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Grundwissen

Induktion durch Feldänderung

Abb. 1 Entstehung einer Induktionspannung bei ruhender Schleife und sich veränderndem Magnetfeld durch einen bewegten Permanentmagneten

Induktionsspannung durch sich bewegende Magneten

Das Entstehen einer Induktionsspannung in der Spule (Induktionsspule) kannst du in den Grundzügen mit Hilfe der Lorentzkraft verstehen: Bei geeigneter Bewegung eines Leiters im Magnetfeld findet eine Ladungstrennung im Leiter statt. Damit entsteht eine Spannung im Leiter (vgl. Leiterschaukel-Versuch).

Im hier gezeigten Versuch bewegt sich zwar nicht der Leiter, jedoch der Magnet. Es kommt offensichtlich nur auf die Relativbewegung an.

Abb. 2 Entstehung einer Induktionspannung bei ruhender Schleife und sich veränderndem Magnetfeld durch die Änderung des Stromflusses in einer Spule

Elektromagnet anstatt Permanentmagnet

Du kannst auch den Permanentmagneten durch einen Elektromagneten ersetzen. Diesen Elektromagneten nennt man meist Feldspule. Bewegst du die Feldspule auf die Induktionsspule zu, so entsteht wieder ein Spannungsstoß. Lässt du die Feldspule bezüglich der Induktionsspule ruhen, so kommt es zu keinem Spannungsstoß. Soweit erbringen die oben angesprochenen Versuche nichts wesentlich Neues.

Änderung des Stroms durch die Feldspule

Wenn du den Strom in der Feldspule wie in Abb. 2 ein- bzw. ausschaltest, kannst du jedoch folgendes beobachten: Ohne irgendwelche Relativbewegung zwischen den Spulen kommt es in der Induktionsspule zu einem Spannungsstoß.

Diese Erkenntnis formulierte Faraday (1831) in seinem berühmten Induktionsgesetz.

Induktionsgesetz von Faraday (qualitativ)
Ändert sich das von den Windungen einer Spule umschlossene
Magnetfeld, so wird in ihr eine Spannung induziert.

Untersuchung weiterer Abhängigkeiten

Genauere Untersuchungen zeigen zusätzlich folgende Abhängigkeiten der verschiedenen Größen:

  • Je größer die Änderung des Magnetfeldes ist (bei gleicher Zeitdauer der Änderung), desto größer ist die Induktionsspannung.
  • Je schneller die Änderung des Magnetfeldes ist (bei gleichem Betrag der Änderung), desto
    größer ist die Induktionsspannung.
  • Die Induktionsspannung ist bei fester Feldspule umso größer, je mehr Windungen die Induktionsspule besitzt.
  • Besonders hohe Induktionsspannungen erhält man, wenn man Feld- und Induktionsspule auf einen gemeinsamen Eisenkern setzt.
Abb. 1 Entstehung einer Induktionspannung bei ruhender Schleife und sich veränderndem Magnetfeld

Wie experimentell gezeigt werden konnte, entsteht nicht nur durch geeignete Bewegung eines Leiters im Magnetfeld eine Induktionsspannung, sondern auch im ruhenden Leiter kann eine Induktionsspannung auftreten, wenn sich die magnetische Flussdichte im Leiter ändert.

Zusammenfassend ergibt sich das Induktionsgesetz in differentieller Form.

Induktionsgesetz (quantitativ)

Ändert sich die magnetische Flussdichte eines von einer Spule umschlossenen Magnetfeldes mit der Zeit, so tritt an den Spulenenden eine Induktionsspannung auf, für die gilt:\[{U_i} = - N \cdot A \cdot \frac{{\Delta B}}{{\Delta t}}\]