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Aufgabenstellung:

Ein Stab gleitet gemäß der Abbildung auf einer Schiene mit der Geschwindigkeit . Der Stab und die Schiene besitzen den gleichen Ohmschen Widerstand pro Längeneinheit. Zum Zeitpunkt befindet sich der Stab an der Stelle Die von der Schiene begrenzte Fläche wird von einem homogenen Magnetfeld mit der magnetischen Flussdichte durchsetzt.

Abbildung

Berechnen Sie für das Zeitintervall die zwischen den beiden offenen Enden der Schiene abfallende Spannung .

Hinweis:
Die Rückwirkung des induzierten Stroms ist bei der Berechnung zu vernachlässigen.

Lösungsweg:

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Spannung

Der Stab unterteilt die durch die Schiene begrenzte rechteckige Fläche in zwei Teile. Dadurch, dass sich der Stab bewegt, werden die Flächen in ihrer Größe verändert, was zu einer Änderung des sie durchsetzenden magnetischen Flusses führt. Durch die Flussänderung wiederum werden entlang der beiden Flächenberandungen Spannungen induziert. Die rechte der beiden Berandungen besteht vollständig aus leitendem Material, so dass dort auch ein Umlaufstrom induziert wird.

Im ersten Schritt berechnen wir die beiden magnetischen Flüsse und die die beiden Flächen und in Bild 1 durchsetzen. Um die Berechnung zu erleichtern, werden die Flächenvektoren so gewählt, dass sie in die gleiche Richtung wie die magnetische Flussdichte weisen. Durch diese Wahl sind die Richtungen der Umläufe festgelegt, da diese mit den Flächenvektoren durch eine Rechtsschraube verknüpft sind.

Für die beiden magnetischen Flüsse ergibt sich

Wir benötigen die magnetischen Flüsse als Funktion der Zeit und nicht als Funktion des Ortes. Deshalb muss in den Gleichungen (1) und (2) die Variable durch die Zeit und die Geschwindigkeit, mit der sich der Stab auf der Schiene bewegt, ausgedrückt werden.

und

Um die beiden Umlaufspannungen und zu erhalten, müssen die Gleichungen (3) und (4) nach der Zeit differenziert werden. Außerdem muss für das Induktionsgesetz noch ein Minuszeichen berücksichtigt werden.

Die zur Fläche gehörende Leiterschleife wird durch die Schiene und den Stab gebildet. Da beide eine endliche Leitfähigkeit besitzen, bewirkt die induzierte Umlaufspannung , dass ein Kreisstrom fließt. Über dem Stab fällt die Spannung ab. Diese ergibt sich aus den Widerstandsverhältnissen von Stab und Schiene. Außerdem ist zu beachten, dass der frei gewählte Bezugspfeil der Spannung und der Bezugspfeil der induzierten Umlaufspannung in entgegengesetzte Richtungen gezählt werden.

In der linken Masche fließt kein Strom, so dass in den Schienenabschnitten die Stromdichte und damit auch die elektrische Feldstärke gleich Null ist. Mit Hilfe eines Maschenumlaufes für die Umlaufspannung erhält man damit

Jetzt muss Gleichung (5) nur noch nach aufgelöst werden.

Lösung: