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SG063 Induktion

© H. Hübel Würzburg 2013

elektromagnetisches Feld

Quantenobjekte

Glossar

Physik für Schülerinnen und Schüler

Das Induktionsgesetz besagt:

Wenn sich innerhalb einer geschlossenen Kurve C der magnetische Fluss Φ ändert, dann entsteht längs dieser Kurve ein elektrisches Wirbelfeld und eine Ringspannung. Diese heißt Induktionsspannung.

Ein paar Erläuterungen (vgl. Elektromagnetische Induktion):


Schülerversuch Induktion mit LED Schülerversuch 1: Die Schüler erhalten Spulen mit aufgesteckten Zweifarben-Leuchtdioden und bringen sie mit großen Stabmagneten (z.B. Cornelsen) zum Leuchten. Geht mit mehr als 1600 Windungen (Phywe).


Schülerversuch Induktion mit Messgerät Schülerversuch 2: Die Schüler erhalten Spulen mit aufgestecktem Mikroamperemeter und bringen es mit kleinen Zylindermagneten zum Ausschlag.

Vorläufiges Ergebnis: Induktion findet nur statt, wenn sich das Magnetfeld ändert, nicht, wenn es konstant ist. Induktion ist um so stärker, je schneller sich das Magnetfeld ändert. Bei wachsendem Magnetfeld hat die Spannung umgekehrtes Vorzeichen wie bei fallendem.

Im Folgenden werden unterschiedliche Situationen diskutiert, mit denen das Magnetfeld in der Spule geändert werden kann, auch Änderung der "Menge an Magnetfeld" ("Flächeninduktion"). Auch die Abhängigkeit von der Windungszahl lässt sich zeigen: Spulen mit doppelter Windungszahl (300, 600, 1200 W) oder Schleifen mit 1, 2, 3, ... Windungen (+ Mikroamperemeter, z.B. von Cornelsen).

Grundsituationen der Induktion:

Situationen bei der Induktion Induktion findet in einer Spule oder geschlossenen Leiterschleife statt, wenn sich in ihr das Magnetfeld ändert, das die Spule oder Leiterschleife senkrecht durchsetzt.

Das kann dadurch geschehen, dass

(1) ein Permanentmagnet der Spule genähert oder von ihr entfernt wird

(2) die Induktionsspule im nicht homogenen Magnetfeld verschoben wird

(3) die Induktionsspule im Magnetfeld gedreht wird (dann tritt das Magnetfeld einmal von der einen Seite, dann von der anderen Seite in die Spule ein)

(4) das Magnetfeld einer Feldspule durch den Strom verändert wird

(5) das Magnetfeld einer Feldspule ein- oder ausgeschaltet wird

(6) ein magnetisches Wechselfeld einer Feldspule durch einen Wechselstrom erzeugt wird

(7) die "Menge an Magnetfeld" durch Verkleinern oder Vergrößern der Windungsfläche verändert wird ("Flächeninduktion").

Das kann also dadurch geschehen,  dass sich in der Induktionsspule die Stärke des Magnetfelds ändert (1 - 6) oder die "Menge an Magnetfeld" (7).

Die Idee ist: Man setze sich gedanklich immer in die Spule, in der die Induktionsspannung gemessen wird. Dann beurteile man, ob sich in der Spule unter dieser Sicht das Magnetfeld ändert. Wenn das der Fall ist, entsteht Induktion.


Induktion mit der Leiterschaukel:

Induktion in Leiterschaukel Leiterschaukel und Hufeisenmagnet z.B. von Cornelsen, Zuleitung zu Messverstärker (Verstärkung 30-fach; mit gut eingestelltem Nullpunkt), Mikroamperemeter von Cornelsen. Voller Ausschlag nach beiden Seiten nach einmaliger Auslenkung der Leiterschaukel. Das horizontale Leiterstück heißt hier Leiterbügel.

1. Versuch: Der Hufeisenmagnet wird mit der Hand in Pfeilrichtung hin und her bewegt. Der Leiterbügel ruht. Das Messinstrument schlägt aus. Wo findet hier eine Magnetfeldänderung statt? Problem ist, dass sich an der Stelle des Leiterbügels immer dasselbe Magnetfeld befindet (homogenes Magnetfeld zwischen den Schenkeln des Hufeisenmagneten!). Woher sollte der "Leiterbügel wissen", dass er sich in einem Magnetfeld bewegt?

Es wird klar, dass es keine Induktion "in einem  bewegten Leiter" gibt; der Leiterbügel ruht ja. Die Induktion lässt sich vielmehr erklären durch die Magnetfeld-Änderung im Schenkel des Magneten, der die Windungsfläche durchstößt. Hier verwirrt eine falsche Didaktik der Induktion, die behauptet, dass es eine Induktion im "ruhenden" und eine im "bewegten" Leiter gebe.

2. Versuch: Der Leiter schaukelt zwischen den Schenkeln des Magneten.

Mit der Lorentz-Kraft kann das leicht erklärt werden, aber auch durch die Änderung des magnetischen Flusses im Schenkel des Magneten, der die Windungsfläche senkrecht durchsetzt.

Es gibt keine "Induktion im bewegten Leiter", weil jeder Leiter bewegt ist und zugleich in Ruhe ist - je nach Bezugssystem.

Induktion ist kein lokaler Vorgang, wie es die Überlegung mit der Lorentz-Kraft zu suggerieren scheint. Nicht das "Magnetfeld am Ort der Leiterschaukel" spielt die Rolle, sondern der gesamte magnetische Fluss, der die Windungsfläche senkrecht durchsetzt.

(Die im Foto eingezeichnete Polarität gilt nur in einem speziellen Fall!)

Ursache der Induktion ist immer eine Änderung des magnetischen Flusses innerhalb einer Leiterschleife oder Spule. Nur in Spezialfällen lässt sich Induktion auch mit der Lorentz-Kraft "erklären".


Vgl. Induktionsgesetz

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( Juni 2014 )