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Ändert sich der magnetische Fluß in einer Leiterschleife, so wird eine Spannung induziert.
UIND = d
Die Entdeckung der magnetischen Wirkung des elektrischen Stromes durch Oersted ließ Faraday nach der Umkehrung suchen. 1831 war Faraday am Ziel seiner Suche: nach zahlreichen Versuchen kam er zum Schluß, daß nicht konstante Magnetfelder, sondern nur die Änderung der Magnetfelder Ströme hervorruft. In einer Spule wird also Spannung induziert, wenn sich das Magnetfeld im Inneren der Spule nach Größe und Richtung ändert.
Das von Faraday gefundene Induktionsgesetz ist eine der wichtigsten Grundlagen für die Elektrotechnik. Um das Gesetz verständlicher zu machen gibt es z.B. drei Versuchsanordnungen.
1.Experiment: Ruhender Magnet - bewegter Leiter
Zwischen den Polen eines Hufeisenmagneten wird ein kleines Drahtstück waagrecht aufgehängt und mit einem empfindlichen Voltmeter verbunden. Läßt man diese Schaukel schwingen, so zeigt das V.m einen Ausschlag, wobei die Spannung ihr Vorzeichen mit der Schaukelbewegung periodisch umkehrt.
Um dieses Ergebnis erklären zu können, wird das magn. Feld des Hufeisenmagneten einem homogenen Feld angenähert. Bewegt sich die Leiterschaukel darin mit der Geschwindigkeit v, so wirkt auf jedes Elektron im Draht die Lorentzkraft.
F = evB
Sie verschiebt die Elektronen im Draht. Dadurch wird das eine Ende des Drahtes negativ geladen (Elektronenüberschuß), während das andere positiv geladen ist (Elektronenmangel). Diese Ladungsverteilung erzeugt eine elektrische Feldstärke E im Draht, die so lange anwächst, bis Gleichgewicht zwischen Lorentzkraft und elektrischer Kraft besteht:
evB = eE
Nun wird die elektrische Feldstärke E mit der Länge s des Drahtes multipliziert, sodaß man die induzierte Spannung erhält:
Uind = Es = vBs
2. Experiment: bewegter Magnet - ruhender Leiter
Wir kehren zur ursprünglichen Versuchsanordnung zurück, aber statt des Leiters wird nun der Magnet bewegt. Am Voltmeter zeigt sich der gleiche Ausschlag, wie im ersten Versuch - nach dem Induktionsgesetz hat sich der magnetische Fluß durch die Bewegung des Magneten geändert, und daher wurde Spannung induziert. Das Auftreten dieser Spannung kann nicht mit der Lorentzkraft erklärt werden, weil der Leiter sich nicht bewegt hat. Das Induktionsgesetz kann das Auftreten der Spannung aber trotzdem erklären, denn es besagt, daß bei jeder Änderung des magnetischen Flusses innerhalb einer Leiterschleife eine Spannung auftritt.
Daher erweist sich das Induktionsgesetz gültig.
Die Lenzsche Regel:
Das Induktionsgesetz ermöglicht eine einfache Berechnung der auftretenden Spannung. Für die Richtung der durch Induktion verursachten Spannung gilt folgende Regel:
Der Induktionsstrom ist stets so gerichtet, daß er seiner Ursache entgegen wirkt.
Das negative Vorzeichen im Induktionsgesetz berücksichtigt diese Regel.
Anhand einiger Beispiele möchte ich die Lenzsche Regel illustrieren.
1. Die Leiterschaukel
Bewegt sich eine Leiterschaukel zwischen den Polen eines Hufeisenmagneten, so tritt eine induzierte Spannung auf, und Strom beginnt zu fließen. Durch die Bewegung der Elektronen in Drahtrichtung tritt eine Lorentzkraft auf, die senkrecht zur Richtung des Drahtes ist. Sie ist der Bewegung der Leiterschaukel entgegengerichtet, sodaß diese Bewegung allmählich zum Stillstand kommt - der induzierte Strom wirkt seiner Ursache also entgegen.
2. Wirbelströme
Ein Metallpendel schwingt zwischen den Polen eines Elektromagneten. Wird der Magnet eingeschaltet, so bleibt das Pendel sehr rasch stehen. Grund dafür sind Wirbelströme.
Wir könne das Metallpendel als eine Vielzahl von geschlossenen Leiterkreisen auffassen, die sich im Magnetfeld bewegen. In jedem dieser Leiterkreise wird Spannung induziert, und die darauf wirkende Lorentzkraft hemmt die Bewegung. Die Lenzsche Regel faßt dies kurz zusammen: Der induzierte Strom ist so gerichtet, daß er seiner Ursache, der Bewegung, entgegen wirkt.
3. Thomsonscher Ringversuch
Auf einem Eisenkern, der aus einer Spule herausragt, wird ein Aluminiumring verschiebbar aufgesetzt. Beim Einschalten des Spulenstroms wird der Magnet weggeschleudert.
Der rasch anwachsende Magnetische Fluß induziert eine Spannung im Ring, die der Ursache entgegenwirkt. Der Induktionsstrom wirkt seiner Ursache entgegen - es kommt zu einer Abstossung.
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