Telekolleg - Physik


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Physik - 22. Folge Elektromagnetische Induktion

Ein schwieriges Thema und zugleich die Grundlage für die Bedeutung der Elektrizität in Technik und Alltag: Die Bewegung einer Leiterschleife in einem Magnetfeld bewirkt eine Spannung und einen Stromfluss, ohne dass dafür ein Netzgerät benötigt wird.

Stand: 08.09.2016

eine Induktionsspule wird aus dem Magnetfeld einer Feldspule gezogen. | Bild: BR

Die Folge gliedert sich in folgende Abschnitte:

Elektromagnetische Induktion

  • 1. Induktion im bewegten Leiter
  • 2. Induktion im ruhenden Leiter
  • 3. Allgemeines Induktionsgesetz
  • 4. Lenz'sche Regel, Wirbelströme
  • 5. Verhalten von Supraleitern

1. Induktion im bewegten Leiter

Wir beginnen mit einem Experiment der letzten Folge: Ein stromdurchflossener Leiter erfährt in einem Magnetfeld eine ablenkende Kraft. Hier wird elektrische Energie eingesetzt, um sie teilweise in mechanische Energie umzuwandeln. Es liegt nun nahe, die Umkehrung zu versuchen - mechanische Energie soll in elektrische Energie umgewandelt werden.

Dazu wird die Stromquelle durch ein Voltmeter ersetzt und der Leiter mit der Hand quer zu den magnetischen Feldlinien bewegt: Tatsächlich wird eine "induzierte" Spannung Ui egistriert. Anschaulich gesprochen ist Ui umso größer, je mehr magnetische Feldlinien pro Zeiteinheit geschnitten werden.

Für Ui lässt sich eine Formel ableiten: Die Hand bewegt mit dem Leiterstück Elektronen senkrecht zum Magnetfeld. Deshalb wirkt auf jedes Elektron eine Lorentzkraft; sie werden zu einem Ende des Leiterstücks gedrückt.

Nun baut sich eine elektrische Gegenkraft auf, die der Lorentzkraft das Gleichgewicht hält. Mit einem Messexperiment wird die abgeleitete Formel für Ui bestätigt: 200 Leiterstücke werden mit bekannter Geschwindigkeit aus dem Magnetfeld einer Feldspule gezogen und dabei die Induktionsspannung gemessen. Sehen Sie dazu nebenstehendes Video.

2. Induktion im ruhenden Leiter

In den weiteren Experimenten werden Induktionsspulen verwendet. Man kann sich vorstellen, dass hier die Magnetlinien die Leiterstücke an allen vier Seitenflächen schneiden können. Für den Effekt der Induktion kommt es nur auf eine relative Bewegung zwischen einem Magnetfeld und der Induktionsspule an.

Experimente mit Induktionsspulen

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Es ist egal, ob der Stabmagnet zur Induktionsspule hin oder diese zum Magneten bewegt wird.

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In beiden Fällen schneiden die bogenförmigen Feldlinien des Stabmagneten durch die Leiterstücke der Induktionsspule.

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Natürlich kann man den Stabmagneten durch einen Elektromagneten ersetzen - zur Unterscheidung von der Induktionsspule nennt man ihn Feldspule. Die Relativbewegung der beiden Spulen kann ersetzt werden durch das Ein- und Ausschalten der Feldspule. Die magnetischen Feldlinien wandern dabei von außen nach innen beziehungsweise umgekehrt und schneiden dabei die Leiterstücke der Induktionsspule.

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Dabei ist die Induktionsspannung proportional zur Windungszahl der Induktionsspule N und zu ihrer Querschnittsfläche A, außerdem zur Änderungsrate des Magnetfeldes in der Induktionsspule ΔB / Δt. Vergleichen Sie dazu das Video ganz oben auf der Seite.

3. Allgemeines Induktionsgesetz

Eine Induktionsspule wird aus dem Magnetfeld einer Feldspule gezogen

Noch einmal wird eine Induktionsspule aus dem Magnetfeld einer Feldspule gezogen. Diesmal wird die Induktionsspannung mit einem Schreiber aufgezeichnet.

Berechnung der Induktionsspannung (Klicken Sie bitte auf die Lupe)

Eine Induktionsspannung Ui wird registriert, wenn sich der magnetische Fluss Φ = B·A durch die Induktionsspule ändert. Dabei ist es egal, ob die Änderung von der Bewegung der Spule oder der Stärke des Magnetfeldes herrührt.

Auf diese Weise wird die Wortbedeutung für die magnetische Flussdichte verständlich: B ist der Quotient aus dem magnetischen Fluss Φ in der Einheit Weber durch die wirksame Fläche A der Induktionsspule in Quadratmeter - siehe nebenstehendes Video. Dieser Sachverhalt ist einigermaßen kompliziert, hat aber experimentelle Bedeutung:

Experiment zur magnetischen Flussdichte

Mit einem Messgerät werden kleine Portionen von "Voltsekunden" aufsummiert, während eine Induktionsspule in beliebiger Weise in die Feldspule gelegt wird. Die konstante Summe ist unabhängig vom Weg und der Zeit, denn sie entspricht nach dem Allgemeinen Induktionsgesetz alleine der Änderung des magnetischen Flusses ΔΦ außerhalb und innerhalb der Feldspule.

Lenz'sche Regel, Wirbelströme

Experiment zu einem abstoßenden Elektromagneten

In die Formel für das Induktionsgesetz muss noch ein Minuszeichen eingefügt werden. Dies fordert ein einfacher Versuch, bei dem ein starker Dauermagnet schnell an einen Aluminiumring herangefahren wird. Der Ring schwingt an einem Faden hängend ein wenig weg und zeigt damit, dass er selbst durch einen Induktionsstrom zu einem abstoßenden Elektromagneten geworden ist.

Regel von Lenz:

Der Induktionsstrom ist stets so gerichtet, dass er der Ursache seiner Entstehung entgegenwirkt. (nach H.F.E. Lenz, 1804 - 1865)

Dies kommt in der Regel von Lenz zum Ausdruck. Für diese Regel gibt es eine Reihe von technischen Anwendungen, bei denen jeweils der Begriff "Wirbelströme" verwendet wird.

Der Intercity Express ICE zum Beispiel verfügt neben einer klassischen Scheibenbremse und einer Generatorbremse auch über eine moderne Wirbelstrombremse. Dazu senkt sich ein Rahmen mit vielen Elektromagneten nahe über die Schienen. Es wird hier nicht die magnetische Eigenschaft von Eisen genutzt, sondern seine elektrische Leitfähigkeit. Die Magnetfelder, die sich mit dem Rahmen entlang der Schienen bewegen, induzieren im Eisen Kreisströme, die der Bewegung des ICE Energie entziehen. Diese Bremse funktioniert besonders gut und zuverlässig bei hohen Geschwindigkeiten, unabhängig von der Griffigkeit der Schienen; außerdem ist sie wartungsarm, weil keine Reibung auftritt.

"Gurkenguillotine"

Nach dem gleichen Prinzip funktioniert das Experiment mit einer "Gurkenguillotine". Ein Pendel schwingt durch das starke Magnetfeld eines Elektromagneten. Dabei vermindern induzierte Kreisströme die Energie der Kupferplatte so effektiv, dass die quergehaltene Gurke unbeschädigt bleibt. Werden die Kreisströme mit einer geschlitzten Kupferplatte jedoch unterbunden, dann bleibt die Wucht der Schwingung erhalten.

Mit dem extrem starken Magnetfeld einer Kernspinröhre wurde bereits für die letzte Folge experimentiert. Nun folgen drei weitere Experimente:

Experimente zum Magnetfeld der Kernspinröhre

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Bei einem geschlossenen Stromkreis mit einer Flachbatterie sind die Kräfte auf die Leiterstücke so groß, dass sich von selbst eine kreisrunde Anordnung ergibt.

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Im zweiten Experiment wird eine großflächige Induktionsspule mit einem Lämpchen in Serie geschaltet. Beim Drehen der Induktionsspule im Magnetfeld sind die Induktionsströme so stark, dass das Lämpchen immer wieder aufblitzt.

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Beim dritten Experiment fällt eine Warntafel aus Aluminium extrem langsam um. Das starke Magnetfeld der Kernspinröhre induziert im bewegten Metall Kreisströme, die ihre Energie aus der Fallbewegung der Platte ziehen. Dieser Effekt ist hier so stark, dass die Platte nicht wie sonst beschleunigen kann. Gerade dieses letzte Experiment widerspricht völlig der üblichen Vorstellung vom Verhalten von Gegenständen. Hier kann der Effekt der Induktion nicht übersehen werden.

5. Verhalten von Supraleitern

Experiment mit einem Keramik-Supraleiter

Zum Abschluss dieser Folge wird untersucht, ob die Schwebeversuche mit Supraleitern etwas mit Induktion zu tun haben: Eine Probe eines modernen Keramik-Supraleiters wird mit flüssigem Stickstoff unter seine kritische Temperatur gekühlt. Bei Annähern eines Dauermagneten wird die Probe dauerhaft abgestoßen. Dieses Verhalten könnte als Induktions-Effekt gedeutet werden. Im Supraleiter wurden Kreisströme induziert, die nach der Regel von Lenz der Annäherung des Dauermagneten entgegen wirken.

Experiment zum "Meißner-Ochsenfeld-Effekt"

Ein zweiter Versuch zeigt dann, dass Supraleitung mehr ist, als nur das Verschwinden des Ohmschen Widerstands. Ein kleiner Magnet wird bei Zimmertemperatur auf eine Keramikprobe gelegt. Da die Probe normale Leitfähigkeit aufweist, klingt der induzierte Kreisstrom schnell ab und der Magnet kann nicht schweben. Jetzt erst wird die Probe zusammen mit dem Magneten unter die Sprungtemperatur gekühlt.

Die Supraleitung ist ein Materialzustand, der unabhängig von der Vorgeschichte immer eingenommen wird. Aufgrund dieses „Meißner-Ochsenfeld-Effekts“ beginnt der Magnet zu schweben. Mit einem Induktionsphänomen könnte man dies nicht erklären, weil sich das Magnetfeld in der Probe nicht mehr geändert hat.

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