P3.4.4.1 Waltenhofensches Pendel

LD
Handblätter
Physik
Elektrizitätslehre
Elektromagnetische Induktion
Wirbelströme
P3.4.4.1
Waltenhofensches Pendel:
Demonstration
einer Wirbelstrombremse
Versuchsziele
Untersuchung der Wirbelstromdämpfung an einem im Magnetfeld schwingenden Waltenhofenschen Pendel.
Nachweis der Unterbindung der Wirbelströme in einer geschlitzten Metallscheibe.
Grundlagen
Bewegt sich eine Metallscheibe in einem inhomogenen Magnetfeld, so ändert sich für jeden beliebigen Abschnitt der
Scheibe ständig der magnetische Fluss und im Umfang des
Abschnitts wird eine Ringspannung induziert. Daher fließen
überall in der Metallscheibe elektrische Wirbelströme. Diese
erfahren im Magnetfeld Lorentzkräfte, die insgesamt die Bewegung der Scheibe hemmen (siehe Fig. 1). Drastisch reduziert werden die Wirbelströme, wenn man die Metallscheibe
mit Schlitzen versieht, so dass der Strom nur auf Umwegen
von einem Steg zum anderen fließen kann.
In einer bewegten Metallscheibe induzierter Wirbelstrom I
und Lorentzkräfte F1 und F2 auf die beiden Äste des Wirbelstromes (B1, B2: inhomogenes Magnetfeld, v: Geschwindigkeit). Die gegen die Bewegung gerichtete Kraft
ist die größer als die Kraft in Bewegungsrichtung.
0213-Sel
Fig. 1
Das Auftreten und das Unterbinden von Wirbelströmen lässt
sich eindrucksvoll an einem Waltenhofenschen Pendel demonstrieren. Es handelt sich um eine Metallscheibe, die zwischen den Polschuhen eines starken Elektromagneten
schwingt. Sobald ein genügend starkes Magnetfeld eingeschaltet ist, wird das Pendel beim Eintritt in das Feld angehalten. Die Pendelschwingungen einer geschlitzten Metallscheibe
werden dagegen nur schwach gedämpft.
1
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P3.4.4.1
Aufbau
Geräte
Der Versuchsaufbau ist in Fig. 2 dargestellt.
1 Waltenhofensches Pendel . . . . . . . .
1 Muffe mit Schneidenlager . . . . . . . .
560 34
342 07
1 U-Kern mit Joch . . . . . . . . . . . . .
2 Spulen mit 250 Windungen . . . . . . . .
1 Paar durchbohrte Polschuhe . . . . . . .
562 11
562 13
560 31
– Elektromagnet aus U-Kern, zwei Spulen mit 250 Windun-
1 DC-Netzgerät 0−16 V / 0−5 A . . . . . . .
521 545
Waltenhofensches Pendel:
1 Kleiner Stativfuß, V-förmig . .
1 Stativstange, 47 cm . . . . . .
1 Stativstange, 90⬚ abgewinkelt
1 Leybold-Muffe . . . . . . . .
300 02
300 42
300 51
301 01
– Aluminiumscheibe zunächst an der geschlitzten Fläche im
.
.
.
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.
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.
.
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.
.
Elektromagnet:
gen und zwei Polschuhen aufbauen.
– Spulen in Reihe an das DC-Netzgerät anschließen.
Pendelstab festklemmen.
– Stativmaterial mit der Muffe mit Schneidenlager aufbauen
und Waltenhofensches Pendel einhängen.
– Aufbau so ausrichten, dass der ungeschlitzte Teil der Alu-
Experimentierkabel
–
miniumscheibe frei zwischen den Spitzen der Polschuhe
schwingen kann und das Pendel seine Ruhelage zwischen
den Polschuhen findet.
Möglichst geringen Abstand der Polschuhe wählen, ohne
dass das Pendel in seiner Bewegung behindert wird, und
Polschuhe fixieren.
Durchführung
– Strom durch den Elektromagneten stufenweise erhöhen
(nur kurzzeitig mit mehr als 5 A belasten).
– Pendel aus der Ruhelage stoßen und Schwingungen beobachten.
– Aluminiumscheibe an der ungeschlitzten Fläche festklemmen und Versuche wiederholen.
Messbeispiel
Tab. 1: Zahl der Schwingungen der Aluminiumscheibe im
Magnetfeld nach Auslenkung aus der Ruhelage
Fig. 2
Versuchsaufbau mit Waltenhofenschem Pendel
I
A
Schwingungszahl
ungeschlitzte Fläche
geschlitzte Fläche
>20
>20
2,5
8
>20
0
5
3
>20
7,5
2
>20
10
1
>20
Auswertung
Schwingt die ungeschlitzte Fläche der Metallscheibe durch
das Magnetfeld, so werden die Schwingungen gedämpft. Die
Dämpfung ist um so stärker, je größer das Magnetfeld ist.
Bei der ungeschlitzten Fläche ist die Dämpfung nur schwach.
Ergebnis
Innerhalb der sich in einem inhomogenen Magnetfeld bewegenden Metallscheibe werden Wirbelströme induziert. Auf diese Wirbelströme übt das inhomogene Magnetfeld insgesamt
eine Kraft entgegen der Bewegung aus (vgl. Lenzsche Regel).
In der geschlitzten Aluminiumscheibe können sich Wirbelströme nur schwach ausbilden.
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