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Grundwissen

Induktionsstrom und Regel von Lenz

Das Wichtigste auf einen Blick

  • Der Induktionsstrom ist stets so gerichtet, dass der Induktionsstrom der Ursache seiner Entstehung entgegenwirkt.
  • Die LENZsche ermöglicht einfache Vorhersagen zur Richtung auftretender Induktionsströme.
LENZsche Regel (Regel von LENZ)

Der Induktionsstrom ist stets so gerichtet, dass der Induktionsstrom der Ursache seiner Entstehung entgegenwirkt.

Sprachlich ältere, aber gleichbedeutende Formulierung:
Der Induktionsstrom ist stets so gerichtet, dass der Induktionsstrom die Ursache seiner Entstehung zu hemmen sucht.

Veranschaulichung an schwingender Spule oder schwingendem Ring

Joachim Herz Stiftung
Abb. 1 Versuchsaufbau zur Verdeutlichung der Regel von LENZ

Die Regel von LENZ wird an folgender Versuchsserie besonders deutlich. Eine kurzgeschlossene Spule (Spule mit geschlossenem Stromkreis) wird bifilar, also an zwei Fäden so aufgehängt, dass die Spule vor und zurück pendeln kann (Vgl. Abb. 1). Alternativ kann anstatt der Spule auch ein Aluminiumring bifilar aufgehängt werden.

Versuchsdurchführung

Im ersten Versuchsteil (Fall 1) näherst du einen starken Magneten der kurzgeschlossenen und frei aufgehängten Spule.

Im zweiten Versuchsteil (Fall 2) positionierst du den Magneten zu Beginn nahe an der ruhenden Spule und bewegst den Magneten dann von der Spule weg.

Beobachtung

Bewegst du den Magneten auf die Spule zu, so schwingt die Spule etwas in die Richtung, die vom Magneten weg zeigt.

Bewegst du den Magnete von der Spule weg, so folgt die Spule dem Magneten etwas und schwingt in die Richtung, in die sich der Magnet bewegt.

Interpretation mit der LENZschen Regel
Joachim Herz Stiftung
Abb. 2 Erklärung der Beobachtung mit der Regel von Lenz

Grundsätzlich ändert sich durch die Bewegung des Magneten das Magnetfeld in der Spule. Daher wird durch die Bewegung des Magneten in der Spule eine Induktionsspannung erzeugt. Im geschlossenen Stromkreis der Spule (die Spule ist kurzgeschlossen!) fließt folglich ein Induktionsstrom. Der Induktionsstrom verursacht selbst ein Magnetfeld, welches mit dem Magnetfeld des Stabmagneten in Wechselwirkung tritt.

Fall 1: Bewegst du den Magneten wie in Abb. 2 von rechts mit dem Nordpol auf die Spule zu, so bewegt sich die Spule etwas nach links. Die Spule weicht also ein Stück aus, da die Spule ihren ursprünglichen Zustand der Feldfreiheit aufrechterhalten will. Der Induktionsstrom in der Spule muss also so gerichtet sein, dass am rechten Ende der Spule ein magnetischer Nordpol entsteht. Auf diese Weise stoßen sich der Nordpol des Magneten und der Nordpol der Spule ab, die Spule bewegt sich nach links.

Joachim Herz Stiftung
Abb. 3 Erklärung der Beobachtung beim Entfernen des Magneten

Fall 2: Bewegst du den Magneten von der Spule weg, so bewegt sich die Spule ein Stück mit dem Magneten mit, da die Spule ihren felddurchsetzten Zustand aufrechterhalten will. Der Induktionsstrom in der Spule muss also so gerichtet sein, dass am rechten Ende der Spule ein Südpol entsteht. Auf diese Weise ziehen sich der Nordpol des Magneten und der Südpol der Spule an und die Spule folgt dem Magneten nach rechts.

Umdrehen des Magneten
Joachim Herz Stiftung
Abb. 4 Erklärungen der Beobachtung bei umgedrehten Magneten

Natürlich kannst du den Stabmagneten auch umdrehen, sodass der Südpol in Richtung der Spule zeigt. Es ergeben sich so zwei weitere Fälle. Die grundsätzliche Beobachtung bleibt jedoch gleich: Bewegst du den Magneten auf die Spule zu (Fall 3), so weicht der Magnet etwas aus. Ziehst du den Magneten von der Spule weg (Fall 4), so folgt die Spule dem Magneten etwas.

Entsprechend bleibt auch die physikalische Argumentation gleich: In Fall 3 muss der Induktionsstrom so gerichtet sein, dass am rechten Ende der Spule ein Südpol entsteht. So stoßen sich Stabmagnet und Spule ab und die Spule weicht etwas aus.

In Fall 4 muss der Induktionsstrom so gerichtet sein, dass am rechten Ende der Spule ein Nordpol entsteht. So ziehen sich Stabmagnet und Spule an und die Spule folgt dem Magneten,

Regel von Lenz mit Spannungs- und Strommesser

Abb. 5 Durch eine äußere Kraft im Magnetfeld eines Hufeisenmagneten bewegte Leiterschaukel

Beim Grundversuch zur Induktion wurde eine Leiterschaukel im Magnetfeld eines Hufeisenmagneten durch eine äußere Kraft \(\vec F_{\rm{A}}\) bewegt. Dabei kam es zur Ladungstrennung im Leiter, die wir mit einem Spannungsmesser nachgewiesen haben.

Ersetzt du nun den hochohmigen Spannungsmesser durch einen niederohmigen Strommesser, so kann im Leiterkreis ein merklicher Strom fließen. Du hast einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld vorliegen, auf den eine Kraft \(\vec F^{*}\) wirkt, deren Richtung du mit der Drei-Finger-Regel der rechten Hand ermitteln kannst. Die Animation in Abb. 5 zeigt die Gedankenschritte zur Ermittlung der Richtung von \(\vec F^{*}\):

  • Bewegung der negativen Ladungen durch \(\vec F_{\rm{A}}\) nach rechts.
  • Ladungstrennung im Leiter aufgrund der Lorentzkraft (vorne positiv, hinten negativ).
  • Einzeichnen der technischen Stromrichtung, die aus der Richtung der Ladungstrennung folgt (Elektronen fließen nach hinten, technische Stromrichtung ist gerade entgegengesetzt).
  • Ermittlung von \(\vec F^{*}\) mit der Drei-Finger Regel.

Auf dieses Problem angewandt bedeutet die Regel von LENZ dies: Die Bewegung des Leiters aufgrund der äußeren Kraft ruft einen Induktionsstrom hervor, der die Ursache für die Kraft \(\vec F^{*}\) ist, die der Bewegung des Leiters (dies ist die Ursache für den Induktionsstrom) entgegen wirkt.

Hinweis: Zum besseren Verständnis sind die oben beschriebenen Vorgänge in der Animation in Abb. 5 zeitlich versetzt dargestellt. Tatsächlich ist es so, dass beim Einsetzen der Bewegung sofort die Ladungstrennung, der Strom und die Kraft \(\vec F^{*}\) existent sind.

Der Namensgeber

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Abb. 6 Heinrich Friedrich Emil LENZ (1804 - 1865)

Die Regel von LENZ oder auch Lenzsche Regel ist nach Heinrich Friedrich Emil LENZ (1804 - 1865), Professor in St. Petersburg, benannt. Lenz führte nach der Entdeckung der Induktion durch FARADAY eine Reihe von wichtigen Versuchen im Gebiet der Induktion durch. Die Regel von LENZ ermöglicht dabei eine Vorhersage über die Richtung des auftretenden Induktionsstromes, ohne dass man immer das Experiment bis in alle Details betrachten muss.