusätzliche magnetische Fluß eine "Verschiebung" von Ladungen im Leiter in der einen Richtung. Beim Herausnehmen erfolgt die Bewegung der Ladungen in umgekehrter Richtung. Bei einer ideal kreisförmig ausgelegten Schleife um die Achse des Magneten herum wäre dies eine Kreisbewegung. Das Magnetfeld sorgt somit für ein wenig Rotation der Ladungen um diese Achse. Steckt dieses Verhalten in einer der Maxwellschen Gleichung B = rot (A') drin? B magnetische Flußdichte, A' magnetisches Vektorpotential Die magnetische Flussdichte B ist als Flächendichte über folgende Beziehung mit dem magnetischen Fluss Φ und der Fläche A verknüpft:  somit könnte die bewegte Ladung q mit der Rotation des Vektorpotentials (A') verbunden sein. q ~ Φ B = rot (A') Nach der obigen Definition der Stromrichtung gehören zu den vier Zuständen die Fließrichtungen für negative Ladungen Nord-hinein: CW, Nord-heraus: CCW Süd-hinein : CCW, Süd-heraus : CW |
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| Abb.
04-07-01a-05: Stabmagnet und Leiterschleife. Die Achse des Magneten
steht senkrecht zur Fläche der Schleife. Am Anfang des Versuchs befindet
sich der Magnet etwa sechs Zentimeter rechts von der Schleife. Dann
wird er bis zur Mitte (Foto) bewegt und nach einer kurzen Pause entweder
wieder zurück zur Anfangsposition oder weiter nach links durch die
Schleife hindurch. Der Nordpol zeigt zur Leiterschleife. Der weiße Draht (untere Hälfte der Schleife) geht oben rechts zum Pluspol des Voltmeters, der graue Draht (obere Hälfte der Schleife) zum Minuspol. Wenn negative Ladungen sich in der Schleife CW (von rechts gesehen) bewegen, dann wird eine positive Spannung angezeigt. Unten sind beide Drähte miteinander verbunden. Creation Date (iptc): 2016-06-16T11:44:14 (Sommerzeit) (FB) |
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| Abb. 04-07-01a-06: Der Stabmagnet wird axial durch Leiterschleife bewegt. Der Nordpol zeigt zur Schleife. Es gibt keinen Unterschied zwischen von rechts bis zur Mitte der Schleife und wieder zurück und von rechts bis zur Mitte der Schleife und dann weiter nach links. Immer dann, wenn der Magnet innerhalb der Schleife ist, hat das Integral einen großen positiven Wert. 16.6.2016 12:05 (FB) |
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| Abb. 04-07-01a-07: Der Stabmagnet wird axial durch die Leiterschleife bewegt. Der Südpol zeigt zur Schleife. Immer dann, wenn der Magnet innerhalb der Schleife ist, hat das Integral einen großen negativen Wert. Nach der obigen Bezeichnung würden sich jetzt negative Ladungen in der Schleife in der Richtung CCW bewegen. 16.6.2016 11:42 (FB) |
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| Abb. 04-07-01a-07a: Nordpol voraus, Magnet senkrecht zur Schleifenachse, außen am Rand der Schleife. Creation Date (iptc): 2016-06-16T16:30:46 (Sommerzeit) (FB) |
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| Abb. 04-07-01a-08: Nordpol voraus, Magnet senkrecht zur Schleifenachse. Bewegung (ganzer Weg) von rechts bis zur Mitte, Pause und weiter nach links. 16.6.2016 16:28 (FB) |
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| Abb. 04-07-01a-08a: Magnet parallel zu Schleifenachse. Creation Date (iptc): 2016-06-16T16:56:53 Sommerzeit(FB) |
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| Abb. 04-07-01a-09: Bewegung (ganzer Weg) von rechts bis Mitte, Pause und weiter nach links. Nordpol voraus 16.6.2016 16:59 |
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| Abb. 04-07-01a-10: Magnetachse vertikal Die Leiterschleife ist um eine CD-Hülle geklebt. Darüber im Holzbrett steckt bündig ein Neodym-Magnet in einer Bohrung. Das Brett wird in Längsrichtung mit der Hand über den Leiter hin und her geschoben. Der Nordpol des Magneten ist oben, also zeigt der Südpol zum Draht. Das rechte Kabel führt zum Pluspol am Voltmeter. Der Magnet wird bezüglich seiner Längsachse seitlich verschoben. (FB) |
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| Abb. 04-07-01a-11: zweimal ganzer Weg (Magnetachse vertikal): Start bei 10 cm vor dem Draht, Ende 10 cm dahinter und nach kurzer Pause wieder zurück. schwarz: Spannung in mV, lila: Integral der Spannung über die Zeit. (FB) |
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| Abb. 04-07-01a-12: dreimal halber Weg (Magnetachse vertikal): Start bei 10 cm vorher, Ende bei etwa 1 mm vor dem Draht und nach kurzer Pause wieder zurück. schwarz: Spannung in mV, lila: Integral der Spannung über die Zeit. Auswertung: Wenn der Magnet mit seinem Südpol in der Nähe des Leiters (kurz davor) ist, zeigen die sechs lila Peaks, daß das Integral sowohl beim Annähern als auch beim Entfernen einen positiven Wert annimmt. Das bedeutet, daß bei der Anordnung wie in #Abb. 04-07-01a-??????0 in allen Fällen positive Ladungen nach rechts (zum Pluspol) und negative Ladungen nach links bewegt werden. Bei den Experimenten in #Abb. 04-07-01-0?????8 (mit dem kompletten Weg) dreht sich das Vorzeichen des Integrals um, sobald sich der Magnet hinter dem Draht befindet. Wenn eine "Rotation" um die Magnetachse beim Südpol für die Verschiebung der Ladungen im Leiter verantwortlich wäre, dann würde sie eine Verschiebung von positiven Ladungen nach rechts bewirken, solange der Magnet vor dem Leiter ist und eine nach links, wenn sich der Magnet hinter dem Leiter befindet. Genau so wurde es beobachtet. (FB) |
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| Abb. 04-07-01a-13: mechanisches Analogon: Die Rotation der Scheibe sorgt für eine tangentiale Bewegung der glühenden Teilchen. Die Rotorachse steht senkrecht zum Metallstab. (Die Scheibe wäre der Magnet, der Stab der Leiter) Würde man den Stab an der gegenüberliegenden Seite der Scheibe anhalten, flögen die Funken nach unten. (FB) |
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| Abb. 04-07-01a-14: Die Magnetachse ist horizontal. Entlang dieser Achse wird der Magnet über den grauen Leiter geschoben. Der Südpol ist hier bei der Bewegung voraus. (FB) |
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| Abb. 04-07-01a-15: viermal ganzer Weg (Magnetachse horizontal): Nordpol voraus. Start bei 10 cm vor dem Draht, dann bis halb über den Draht und kurze Pause, danach weiter bis zum Ende bei etwa 10 cm hinter dem Draht und nach kurzer Pause in gleichen Schritten wieder zurück. schwarz: Spannung in mV, lila: Integral der Spannung über die Zeit. (FB) |
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| Abb. 04-07-01a-16: viermal halber Weg (Magnetachse horizontal): Nordpol voraus. Start bei 10 cm vor dem Draht, dann bis halb über den Draht und kurze Pause, anschließend wieder zur Ausgangsposition zurück. schwarz: Spannung in mV, lila: Integral der Spannung über die Zeit. (FB) Tauscht man die Pole des Magneten, ändern sich die Vorzeichen von Spannung und Integral. Auswertung: Bei horizontaler Magnetachse gibt es entsprechendes Verhalten wie bei den Versuchen mit vertikaler Magnetachse. (FB) |
Wiederholung 17.6.2016
Die Leiterschleife besteht aus isoliertem zweiadrigem Klingeldraht. Der rote Draht bildet die linke Hälfte der Schleife, der weiße die rechte.
Rot ist an den Pluspol und weiß an den Minuspol angeschlossen.
Der Magnet ist am Nordpol rot markiert.
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| Abb. 04-07-01a-17: Holzbrett mit Leiterschleife und Verschiebeeinrichtung mit Magnet. Links ist der rote Draht zu sehen. (FB) |
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| Abb. 04-07-01a-18: Leiterschleife, roter und weißer Draht in je einer Hälft der Schleife. Auf dem Holz steht der rot markierte Neodym-Magnet. (FB) |
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| Abb. 04-07-01a-20: An der Verschiebeeinrichtung aus Holz ist der Magnet befestigt. Die Magnetachse steht senkrecht zur Achse der Leiterschleife, der Nordpol ist oben. (FB) |
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| Abb. 04-07-01a-21: 16.6.2016, ähnlicher Aufbau, "links" entspricht hinten. Die Magnetachse steht senkrecht zur Achse der Leiterschleife. Der Magnet wird von außen kommend bis genau über den Leiter geschoben und nach einer kurzen Pause weiter bis zur anderen Seite, anschließend nach einer Pause wieder zurück zur Ausgangsposition. In dem Bereich (Plateau) zwischen beiden Bewegungen hat das Integral einen positiven Wert, etwa 0,002 mVs.. (FB) |
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| Abb. 04-07-01a-22: Die Magnetachse steht senkrecht zur Achse der Leiterschleife. Der Magnet wird mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten jeweils von vorne nach hinten und wieder zurück verschoben. links: langsam, rechts: schnell. Bei allen drei Bewegungen beträgt ist die Höhe des Plateaus gleich groß, etwa 0,005 mVs (FB) |
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| Abb. 04-07-01a-23: Die Magnetachse steht senkrecht zur Achse der Leiterschleife. Magnet umgedreht. Höhe des Plateaus -0.005 mVs, bei langsamer und schneller Bewegung. (FB) |
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| Abb. 04-07-01a-24: Die Magnetachse steht senkrecht zur Achse der Leiterschleife. Der Magnet wurde mit der Hand in einer Höhe von etwa 0,5 m über die Leiterschleife gehoben, einmal von hinten nach vorne und dann wieder zurück. Die Höhe des Plateaus ist ebenfalls etwa -0.005 mVs. (FB) |
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| Abb. 04-07-01a-25: Die Magnetachse steht senkrecht zur Achse der Leiterschleife. Bewegung von vorne bis zur Mitte, Pause und wieder zurück und Wiederholung, Höhe des Plateaus: 0,005 mVs (FB) |
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| Abb. 04-07-01a-26: Verschiebeeinrichtung mit Magent. Die Magnetachse steht parallel zur Achse der Leiterschleife. Der Nordpol ist vorne. (FB) |
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| Abb. 04-07-01a-27: Die Magnetachse steht parallel zur Achse der Leiterschleife. Bewegung von vorne bis zur Mitte, Pause und wieder zurück (dreimal). Das Plateau hat einen Wert von 0.024 mVs, etwa viermal größer als bei der anderen Ausrichtung des Magneten. (FB) |
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| Abb. 04-07-01a-28: Die Magnetachse steht parallel zur Achse der Leiterschleife. Bewegung (halber Weg) von vorne bis zur Mitte, Pause und wieder zurück (zweimal). links: langsame Bewegung, rechts: schnelle. Höhe des Plateaus: 0,024 mVs (FB) |
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| Abb. 04-07-01a-29: Die Magnetachse steht parallel zur Achse der Leiterschleife. Bewegung (ganzer Weg) von vorne bis zur Mitte, Pause, weiter nach hinten, Pause und wieder zurück. (viermal) (FB) |
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| Abb. 04-07-01a-30:Die Magnetachse steht parallel zur Achse der Leiterschleife. Bewegung (ganzer Weg) von vorne bis nach hinten, Pause und wieder zurück (jeweils zweimal). (FB) |
4.7.01b Anwendung
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Abb. 04-07-01b-01: Der Magnet steht fest, die Spulen werden bewegt.aus reichenbach-berlin-professoren.htm#dove |
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Abb. 04-07-01b-02: Wechselstromgenerator aus dem 19. Jahrhundert, gebaut
u.a. für medizinische Zwecke. Der Magnet steht fest, die Spulen werden
bewegt.aus reichenbach-berlin-professoren.htm#dove(FB) |
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| Abb. 04-07-01b-03: Fahrraddynamo, mehrpoliger Permanentmagnet und Kupferspule mit Eisenblechen. Die Spule steht fest, der Magnet wird bewegt. (FB) |
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| Abb. 04-07-01b-04: Der Magnet hat acht Pole am äußeren Umfang und auch an der Stirnfläche. Am Umfang befinden sich die Eisenbleche der Spule. (FB) |
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| Abb. 04-07-01b-05: Der Dynamo in der zusammengebauten Form an einem Akkuschrauber. (FB) |
4.7.1c Leiter und Elektromagnet ortsfest, Magnetfeld zeitlich veränderlich
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| Abb. 04-07-01c-01: Transformator. Zwei Kupferspulen sind konzentrisch angeordnet. Fließt in der einen Spule (Primärspule) ein Gleichstrom, entsteht ein Magnetfeld, das auch in der anderen (Sekundärspule) wirkt, aber keine Spannung an deren Klemmen erzeugt. Ändert man den Primärstrom, wird in der Sekundärspule eine Spannung erzeugt, die von dessen Änderungsgeschwindigkeit abhängt. Je schneller die Änderung umso größer ist die "induzierte" Spannung. Liegt an der Primärspule eine Wechselspannung mit z.B. mit 50 Hz an, entsteht in der Sekundärspule eine Spannung mit gleicher Frequenz. Das Verhältnis von Eingangs- und Ausgangsspannung dieses Transformators ergibt sich aus dem Verhältnis der Windungszahlen beider Spulen. (FB) |
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| Abb. 04-07-01c-02: Experimentier-Transformator mit Eisenkern. Der Kern läßt sich zum Wechseln der Spulen öffnen. (FB) |
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| Abb. 04-07-01c-03: Sekundärspulen mit wenigen Windungen: zum Punktschweißen (Mitte) und zum Schmelzen von Metall (unten). (FB) |
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| Abb. 04-07-01c-04: Sekundärwicklung mit sehr vielen Windungen zur Erzeugung von Hochspannung (FB) |
Magnetischer Strommesser
Rogowskispule
https://de.wikipedia.org/wiki/Rogowskispule
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| Abb.
04-07-01c-14a: Magnetischer Strommesser, die Anregung erfolgt über
das schwarze Kabel in der Mitte. Im Kabel sind sieben Adern
hintereinander geschaltet. Technische Anwendung für großen Wechselstrom (FB) |
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| Abb. 04-07-01c-14b: Ein Hallsonde mißt das Magnetfeld, das durch den Anregestrom entsteht. Der Anregestrom wird per Hand langsam hoch und wieder herunter geregelt(FB) |
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| Abb. 04-07-01c-14c: rot: Strom für die Anregung (0,2 A) und lila: zeitliche Ableitung blau: zugehöriges Magnetfeld (2 mT), schwarz: in der Spule induzierte Spannung (1,7 mV) (FB) |
4.7.2 Leiter im Magnetfeld, Faraday-Scheibe
Bei einem Dynamo (Generator, siehe Abbildung Dynamo) wird der Leiter in das Magnetfeld hinein und wieder hinaus bewegt.
Das Feld im Leiter ändert sich periodisch mit der Zeit. Dadurch wird eine Spannung induziert.
Was ändert sich, wenn der Leiter kein gerader Draht, sondern eine rotierende Scheibe ist?
Bei der Faraday-Scheibe wird die Spannung zwischen der Mittelachse und dem Rand der Scheibe abgegriffen.
Die Feldlinien des U-Magneten verlaufen in der Mitte der Polschuhe parallel zur Achse der Scheibe.
Es wird also immer nur in einem streifenförmigen Element der Scheibe eine Spannung induziert.
Das Element erfährt beim Annähern an den Magneten eine Zunahme des Feldes und beim Wiederverlassen eine Abnahme.
"Historischer Unipolargenerator, so genannte Faradaysche Scheibe"
Michael Faraday (1791-1867)
M. Faraday, Experimental Researches on Electricity, Twenty-Eighth Series, Seite 50 ff
Phil. Trans. R. Soc. Lond. (1852) 142, 25-56,
 |
Abb. 04-07-02-00: Aus Faradays 28. Serie "Experimentelle Untersuchungen zur Elektrizität" "3159, As an experimentalist, I feel bound to let experiment guide me into any train of thought which it may justify; being satisfied that experiment, like analysis, must lead to strict truth if rightly interpreted; and believing also, that it is in its nature far more suggestive of new trains of thought and new conditions of natural power.M. Faraday, Experimental Researches on Electricity, Twenty-Eighth Series, |
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| Abb. 04-07-02-01: Barlow-Rad, realisiert von Peter Barlow 1822, Eisenmagnet (6529) oder Elektromagnet (6530), in eine Wanne mit flüssigem Quecksilber tauchen die Zähne des Rades ein und kontaktieren es. Damit kann ein Strom von der Welle bis zum Umfang des Rades fließen. Schickt man einen Strom in diese Anordnung, dreht sich das Rad. Dreht man das Rad, kommt entsteht eine Spannung. (Leybold-Katalog nach 1900) |
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| Abb.
04-07-02-02: Faraday-Scheibe, eine Kupferscheibe wird zwischen den
Polen eines Permanentmagneten gedreht. Zwischen der Achse und dem Rand
läßt sich eine Spannung messen. (FB) |
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| Abb. 04-07-02-03: Kupferscheibe und Permanentmagnet, zur Verstärkung sind Neodymplatten an den Polschuhen angebracht. (FB) |
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| Abb. 04-07-02-04: Je nach Drehrichtung entsteht beim Kurbeln eine Spannung von etwa 0,7 mV, Zeitachse in Sekunden (FB) |
4.7.3 Leiter im Magnetfeld, Faraday-Paradoxon
https://de.wikipedia.org/wiki/Faradaysches_Paradoxon
Michael Faraday (1791-1867) kapitel-04-07-02
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| Abb. 04-07-03-01: Scheibenförmiger Ringmagnet, er ist in Richtung seiner Achse magnetisiert. rot: Nordpol, grün Südpol (FB) |
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| Abb. 04-07-03-02: Was passiert, wenn der Magnet um seine Achse rotiert? Experimente dazu in kuehlwasser-sechszehn.htm (FB) |
Nun wird der U-förmige Magnet bei der Faraday-Scheibe (s.o) durch einen scheibenförmigen Permanentmagneten ersetzt.
Dessen Magnetisierung ist wieder parallel zur Scheibenachse ausgerichtet.
Zwischen dem Rand und der Mitte der Leiterscheibe wird eine Spannung beobachtet, wenn man die Scheibe dreht.
Das entsprechende Leiterstück zwischen den Meßkontakten bewegt sich senkrecht zu den "Magnetfeldlinien".
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| Abb. 04-07-03-03: https://de.wikipedia.org/wiki/Elektromagnetische_Induktion |
Was passiert, wenn man den Magneten gleichsinnig mit der Scheibe mitdreht?
Dann sollten sich die "Magnetfeldlinien mitdrehen" und daher keine Spannung induziert werden?
Das Experiment zeigt aber etwas anderes: Paradox.
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| Abb. 04-07-03-04: Zwei getrennte Wellen (1) und (2) mit jeweils einer Handkurbel: rechte Seite (2): Welle mit Messingscheibe, linke Seite (1): Welle mit Permanentmagnet. Es gibt drei Schleifkontakte aus Kohlebürsten (A,B, C). zwei jeweils gegen die Wellen und der dritte gegen den Rand der Messingscheibe. Ein vierter Kontakt ist ein Bronzeblech, das den Magneten umschließt und seitlich gegen die Messingscheibe drückt. Dieses Blech sorgt auch für die mechanische Kopplung beider Achsen. Gemessen wurde die Spannung zwischen den Kontakten B und C. Entwurf nach Prof. Dr. Reiner Labusch (1935-2016), Direktor des Instituts für Angewandte Physik der TU-Clausthal (FB) |
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| Abb. 04-07-03-05: Aufzeichnung mit Meßwerterfassung, mV-Eingang (FB) |
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| Abb. 04-07-03-06: Die Anschlüsse C,B und A der drei Kohlekontakte, oben das Bronzeblech (FB) |
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| Abb.
04-07-03-07: Je nach Drehrichtung entsteht beim Kurbeln mit der Hand
eine maximale Spannung von plus oder minus 0,3 Volt an den Kontakten BC. Dreht man nur die Messingscheibe (Kurbel 2) und hält den Magneten (Kurbel 1) fest, entsteht diese Spannung. Dreht man beide, d.h. hält die Welle mit dem Magneten nicht fest und nutzt die Kopplung über die Bronzefelder, dann entsteht ebenfalls diese Spannung. Wird nur der Magnet gedreht, ist die Spannung Null. Wenn Messingscheibe und Permanentmagnet sich also gleichsinnig und gleichschnell drehen, entsteht eine Spannung. Das ist PARADOX. Für einen unvoreingenommenen Betrachter könnte es so aussehen, als wenn sich das Magnetfeld trotz der Rotation des Magneten nicht mitdreht. (FB) |
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| Abb. 04-07-03-08: Gegeneinander und gleichsinnig gedreht. Beide Drehrichtungen. Selbst wenn man beide Kurbeln gegeneinander dreht, ändert sich an der Höhe der Spannung nichts. Also scheint sich das Magnetfeld so zu verhalten, als wenn es ortsfest wäre- auch wenn der Magnet rotiert. Beim Gegeneinanderdrehen ist die Kurbelbewegung weniger gleichmäßig, daher sind die Kurven etwas mehr verrauscht.(FB) |
 |
| Abb.
04-07-03-09: Eine leitfähige Scheibe wird in einem homogenen
Magnetfeld mit der Winkelgeschwindigkeit ω gedreht. Zwischen der Mitte
der Scheibe und dem Rand läßt sich über eine Bürste eine Spannung
abgreifen. Die Ladungsträger im Metall bewegen sich bezüglich des feststehenden Magnetfeldes. Daher wird im Metall eine Spannung induziert. https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/07/Solid_Faraday_disc.PNG |
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| Abb. 04-07-03-10: Zwei flache Scheibenmagnete mit 15 mm Bohrung .... (FB) |
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| Abb.
04-07-03-11: . . . werden auf einen Messingträger gebracht. Die
Scheiben ziehen sich an und bleiben fest mit der Messingscheibe
verbunden (FB) |
 |
| Abb.
04-07-03-12: Ein Spitzenkontakt an der Welle und ein Kupferdraht am
Umfang greifen die Spannung ab. Der Messingträger wird von einem
Akkuschrauber gedreht. Messingscheibe und beide Magnete sind starr gekoppelt, sie drehen gleichsinnig. Das Vorzeichen der induzierten Spannung hängt von der Drehrichtung ab. (FB) |
 |
| Abb.
04-07-03-13: Das Ergebnis: gemessene Spannung bei Links- und Rechtslauf
für die Getriebestufen II und I (schnelle Drehzahl II : 1130
U/min). Das Vorzeichen der Spannung hängt von der Drehrichtung ab. Bei geringerer Drehzahl ist die Spannung entsprechend kleiner. Die x-Achse gibt die Zeit in Sekunden an. (FB) |
 |
| Abb.
04-07-03-14: Der Akkuschrauber läuft mit vollem Akku etwas schneller,
auf dem Messingträger sind einer bzw. zwei Ringmagnete befestigt,
Spannungsunterschied etwa 1:2 Magnetische Flußdichte bei einer Scheibe 30 mT, zwischen zwei Scheiben 60 mT (FB) |
 |
| Abb. 04-07-03-15: Es ist nur ein Magnet montiert. Der Abgriff erfolgt seitlich in unterschiedlicher Entfernung zur Achse. (FB) |
 |
| Abb.
04-07-03-16: Bei unterschiedlichem Abstand des Abgriffs zur Mittelachse
ändert sich die Spannung mit dem Radius (sollte quadratisch sein!).
(FB) |
Die erzeugte Spannung läßt sich berechnen:
Winkelgeschwindigkeit ω, Magnetische Flußdichte B, Radius R (außen/innen)
Ra= 45/2 mm Ri= 15/2 mm
B= 60 mT, R = 0.022 m , ω = 1130/60 * 2 * pi = 118 /s Ra = 22,5 mm Ri = 7,5 mm
(Ra² - Ri²)= 22,5² mm² -7.5² mm² = 450 mm² = 450 E-6 m²
U = 1/2 * 118 /s * 0.06 T * 450 E-6 m² = 0.00159 T m²/s = 1,6 mV (1 T = 1 Vs/m²)
https://de.wikipedia.org/wiki/Unipolarinduktion
Fazit:
Mit dieser Anordnung läßt sich ein Gleichstromgenerator ohne Kommutator bauen.
Die Ausgangsspannung war in diesem Fall klein (1,6 mV).
Vergrößert man den Radius um den Faktor 10 erhöht, sich die Spannung auf 160 mV.
Erhöht man weiterhin die Drehzahl um den Faktor 10 (11 000 U/Minute), dann ergeben sich 1,6 V.
Verstärkt man das Feld um den Faktor 10 von 60 mT auf 600 mT, dann ergeben sich 16 V.
Schaltet man 10 dieser Generatoren hintereinander auf der gleichen Welle, dann bekommt man 160 V.
Allerdings hat man an jedem Schleifkontakt einen Spannungsabfall.
Die Maschine kann hohen Strom liefern, wenn der Widerstand der Scheibe und der Kontakte gering ist.
Weiter Angaben siehe https://de.wikipedia.org/wiki/Unipolarmaschine
"Eine Form der Unipolarmaschine ist die von Bruce de Palma konzipierte und mit N-Maschine bezeichnete Anordnung von zwei axial polarisierten, zylindrischen Permanentmagneten, zwischen denen sich eine Scheibe aus Metall mit möglichst niedrigem spezifischen Widerstand befindet. Bei der Rotation der Anordnung lässt sich eine Gleichspannung zwischen der Achse und der Scheibe zwischen den beiden Magneten nachweisen. Da diese mitrotieren, werden die Feldlinien nach klassischer Vorstellung nicht „geschnitten“, weswegen der Maschine von einigen Rückwirkungsfreiheit unterstellt wurde, sodass angeblich keine mechanische Energie aufgenommen werde.[2] Scheinbar widerspricht diese Beobachtung also dem Induktionsgesetz, was im Faradayschen Paradoxon Ausdruck findet und aufgelöst wird. Die induzierte Spannung lässt sich durch die Relativbewegung der sich drehenden Leiterscheibe und damit des B-Felds zum ruhenden Abnehmerkontakt begründen. Befestigt man nämlich die Messanordnung an der Leiterscheibe und lässt diese mitrotieren, kann keine Spannung mehr nachgewiesen werden[3]. Folglich wird die Energieerhaltung nicht verletzt und es handelt sich dabei nur um ein scheinbares Perpetuum mobile."[3] http://www.borderlands.de/projects.n-machine.php3
 |
| Abb. 04-07-03-17: Homopolar-Generator und die Umkehrung als Motor: Monozelle, Eisenschraube und zwei Neodym-Magnete. Verbindet man den Batteriepol über den Kupferdraht mit dem Magneten, rotieren Schraube und Magnet. Homopolar-Motor (FB) Näheres unter: https://de.wikipedia.org/wiki/Homopolarmotor |
4.7.4 Lorenzkraft
Kraft F = Ladung q * Geschwindigkeit der Ladungsträger v × magnetische Flußdichte eines Magnetfeldes B
http://de.wikipedia.org/wiki/Lorentzkraft
/Maxwell 1865/ aus maxwell-formel
(Es gibt in dieser Formulierung noch zwei weitere Terme:
zeitliche Änderung des magnetischen Vektorpotentials und der Gradient des elektrischen Feldes)
Hierbei stehen Kraft, Geschwindigkeit und Magnet jeweils senkrecht aufeinander.
Die Wirkung der Kraft kann rein mechanisch oder wie beim Hall-Effekt als elektrische Spannung auftreten.
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| Abb.
04-07-04-01: Durch einen Messingstab fließt ein Gleichstrom. Er befindet
sich zwischen den Polen eines Magneten. Die Feldlinien zeigen senkrecht
zum Strom. Dabei tritt eine Kraft auf, die Lorentzkraft. Man kann sie mit einer Waage messen. (FB) |
 |
| Abb. 04-07-04-02: Thomson-Röhre Seitliche Kraft auf bewegte Ladungsträger Ein Elektronenstrahl wird links in der Glühkathode erzeugt, die Ladungen gehen nach rechts oben. Der Elektronenstrahl läßt sich ablenken: a) Senkrecht dazu wirkt das Magnetfeld der beiden Spulen oder b) ein elektrisches Feld zwischen den beiden Metallplatten. Je nach Vorzeichen der Felder werden die bewegten Elektronen nach oben und/oder unten abgelenkt. zur Anwendung: konische-koerper.htm#kapitel-04-01a (FB) |
4.7.5 Hall-Effekt
Bewegen sich Ladungsträger senkrecht zu einem Magnetfeld wirkt die Lorenzkraft.
Die Kraft steht senkrecht zur Bewegung und zum Magnetfeld.
In einem Festkörper läßt sich diese Kraft in Form einer elektrischen Spannung UH an den Längsseiten des Körpers messen.
Stromstärke I, magnetischer Flussdichte B,
Dicke der Probe d (parallel zu B) und Materialkonstanten (Hall-Koeffizient) AH
Es gibt positive und negative Hall-Koeffizienten. Sie werden durch die Eigenschaft der Ladungsträger (Größe und Vorzeichen der Ladung(en), Beweglichkeit) bestimmt.
 |
| Abb. 04-07-05-01: Halleffekt. Wird in einem Festkörper senkrecht zu einem
elektrischen Strom ein Magnetfeld angelegt, dann entsteht eine seitliche
Kraft auf die Ladungsträger. Daraus resultiert eine Spannung zwischen
den Seitenflächen. https://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/1/19/Hall_Effect_Measurement_Setup_for_Electrons.png |
 |
| Abb. 04-07-05-02: Durch eine dünne Silberfolie wird ein starker Gleichstrom geschickt. Wenn sich die Folie dabei zwischen den Polen eines starken Magneten befindet, dann wirkt auf die Ladungsträger quer zu ihrer Bewegung eine Kraft. Als Folge davon läßt sich an den gegenüberliegenden Elektroden (aufgelötete Drähte quer zur Stromrichtung) eine Spannung messen. Hall-Effekt. (FB) |
 |
| Abb.
04-07-05-03: P-leitendes Germanium in einem Probenhalter mit fünf
Kontakten. Der Treibstrom fließt über die beiden grünen Drähte. Die
Hallspannung wird mit drei Kontaken senkrecht dazu abgegriffen. Mit dem Potentiometer darüber an den roten Drähten läßt sich die genaue elektrische Mitte für die beiden oberen Kontakte einstellen. Ohne angelegtes Magnetfeld muß die Spannung Null sein. Aus dem Vorzeichen der Hallspannung läßt sich das Vorzeichen der Ladungsträger bestimmen. Man unterscheidet bei Halbleitern N-Leitung und P-Leitung (negative und positive Ladung der Ladungsträger aufgrund unterschiedlicher Dotierung) Rechts unten die Polschuhe von einem U-Magnet. (FB) |
 |
| Abb. 04-07-05-04: Probenhalter mit n-Germanium. Die Hallspannung hat das umgekehrte Vorzeichen als bei p-Germanium. (FB) |
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| Abb. 04-07-05-05: Hall-Sonde zur Messung von Magnetfeldern. (das kleine schwarze Element mit vier Anschlüssen) (FB) |
MHD-Generator
"Ein Magnetohydrodynamischer Generator beruht auf den Wirkungen der Lorentzkraft. Demnach können bewegte Ladungsträger in einem Magnetfeld abgelenkt werden, wenn sich diese relativ zu einem solchen bewegen (Richtung der Lorentzkraft siehe Linke-Hand-Regel bzw. Drei-Finger-Regel). Beim MHD-Generator strömt ein elektrisch leitendes Fluid durch das Magnetfeld. Die Konsistenz des Fluids ermöglicht es der Lorentzkraft, ungleichnamige Ladungen zu trennen, welche sich dann an dafür vorgesehenen Kollektoren sammeln. Damit kommt es zur direkten Umwandlung mechanischer Energie (als Verschiebearbeit oder Volumenarbeit) in elektrische Energie."
https://de.wikipedia.org/wiki/Magnetohydrodynamischer_Generator
 |
| Abb. 04-07-05-06: MHD-Generator https://de.wikipedia.org/wiki/Magnetohydrodynamischer_Generator#/media/File:MHD_generator_%28En%29.png |
4.7.6 Deutung
Maxwellsche Gleichungen
J. Clerk Maxwell, A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field, Phil. Trans. R. Soc. Lond. 155 (1865) 459-512
die ersten acht Seiten PART 1 maxwell.hm
https://en.wikipedia.org/wiki/Oliver_Heaviside
Oliver "Heaviside did much to develop and advocate vector methods and the vector calculus.[21] Maxwell's formulation of electromagnetism consisted of 20 equations in 20 variables. Heaviside employed the curl and divergence operators of the vector calculus to reformulate 12 of these 20 equations into four equations in four variables (B, E, J, and ρ), the form by which they have been known ever since (see Maxwell's equations)."
In der Darstellung von Heavyside, Zusammenfassung der Komponenten in Vektoren mit Kreuzprodukt und Nabla Operator.
   |
| Die zweite Gleichung (B) in der originalen Schreibweise mit jeweils drei Komponenten: Maxwell hat das heute gebräuchliche "magnetische Potential" A als Electromagnetic Momentum und auch als Drehimpuls ("angular impulse") (s.o.) bezeichnet. /Maxwell (1865)/ Seite 465 Gleichung B:Seite 486 Bezeichnung der Vektorkomponenten " α β γ Magnetic Intensity F G H Electromagnetic Momentum" μ siehe Text (60) Seite 481 "Electromagnetic Momentum (F, G, H). Electromagnetic Momentum of a Circuit. Magnetic Force (α β γ)· Coefficient of Magnetic Induction (μ).  vereinfacht geschrieben μH = ∇ × A = rot (A) |
Erweiterung der Maxwellschen Gleichungen auf andere Materialien
a) Führt man einen Stabmagneten durch eine Leiterschleife hindurch, so wird in der Schleife eine Spannung induziert.
b) Ein Transformator enthält ineinander geschlungene Ringe oder Spulen aus elektrischen Leitern (Kupferspulen) und magnetisierbaren Materialien (Eisenkern). Ändert sich in dem einen Leiter der Strom, ändert sich in dem anderen Objekt ein Magnetfeld und umgekehrt.
Bei Experimenten mit Beobachtern, die Strukturen von feinstofflicher Materie um reale Objekte herum wahrnehmen können, zeigt sich, daß auch zwei ineinander geschlungene Ringe aus anderen Materialien (z.B. Kunstoff und Wasser) ähnliche Effekte wie z.B. das Induktionsgesetz bewirken, wenn man das eine Objekt durch eine Öffnung des anderen bewegt.
Es müssen keine geschlossenen Ringe sein, es gibt auch dauerhafte Einflüsse wie im Beispiel a) .
Dabei wird zwar keine elektrische Spannung induziert, es treten aber entsprechende spürbare Effekte auf, deren Qualität von Materialzusammensetzung, Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit abhängt.
Die Effekte können temporär (Spannungsstoß) oder auch langanhaltend wie bei einer Magnetisierung sein.
maxwell-zwei.htm
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| Abb. 04-07-06-01a: Ineinander verschlungene Schleifen: elektrische Ströme und Magntfelder Batterie aus c (Kupfer) z (Zink) aus maxwell-zwei.htm |
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Abb. 04-07-06-01b: Aufbau wie beim Transformator, nur das Eisen ist durch Kunststoff ersetzt.aus: maxwell-zwei.htm |
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| Abb. 04-07-06-01c: Der Kupferring wird über die Wasserflasche bewegt. Vergleichbar mit einem Eisenmagneten, der durch eine Kupferspule gezogen wird. aus maxwell-zwei.htm |
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| Abb. 04-07-06-01d: Eine Wasserflasche wird durch eine Spule aus Kunststoff-Draht bewegt. Vergleichbar mit einem Eisenmagneten, der durch eine Kupferspule gezogen wird. aus maxwell-zwei.htm |
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Abb. 04-07-06-01e: Kunststoffdraht-Spule und Ring aus Kupferrohr (FB)aus maxwell-zwei.htm |
Mechanisches Modell zur Wirkungsweise eines Magneten bei der Induktion
(laut Induktionsgesetz)
- Das nachstehende Modell mit entgegengesetzt rotierenden Strukturen an den Enden
eines Stabmagneten erlaubt, alle Versuche zur Induktion für den zweiten Term
in der Gleichung D von Maxwell Uind = dΦ/dt zu beschreiben. - Für das Integral über die induzierten Spannungen gibt das Modell qualitative Vorhersagen,
die mit den Beobachtungen exakt übereinstimmen.
- Es sieht so aus, als ob man die mathematische Operation (rot A) der Wirkung einer
mechanischen Rotation gleichsetzen könnte. Damit wäre Maxwells Ansatz mit dem
Vektorpotential ( μH= rot(A) ) nicht nur eine Rechenhilfe, sondern möglicherweise
auch ein wichtiger Hinweis zum Verständnis von Permanentmagneten. - Die bei sehr langsam rotierenden Stabmagneten beobachteten spürbaren feinstofflichen Strukturen können
ebenfalls ein Schlüssel sein. rotierende-magnetfelder stroemung-rotierend.htm#kapitel-05
In einer Leiterschleife wird ein Magnetfeld gegeben:
1. mit einem Stabmagnet
2. mit einer Magnetspule
Das Integral über die induzierte Spannung hat in beiden Fällen die gleiche Form:
Wenn das Magnetfeld ansteigt, fließt eine Ladung. Wenn es wieder abfällt, fließt die Ladung wieder zurück.
Dabei spielt es keine Rolle, ob man die Anregung (Magnet oder Spule) in Achsenrichtung nach vorne oder nach hinten aus der Leiterschleife entfernt.
Ändert man die Polung der Anregung, fließt die Ladung in die umgekehrte Richtung.
Der zweite Term in Gleichung D, zeitliche Änderung des Magnetfeldes
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| Abb. 04-07-06-01f: Induktion von einer Spule auf die Leiterschleife siehe Abb. 04-07-01c-08a: (Ausschnitt) schleife-00 |
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| Abb. 04-07-06-02: Induktion durch die Bewegung eines Permanentmagneten. Siehe Abb. 04-07-01c-06a: Ein Stabmagnet (Neodym) wird entlang der Schleifenachse bewegt. (FB) schleife-01 |
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| Abb.
04-07-06-03:
Nach dem Durchfahren von vorne nach hinten hat das Integral wieder den
Wert Null. Nur in der Mitte hat es einen positiven Wert.. siehe Abb. 04-07-01c-07: Spannung an der großen Leiterschleife (schwarz) und deren Integral über die Zeit (violett). |
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| Abb. 04-07-06-04: siehe Abb. 04-07-01c-09: Kleine Leiterschleife um die Spule herumgewickelt. (FB) schleife-02 |
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| Abb. 04-07-06-05: siehe Abb. 04-07-01c-10: Spannung an der kleinen Leiterschleife (schwarz) und deren Integral über die Zeit (violett). |
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| Abb. 04-07-06-06: Kleiner Ventilator als schematisches Modell für einen Stabmagneten: Es wird angenommen, daß der Rotor (wie eine Bürste) durch seine Drehbewegung Ladungen entlang des Leiters verschieben kann. Weiterhin soll gelten, daß die Wirkung um so größer ist, je kleiner der Abstand zwischen der Propeller- und Leiterschleifenebene ist. Laut der Beobachtungen in Kapitel 04-07-01 scheint ein Stabmagnet sich ähnlich wie der mechanische Rotor zu verhalten. Seine Annäherung an die Schleife hat dafür gesorgt, daß Ladungen verschoben wurden. Beim Entfernen fließen die Ladungen wieder zurück. Offensichtlich gibt es eine Rückstellkraft, so daß sich nach Entfernen des Magneten der unsprüngliche Zustand wieder einstellt. In den folgenden Grafiken ist die Verschiebung so dargestellt, daß durch den Rotor die Ladungen zum blauen Pol bewegt werden. Die Maxwellsche Gleichung B = rot (A') beschreibt die magnetische Flußdichte B an beiden Polen über die mathematische Rotation des Vektorpotential A'. Wenn an dem einen Pol B>0 und an dem anderen B<0 ist, dann ergibt sich, daß der eine Rotor CCW und der andere entgegengesetzt (CW) sein muß. (FB) |
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| Abb. 04-07-06-07: Rotor in einer Leiterschleife, die Ladungen werden zum blauen Pol bewegt. (FB) |
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| Abb. 04-07-06-08: Rotor hinter einem geraden Leiter. Die Ladungen werden zum blauen Pol verschoben (FB) |
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| Abb. 04-07-06-09: Rotor vor einem geraden Leiter. Die Ladungen werden zum blauen Pol verschoben (FB) |
Lenzsche Regel, Magnetachse senkrecht zum Leiter
Der erste Term in Gleichung D, Bewegung der Ladungen senkrecht zum Magnetfeld:
Im Gegensatz zu den vorherigen Versuchen mit Magnetachse parallel zur Spulenachse, bekommt das Integral hier einen von Null verschiedenen Wert, wenn der Magnet von vorne bis nach hinten über den Draht bewegt wird. Bei der Rückbewegung geht das Integral wieder auf den Wert Null zurück.
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| Abb. 04-07-06-10: siehe Abb. 04-07-01a-22: Die Magnetachse steht senkrecht zur Achse der Leiterschleife. |
Feinstoffliche Strukturen
Bei feinstofflichen Strukturen kommen weitere Effekte hinzu.
Die obere Hälfte des Magneten verhält sich anders als die untere.
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| Abb.
04-07-06-11: Läßt man einen Stabmagneten um seine Längsachse
langsam rotieren, entstehen spürbare Strukturen über und unter der
Äquatorebene. Die Größe der Strukturen verändert sich mit der Drehzahl. Die Größe der oberen Struktur verhält sich komplementär zu der der unteren. Wenn die eine wächst, schrumpft die andere und umgekehrt. Polt man die Drehrichtung oder den Magneten um, ändern sich die Größen komplementär. aus stroemung-rotierend.htm#kapitel-05 |
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Abb. 04-07-06-12: Die Flügel in der oberen Hälfte haben die entgegengesetzte Orientierung wie die in der unteren Hälfte. aus stroemung-rotierend.htm#kapitel-03 |
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| Abb. 04-07-06-13: Enfluß von Drehrichtung auf die Größe der Strukturen. Die Flügel in der oberen Hälfte haben die entgegengesetzte Orientierung wie die in der unteren Hälfte. (FB) |
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| Abb.
04-07-06-14: Zwei kleine Motoren mit Papierfahnen. Beide drehen aus der
Sicht des Motors CW. Für den äußeren Betrachter in einiger Entfernung
auf der Achse jedoch dreht der eine CW und der andere CCW. (FB) |
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| Abb. 04-07-06-15: Ein mechanisches Analogon für die Verknüpfung von Dreh- und Linearbewegung könnte so aussehen: rot Nord, grün Süd. Links ist ein Rechtsgewinde und rechts ein Linksgewinde, in der Mitte gibt es eine "neutrale" Zone. Fragen: Hat ein Stabmagnet um seine Längsachse herum eine drehende Struktur? Werden dadurch die Ladungsträger im Draht "angetrieben", wenn man den Magnet in seiner Längsrichtung in die Leiterschleife hinein oder heraus bewegt? (FB) |
4.8 mechanische Beschleunigung von Metallen
4.8.1 Tolman-Versuch
Bei der Beschleunigung von Metallenobjekten ist in Beschleunigungsrichtung zwischen Vorder- und Rückseite des Objektes eine elektrische Spannung zu beobachten. Daraus läßt sich die träge Masse der Ladungsträger im Metall ermitteln.
Tolman hat zunächst mit einem langen Draht gearbeitet, der als Spule auf einen Holzkern gewickelt war. Die Spule rotierte und wurde abrupt zum Stillstand gebracht.
Später verwendete er oszillierende Massen (Zylinder) in der Nähe von ortsfesten Detektorspulen.
Zusammenstellung der Originalarbeiten von Tolman
http://www.d1heidorn.homepage.t-online.de/Physik/TolmanVersuch/TolmanVersuch.pdf
Quellen:
1. Richard C. Tolman and T. Dale Stewart:
The Electromotive Force Produced by the Acceleration of Metals.
Phys.Rev., 8, 97 (1916)
http://authors.library.caltech.edu/3372/1/TOLpr16b.pdf
2. Kurzfassung der Arbeit (1):
http://www.pnas.org/content/2/3/189.full.pdf+html
3. Richard C. Tolman and T. Dale Stewart:
The Mass of the Electric Carrier in Copper, Silver and Aluminium.
Phys. Rev. 9, 164 - 167 (1917)
http://authors.library.caltech.edu/6215/1/TOLpr17.pdf
4. Richard C. Tolman, Sebastian Karrer, and Ernest W. Guernsey:
Further Experiments on the Mass of the Electric Carrier in Metals.
Phys. Rev. 21, 525 - 539 (1923)
http://authors.library.caltech.edu/3677/1/TOLpr23a.pdf
5. Kurzfassung der Arbeit (4):
http://www.pnas.org/content/9/5/166.full.pdf?ck=nck
6. Richard C. Tolman and Daniel B. McRae:
Experimental Demonstration of the Equivalence of a Mechanically Oscillated Electrostatic
Charge to an Alternating Current.
Phys.Rev. 34, 1075 - 1105 (1929)
http://authors.library.caltech.edu/2550/1/TOLpr29.pdf
 |
| Âbb.
04-08-01-01: Auf einer Holzscheibe aus mehreren Lagen Birkensperrholz
ist ein Kupferdraht von etwa 500 Metern aufgewickelt. Die Anschlüsse
sind in die Mitte zur Achse geführt. /Tolman 1916/ |
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| Abb.
04-08-01-02: Die Scheibe (A) befindet sich auf einem Drehteller, der
von einem Elektromotor (B) auf etwa 50 Umdrehungen pro Sekunde gebracht
wird. Danach wird die Scheibe mit einem Lederriemen innerhalb von
weniger als einer Sekunde zum Stillstand abgebremst. Die Anschlußdrähte
der Spule (G) sind entlang der Achse verlegt und können sich während der
kurzzeitigen Rotation verdrillen. Die Drähte sind an ein Galvanometer (s.u.) angeschlossen. Beim Abbremsen entsteht kurzzeitig eine elektrische Spannung, die beim Galvanometer einen Ausschlag bewirkt. Durch die Trägheit des Galvanometersystems ist die Höhe des Ausschlages das zeitliche Integral über die Spannung (ballistisches Galvanometer). Über einen Tachogenerator (C) läßt sich die Drehzahl der Scheibe ermitteln. Der Aufbau ist gegen das Erdmagnetfeld durch ein System von Kompensationsspulen (D) und (E) abgeschirmt. Eine feststehende Kompensationsspule (F) über der rotierenden Scheibe ist mit dieser elektrisch in Reihe geschaltet. /Tolman 1916/ |
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| Abb. 04-08-01-03: Daten nach Tabelle I Die Ablesung auf der Galvanometerskale ist mit 1/4 Schritten angegeben. Tolman weist auf einen kleinen Unterschied zwischen Vor- und Rückwärtsdrehung der Spule hin. Bei der Streuung der Daten dürfte dieser aber nicht signifikant sein. /Tolman 1916/ |
8. Meßgeräte
Elektrometer, Messung der elektrischen Feldstärke mit einer Feldmühle, Dipole
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| Abb. 08-01: Elektrometer,
Elektroskop nach Exner, um 1900, Zwei dünne Metallblättchen links und rechts von der Mittelelektrode werden bei Anlegen einer Spannung nach außen abgelenkt. Aus deren Position und dem Abstand der äußeren verschiebbaren Elektroden läßt sich die elektrische Spannung bestimmen. ladung (FB) |
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| Abb.
08-02: Zweifaden-Elektrometer nach Wulf. Die Stellung der Fäden läßt
sich mit einem Mikroskop ablesen. Damit sind auch kleinste Spannungen
meßbar. Fa. Günther und Tegetmeyer /Fricke 2012/ Seite 153 (FB) |
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| Abb. 08-03: Schnittbild und Funktionsbeschreibung aus /Fricke 2012/ s.a. /Fricke 2011/ mit freundlicher Genehmigung des Autors R.F. Kaiserliches Patentamt PATENTSCHRIFT - Nr. 181284 — KLASSE 21 e. GRUPPE 5. ausgegeben den 7. Januar 1907 |
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| Abb. 08-04: Hochspannungselektrometer (FB) |
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| Abb. 08-05: Feldmühle, s.u. Anwendung: kuehlwasser-sechszehn.htm#kapitel-02 (FB) |
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| Abb. 08-06: Feldmühle: Gerät zur Messung der elektrischen Feldstärke. Die obere (äußere) Platte ist mit ihren vier Flügeln mechanisch fixiert, während die darunterliegende Platte mit einem Motor angetrieben werden kann. Dreht sich nun dieser innere Flügelsatz, dann ist er für ein äußeres elektrisches Feld periodisch "sichtbar" bzw. "unsichtbar", weil die äußeren Flügel ihn bei Überdeckung abschirmen. Dieser Wechsel sorgt für einen schwachen aber meßbaren Wechselstrom, wenn man die Flügelsätze miteinander über einen Widerstand verbindet. (FB) |
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| Abb. 08-07: Kraft auf Dipole Zwischen zwei unterschiedlich geladenen Aluminiumplatten (links und rechts) befinden sich, auf isolierten Nadelspitzen drehbar gelagert, kleine Hanteln aus leitfähigem Material. Sie richten sich als elektrische Dipole in dem elektrischen Feld aus. Je größer das Feld ist, umso stärker ist die Ausrichtung. (FB) |
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Abb. 08-08:Quadrantenelektrometeraus ladung.htm |
Kraft im elektrischen Feld, Potentialwaage, elektrische Feldkonstante
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| Abb. 08-09: Potentialwaage zwei Aluminiumplatten bilden einen Kondensator, die obere hängt an einem Isolator, die untere ruht auf einer Waage. Der Abstand zwischen den Platten ist veränderbar. Im Hintergrund steht ein Hochspannungsgerät, einstellbare Spannung bis 10 000 V. Beim Anlegen einer Spannung ändert sich die Anzeige der Waage (FB) |
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| Abb. 08-10: Potentialwaage, Zusammenhang zwischen angelegter Spannung, Abstand und Kraft zwischen den beiden Platten (FB) |
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| Abb. 08-11: Zieht man die Wurzel aus den Werten für die Kraft ergeben sich Geraden (FB) |
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| Abb.
08-11: Der mechanische Druck (d.h. Kraft/Fläche) auf die Platte ist
proportional zum Quadrat der elektrischen Feldstärke. Aus der Steigung ergibt sich die Elektrische Feldkonstante epsilon0 . Ergebnis 8.577 10-12 A s / V m Laut Tabelle gilt 8.854 10-12 A s / V m (FB) |
9. Kraft, Drehmoment einer Spule im Magnetfeld
s.a. Versuche von Oersted oersted.htm
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| Abb. 09-01: aus oersted.htm Oersteds Versuch zur Wechselwirkung zwischen Strom und Magnetfeld. Durch den senkrecht aufgehängten Draht fließt ein Gleichstrom. Um ihn herum ist eine Scheibe, auf der zwei Magnete liegen. Bei dieser Anordnung erfährt die Scheibe ein Drehmoment, wenn der Strom fließt. (FB) |
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| Abb.
09-02: Faradays Abwandlung des Oerstedtschen Versuchs um 1821, Rotation
eines Magnetpols um einen stromdurchflossenen Draht. Durch eine leitfähige Flüssigkeit (Quecksilber) fließt ein Gleichstrom. In der Flüssigkeit steckt ein Stabmagnet. Links: der Magnet taumelt um die Symmetrieachse, rechts: der Leiter bewegt sich taumelnd um die Achse. (Teichmann, S. 61) |
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| Abb.
09-02a: Zwei lange Stabmagnete hängen senkrecht und rotieren um die
gemeinsame Mittelachse, wenn ein Strom fließt. Der Strom wird über eine
Wanne mit flüssigem Quecksilber nahezu reibungsfrei zugeführt. rechts: Leybold-Katalog nach 1900 (FB) |
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| Abb. 09-03: Wenn ein
elektrischer Strom fließt, gehört dazu ein magnetisches
Feld. Aus der Überlagerung des permanenten Magnetfeldes der grün/roten Pole und dem des Stromes in der Spule entsteht ein Drehmoment. Der Aufhängedraht wirkt als Torsionsfeder und erzeugt ein entgegengesetztes Drehmoment. Somit ist der Drehwinkel der Spule ein Maß für die Stärke des Feldes und damit auch für die des Stromes. Es gibt auch die umgekehrte Anordnung: Spule fest, Magnet beweglich. Weitere Geräte: oersted.htm#kapitel-02 (FB) |
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| Abb. 09-04: auch Abb. 04-07-18: Ein rechteckiger Messingdraht befindet sich zwischen den Polen eines U-förmigen Magneten, der auf einer Waage steht. Fließt ein Gleichstrom, so entsteht eine Kraft, die sich mit dieser Waage im Grammbereich gut messen läßt. (FB) |
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| Abb. 09-04a: Astatisches Galvanometer. Zeiger und Drehspiegel über den beiden Spulen. Die beiden entgegengesetzt ausgerichteten Magnetnadeln befinden sich jeweils innerhalb einer der beiden Spulen. oersted.htm Figure 13, M. Faraday, Phil. Trans., figure to paragraph 3123  3123. The currents produced in wires, when they cross lines of magnetic force, are so feeble in intensity (though abundant enough in quantity, as many results show), thatMichael Faraday, Experimental Researches in Electricity, Series XXIII, Seite 41 Phil. Trans. R. Soc. Lond. 1852 142, 25-56, published 1 January 1852 "2651. The galvanometer employed was made by RUHMKORFF and was very sensible. The needles were strengthened in their action and rendered so nearly equal, that a single vibration to the right or to the left occupied from sixteen to twenty seconds. When experimenting with such bodies as bismuth or phosphorus, the place of the needle was observed through a lens. The perfect communication in all parts of the circuit was continually ascertained by a feeble thermo electric pair, warmed by the fingers. This was done also for every position of the commutator, where the film of oxide formed on any part by two or three days rest was quite sufficient to intercept a feeble current."Michael Faraday. Experimental Researches in Electricity, Series XXIII, Seite 174 Phil. Trans. R. Soc. Lond. 1850 140, 171-188, published 1 January 1850 RUHMKORFF Instrumentenbauer https://en.wikipedia.org/wiki/Heinrich_Daniel_Ruhmkorff |
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Abb. 09-05: Astatisches Galvanometer mit Spiegelaus oersted.htm#kapitel-02 |
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| Abb.
09-06: Ablenkeinheit für einen Oszillograph. Zwei Drahtspulen mit
jeweils einem Spiegel sind zwischen den Polen eines Magneten aufgehängt.
Fließt ein Strom durch eine Spule wird sie in Achsenrichtung der
Aufhängung verdreht. Ein Lichtstrahl könnte dann damit entprechend
abgelenkt werden (Lichtzeiger). Mit Hilfe einer Spiegeloptik läßt sich
ein einziger Lichtzeiger nacheinander auf beide Spiegel lenken und zwar
so, daß er in zwei zueinander senkrechten Richtungen abgelenkt
wird. (FB) |
 |
| Abb.
09-07: Galvanometer, in der Mitte der Permanentmagnet, hinter dem
Fenster der Spiegel für einen Lichtzeiger, Gebr. Rustrat, Göttingen
(FB) |
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| Abb. 09-08: Galvanometer, robust gekapseltes Drehspulmeßwerk mit Spiegel für einen Lichtzeiger, Kipp-Delft (FB) |
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| Abb. 09-09: Lichtzeiger-Galvanometer, Empfindlichkeit 4x10E-9 A pro Skt. Fa. Lange Die Lichtquelle für den Leichtzeiger ist integriert, abgelesen wird auf einer durchsichtigen Mattscheibe. Ideales Meßgerät für Gleichspannung, wenn Hochfrequenz in der Nähe ist. Die Trägheit mittelt höhere Frequenzen heraus. (FB) |
 |
| Abb. 09-10: Lichtzeiger-Galvanometer, Empfindlichkeit 4x10E-9 A pro Skt. Fa. Lange (FB) |
9.1 Messung des dielektrischen Verschiebungsstroms
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Abb. 09-20:Dieelektrischer Verschiebungsstrom.An electrically charging capacitor with an imaginary cylindrical surface surrounding the left-hand plate. Right-hand surface R lies in the space between the plates and left-hand surface L lies to the left of the left plate. No conduction current enters cylinder surface R, while current I leaves through surface L. Consistency of Ampère's law requires a displacement current ID = I to flow across surface R.http://en.wikipedia.org/wiki/Displacement_current http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a5/Current_continuity_in_capacitor.JPG Verschiebungsstrom |
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| Abb. 09-21: Messung des Verschiebestromes als Demonstrationsexperiment für die Vorlesung. Der Strom wird über dessen Magnetfeld detektiert. G. Scheler, G.G. Paulus, Measurement of Maxwell's displacement current, Eur.J.Phys 36 (2015) 055048 (9pp) |
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| Abb. 09-22: Demonstrationsgerät, Abschirmungen geöffnet. Die Aufnehmereinheit mit Ferritstab und Spule (rechts) ist ortsfest, die Einheit mit dem Kondensator ist seitlich verschiebbar. 22.09.2016, Demonstration in der Friedrich Schiller Universität in Jena (FB) |
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| Abb. 09-23: Demonstrationsgerät, rechts: Kondensator mit Ferritstab zwischen den Platten. (FB) |
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| Abb.
09-24: Das gekapselte Versuchsgerät, links: Aufnehmerspule und
Ferritstab, rechts: verschiebbares Gehäuse mit Kondensator, unten: zwei
Frequenzgeneratoren (fB) |
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| Abb. 09-25: zwei Frequenzen: 1,64 MHz und 2,00 MHz (fB) |
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| Abb. 09-26: Das Versuchsgerät, links Gehäuse mit Kondensator, recht: Ferritstab und gekapselte Aufnehmerspule (FB) |
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| Abb.
09-27: XY-Darstellung Spannung von der Spule am Ferritstab gegen
Anregespannung des Kondensators nach Weiterverarbeitung jeweils durch
einen Mixer und Schmalbandfilter bei 200 kHz. Verschiebt man den Kondensator seitlich bei feststehendem Ferritstab, ändert sich die Phasenlage um 180 Grad. (FB) |
10. Magnetische Strukturen als Informationsträger
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| Abb. 10-01: Feld von 7 x 7
Magnetnadeln unter dem Einfluß des Erdmagnetfeldes, dessen
Ausrichtung von links nach rechts verläuft. Für das Foto wurde nach Einstellung eines Gleichgewichtes wurde die Unterlage zuvor vorsichtig um 90 Grad gegen den Uhrzeigersinn gedreht. Viele der Nadeln haben bei dieser Drehung ihre relative Ausrichtung zur Unterlage nicht verändert. Sie zeigen nun nach oben und stehen somit senkrecht zum Erdmagnetfeld. (FB) |
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| Abb. 10-02: Nach Anklopfen sind
die Nadeln nun wieder ausgerichtet. Die Zufuhr von ein wenig Energie (Klopfen)
hat wieder ein stabileres Gleichgewicht eingestellt. (FB) |
 |
| Abb.
10-03: Magnetische Kerne auf Drähten aufgefädelt, es war der
Kernspeicher für eine einzige Druckzeile (130 Zeichen?), Anadex-Drucker,
RZ (FB) |
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| Abb. 10-04: Kernspeicher mit 64 kBit, Varian data machines 620/L, 1980-er Jahre (FB ) |
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| Abb. 10-05: Folie zur
Sichtbarmachung von Magnetfeldern, beschrieben mit einem MAG
NET. (FB) |
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| Abb. 10-06: Neodym-Magnete unter der Folie (FB) |
 |
| Abb. 10-07: Schreibtafel für
Kinder. In kleinen Kammern sind kleine Eisenteilchen eingefangen. Sie
richten sich nach einem Magnetfeld aus. Zum Schreiben nutzt man einen
Stift mit einer magnetischen Spitze. (FB) |
 |
| Abb. 10-08: Kleine Eisenteilchen
richten sich nach dem Feld des Magneten aus. (FB) |
 |
| Abb. 10-09: Die Festplatte eines
Computers enthält eine magnetisch beschreibbare Schicht auf der
Oberfläche von schnell rotierenden Scheiben. Der Schreib- und
Lesekopf befindet sich in Bildmitte. (FB) |
11. Magnetfeld eines geraden langen Leiters:
Magnetische Flußdichte (Betrag) nach Biot Savart ist B = µo / (2 * Pi) * Strom / Abstand
µo = 4 * Pi* 10-7 = 12,6 * 10-7 Vs/Am oder T m/A (Volt Sekunde pro Ampere Meter oder Tesla Meter / Ampere)
B = (4 * Pi * 10-7) / (2 * Pi ) * Strom/Abstand
B = 2 * 10-7 * Strom/Abstand = 200 * 10-9 * Strom/Abstand [ Tesla ]
Beispiel:
Das Feld im Abstand 1 Meter beim Strom 1 Ampere ist also 200 nTesla
oder entsprechend für 10 mA bei 10 mm 200 nT
1 mA, 4 m Abstand, ergibt 50 pT
zum Vergleich mit dem Erdfeld von 50 µT
50 000 000 pT / 50 pT = 1 000 000 : 1 ein Millionstel der Erdmagnetfeldes.
Magnetfeld einer Zylinderspule
Länge L, Radius R
die Wicklung verläuft parallel zur x-y-Ebene, also z zeigt in Richtung der Spulenachse.
z ist der Aufpunkt für die Berechnung
Für Punkt außerhalb auf der Achse d.h. z >>L >> R gilt
B(Z) = µo n I R² / 4 * ( 1 / (z-L/2)² - 1 / (z+L/2)² ) (Demtröder, Experimentalphysik 2, Formel 3.27, S. 92)
Beispiel: R = 0,06 m L = 0,3 m z = 2 m, I = 1 A, n = 23
B= 4 * Pi * 10-7 * 23 * 1 * 0,0036 / 4 * ( 1 / 1,85² - 1 / 2,15²)
B= 4*3,1415 * 0,0000001 * 23 * 0,0036/4 * (1/1,85^2-1/2,15^2) = 1,97 E-9 T = 1,97 nT
für 1 mA: B = 1,97 pT
Magnetfeld einer Rechteckspule (Rahmenspule)
a, b Abmessungen der Spule, N Anzahl der Windungen
http://de.wikipedia.org/wiki/Biot-Savart-Gesetz
Im Zentrum der Spule gilt:
B = µo N I / (4 * Pi) * 8 * Wurzel (1/a² + 1/b²) = 4 * Pi * N * I / (4 * Pi) * 10-7 * 8 * Wurzel(1/a² + 1/b²)
B = 2 * N * I * 10-7 * Wurzel(1/a² + 1/b²)
Für das Feld auf der Achse senkrecht zur Flächenmitte im Abstand x gilt, wenn x >> a,b ist:
B = µo N I a b / (2 Pi x³)
B = 4 Pi * 10-7 N I a b / (2 Pi x³)
Beispiel für schmale Rahmenspule: N= 1, I = 1 A, a= 0,1 m , b = 10 m
B = 4 Pi * 10-7 * 1 * 1 * 0,1 * 10 / (2 Pi) / x³ = 2 * 10-7 / x³
B (x = 5 m) = 2 * 10-7 /125 = 1,6 nT ( Grobe Abschätzung, da x >> a, aber nicht x >> b !!)
Beispiel für schmale Rahmenspule, Oberleitung einer Straßenbahn.
N=1, I = 100 A, A = 4 m, b = 400 m, seitlicher Abstand x = 100 m
B = 4 Pi * 10-7 * 1 * 100 * 4 * 400 / (2 Pi) / x³ = 0,08 / x³
B = 0,008 / (100)³ = 0,008 * 10-6 = 8 nT d.h. noch in 100 Metern Entfernung ein Feld von ca. 0,05% des Erdfeldes
bei nur 10 Metern Abstand ist das Feld dann 0,5% des Erdfeldes.
Es kann durch die Oberleitung aber auch ein höherer Strom fließen (etwa Faktor 5), wenn mehrere Bahnen
im gleichen Abschnitt anfahren. Der Gleichrichter beispielsweise in Braunschweig-Stöckheim liefert runt 1200 A.
magnetfeld-anregung.htm
( Grobe Abschätzung, da x >> a, aber nicht x >> b !!)
Praktisches Beispiel für eine Rahmenspule, Experiment
Spule 1,3 m x 0,2 m, Strom I = 10,5 A, Anzahl der Windungen 10
Messung
Der Strom wird ein- und ausgeschaltet und die Differenz des Magnetfeldes diffB notiert.
| Abstand x in Meter |
diffB, Felddifferenz beim Ein- und Ausschalten in µT | 1/x³ |
diffB/x³ |
| 1 |
3,4 |
1 |
3,4 |
| 1,8 |
0,67 |
0.17 |
3,9 |
| 2,5 |
0,27 |
0,064 |
4,2 |
| 3 |
0,16 |
0,037 |
4,3 |
Der Quotient von Zusatzfeld und dritter Potenz des Abstandes (letzte Spalte) ist nahezu konstant.
Berechnung für einen Abstand von 3 Metern
I = 10,5 A , N = 10, a = 1,3 m , b = 0,2m , x = 3 m
B = 2 * 10-7 N I a b / x³
B = 2 * 10-7 * 10 * 10,5 * 1,3 * 0,2 / 27 = 2,0 * 10-7 = 0,2 µT
Der gemessene Wert von 0,16 µT erreicht fast den berechneten von 0,2 µT!
Zwei Spulen nebeneinander , Helmholtz-Spule
helmholtz-spule.htm
Magnetfeld einer Flachspule
flachspule.htm
Magnetfelder bei biologischen Systemen
Nimmt man nun beispielsweise einen einzigen Draht als Leiterschleife mit diesen Abmessungen und einen Strom von 20 mA,
dann ergibt sich rechnerisch ein Feld von 40 pT. Das wären etwa ein Millionstel des Erdfeldes.
Diese schwachen Feldstärken findet man mit einem SQUID im menschlichen Gehirn. Es handelt sich dabei um Wechselfelder niedriger Frequenz --> MEG. Ähnliche Frequenzen kann man elektrisch messen beim EEG.
s.a. erdmagnetfeld.htm magnetsinn.htm
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| Abb. 11-01: Magnetfeld
(Magnetische
Induktion) eines einzelnen langen Leiters, Strom 10 mA Die zweite Achse stellt dieses Feld ins Verhältnis zum Erdmagnetfeld = 44000 nT (FB) |
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| Abb. 11-02: Magnetfeld zwischen
zwei parallelen langen Leitern im Abstand von 0,15 m, durch die
entgegengesetzt ein Strom von 10 mA fließt (Leiterschleife). Die zweite Achse stellt dieses Feld ins Verhältnis zum Erdmagnetfeld = 44000 nT (FB) |
12. Geschwindigkeit von Ladungsträgern in einem Leiter
F KraftI = dQ/dt
m Masse
v Geschwindigkeit
a Beschleunigung
V Volumen
A Fläche
I Strom
j Stromdichte
Q Ladung
t Zeit
ρel Netto-Ladungsdichte
σel elektrische Leitfähigkeit
n Anzahl der Ladungen
q Elementarladung
E elektrische Feldstärke
u Beweglichkeit
vD Driftgeschwindigkeit
τs mittlere Zeit zwischen zwei aufeinander folgenden Stößen
F = q · E
a = F/m
.
/Demtröder 2005/ Band 2, S. 42 ff
Betrachten wir einen Leiter, in dem sich n Ladungen q pro Volumeneinheit befinden, die sich mit der Geschwindigkeit v in eine Richtung bewegen, so können alle Ladungen im Volumen V = A·v·Δt im Zeitintervall Δt durch den Querschnitt A des Leiters fließen.-------------------
Die Stromstärke ist deshalb I = n·q·A·v
und die Stromdichte j = n·q·v
Mit der Ladungsdichte ρel = n · q lässt sich
die Stromdichte schreiben als j = ρel · v . (2.3)
Elektrischer Widerstand:
Modell: Die Ladungsträger werden durch Stöße mit den Atomen abgebremst.
mittlere Zeit zwischen zwei Stößen τs
j = n · q · vD = ρel · vD . (2.6a)
mit Δv = (F/m) · τs (2.5)
j = n · q² · τs / m · E = σel · E (2.6b)
σel = n · q² · τs / m elektrische Leitfähigkeit
bei einem Kupferleiter gilt für τs ~ 2,5 · 10-14 s
---------------------
Driftgeschwindigkeit vD
Driftgeschwindigkeit vD = u · E mit der Beweglichkeit u = σel / (n · q) (2.6c)
Bei der Elektronenleitung in Kupfer ist
σel = 6 · 10^7 A/Vm
n = 8,4 · 10^28 m-³
q = −e = −1,6 · 10^−19 C.
Damit wird die Beweglichkeit |u| = 0,0043 m/s / V/m.
Bei einer Feldstärke von 0,1V/m fließt durch 1 cm² eines Kupferleiters ein Strom von 600 A.
Die Elektronen wandern dabei aber nur mit einer Driftgeschwindigkeit von 0,4mm/s!
Stromkabel im Haus: Bei 6A und 1 mm² sind es auch 0,4 mm/s
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