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SG086a Die Lenz'sche Regel im Experiment

Induktionsgesetz

Induktivität

Glossar

Physik für Schülerinnen und Schüler

Viele Induktions-Versuche zeigen die Lenz'sche Regel:

Bei Stromfluss erfolgt die Induktion immer so, dass der Ursache der Induktion entgegen gewirkt wird.

Ursache der Induktion ist immer die Änderung eines magnetischen Flusses.

Eine anschauliche Interpretation der Lenz'schen Regel ist folgende:

"Spulen sind extrem konservativ. Sie versuchen immer, alles beim Alten zu belassen."

Betrachte folgenden Versuche:


Abb. 1: Eine Leiterschleife wird mit der Geschwindigkeit v in ein Magnetfeld B hineinbewegt. Zu Beginn ist kein Magnetfeld innerhalb der Schleife, durchsetzt kein magnetischer Fluss die Schleifenebene. Das ändert sich, wenn die Schleife in das Magnetfeld eintritt. Es entsteht eine solche Induktionsspannung und ein solcher Induktionsstrom I, dass das Anwachsen des Magnetfelds innerhalb des Rings behindert wird. Durch den Induktionsstrom entsteht nämlich ein zusätzliches Magnetfeld B', das dem vorhandenen B innerhalb der Schleife entgegengesetzt ist. Die Rechte-Faust-Regel zeigt die Orientierung von  B' im Inneren der Schleife an.
 
Das lässt sich auch mit der Lorentz-Kraft auf die in der Leiterschleife vorhandenen Elektronen erklären.



Abb. 2: Thomson'scher Ring-Versuch
Ein gut leitender Metallring ist an zwei Fäden ("bifilar") aufgehängt. Versucht man einen Stabmagneten hindurch zu stecken, so weicht der Ring zunächst aus. Schließlich gelingt das doch. Versucht man dann den Stabmagneten herauszuziehen, folgt der Ring nach.
Am Anfang ist das Innere des Rings frei von magnetischem Feld (feldfrei). Wird jetzt der Stabmagnet angenähert,  wächst das Magnetfeld im Inneren des Rings. Das versucht der Ring zu verhindern und erzeugt dazu eine Induktionsspannung, dann einen Induktionsstrom, im Ring. Dieser ist so gerichtet, dass das von ihm erzeugte Magnetfeld im Ringinneren dem wachsenden Magnetfeld vom Stabmagneten entgegengesetzt ist.

Schließlich herrscht doch ein beträchtliches Magnetfeld im Inneren des Ring. Wird jetzt der Stabmagnet herausgezogen, nimmt das Magnetfeld ab. Dem versucht der Ring entgegen zu wirken, nämlich indem eine Induktionsspannung, damit auch ein Induktionsstrom, erzeugt wird, der so gerichtet ist, dass sein Magnetfeld das abnehmende Magnetfeld möglichst ersetzt.

Versuche mit der Rechten-Faust-Regel die jeweilige Stromrichtung herauszufinden, wenn der Stabmagnet noch nicht bzw. nicht mehr die Ringebene durchstößt. Du weißt: außerhalb des Magneten geht das Magnetfeld von N (rot) nach S (grün).


Abb. 3: Ein Stromkreis soll sich in zwei parallele Zweige aufteilen, die beide den gleichen Ohm'schen Gesamtwiderstand Rg = 280 Ω  haben. Ein Zweig enthält ein Widerstands-Kombination und ein Lämpchen L1 (Leuchtdiode LED1), der zweite Zweig eine große Spule und ein identisches Lämpchen L2 (LED2). Bei Stromfluss zeigt der Pfeil die Stromrichtung an.

Wird der Stromkreis geschlossen, leuchtet quasi sofort das Lämpchen L1 auf. Je nach Dimensionierung der Spule dauert es evtl. wenige Sekunden, bis das Lämpchen L2 gleiche Helligkeit erreicht hat. Trotz gleichen Gesamtwiderstands Rg fließt erst nach dieser Zeit in beiden Zweigen der gleiche Strom! LED3 leuchtet bei der gezeichneten Polarität der Spannungsquelle  (unten -, oben +) nicht.

Einschaltvorgang: Mit der Lenz'schen Regel ist eine qualitative Deutung klar: Weil sich mit dem Einschalten der Strom ändert, ändert sich auch das Magnetfeld in der Spule, also findet in ihr Induktion statt. Sie versucht den Anstieg des Magnetfelds zu verhindern. Einige Zeit lang gelingt ihr das auch. Die Induktionsspannung ist eine Gegenspannung, entgegengesetzt zur Batteriespannung.

Das Phänomen lässt sich auch quantitativ erklären: Es entsteht an der Spule eine Selbstinduktionsspannung Uind, die umgekehrtes Vorzeichen hat wie die Batteriespannung UB. Es liegen dann also zwei Spannungsquellen im Stromkreis, UB und Uind, die einander entgegenwirken und zusammen den Spannungsabfall an den Ohm'schen Widerständen von Spule (hier Ri = 280 Ohm) und Lämpchen (Rges·I = (Ri + RLED)·I) hervorrufen. Die Selbstinduktion lässt allmählich nach und spielt nach einiger Zeit keine Rolle mehr. Erst dann fließt in beiden Zweigen ein Strom I der gleichen Größe.

(Die Selbstinduktionsspannung zu messen, ist dadurch erschwert, dass an der Spule nur die Kombination der Spannungen Uind + Ri ·I abgegriffen werden kann.)

Ausschaltvorgang: Wenn nach einiger Zeit durch beide LEDs ein konstanter Strom fließt, wird der Schalter geöffnet. LED1 erlischt sofort, aber LED2 leuchtet noch kurze Zeit weiter,  und jetzt auch LED3, obwohl UB abgetrennt ist. Warum?

Mit der Lenz'schen Regel lässt sich das leicht erklären: Die Spule ist bestrebt, den kurz vor dem Öffnen des Schalters fließenden Strom durch LED2 und die Spule weiter fließen zu lassen. Ein geschlossener Stromkreis liegt nur über LED3 vor. Es entsteht in der Spule eine Induktionsspannung, die ihrer Ursache - Absinken der Stromstärke - entgegen wirkt. Der Induktionsstrom durch die Spule fließt also eine kurze Zeit lang in Pfeilrichtung durch LED2 weiter und dann über LED3 zurück. Der Strom durch die Spule, der ja jetzt ein Induktionsstrom ist, hat die gleiche Richtung wie der Strom vor dem Öffnen des Schalters. Die Induktionsspannung muss das gleiche Vorzeichen haben wie UB, sie ist eine "Mitspannung".

Da der Induktionsstrom auch durch LED3 fließen muss, muss die Induktionsspannung von größerem Betrag als UB sein, umso größer, je größer der Innenwiderstand von LED3.

Wäre LED3 aus irgendeinem Grund durchgebrannt, hätte sie jetzt also quasi unendlichen Widerstand, entstünde ein Problem: Wohin sollte der Induktionsstrom fließen? An seiner anfänglichen Größe ist nicht zu rütteln. Sie ist durch die Stromstärke vor dem Öffnen des Schalters festgelegt. Nach der Lenz'schen Regel müsste die Induktionsspannung riesig groß werden, so groß, dass irgendwo, z.B. zwischen den Anschlüssen der kaputten LED3 oder zwischen den Schalterkontakten, die Luft leitfähig würde, so dass der Stromkreis wieder geschlossen wäre. Leitfähige Luft äußert sich in einem "Öffnungsfunken". Du verstehst jetzt, weshalb wir die LED3 vorgesehen haben, bzw. dass in der Grundschaltung die LED3 durch einen Widerstand ersetzt ist.


Im Schülerversuch werden die Stromrichtungen besonders einprägsam mit der nebenstehenden Schaltung (Auflageblatt für die Leybold-Rastersteckplatte) vermittelt, weil zwei LEDs niemals leuchten (Schüler: "Die LEDs sind kaputt!"). Vgl. entsprechender Versuch beim Kondensator.

Zu den Stromrichtungen bei der Grundschaltung der Selbstinduktion vgl. SG104b

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( Dezember 2020)