Frei bewegliche Elektronen in metallischen Leitern
Ein metallischer Leiter ist in der Regel elektrisch neutral, d.h. in ihm befinden sich gleich viele positive und negative Ladungen, die auch räumlich gleichmäßig im Leiter verteilt sind. Jedoch gibt jedes Metallatom im Mittel je ein Elektron ab, die zusammen eine Art "Elektronengas" bilden und sich im Metall relativ frei bewegen können. Die zurückbleibenden positiven Atomrümpfe (bzw. Ionenrümpfe) sind dagegen ortsfest.
Bewegter gerader Leiter im Magnetfeld
Bewegst du den Leiter nun senkrecht zu den Feldlinien eines homogenen Magnetfeldes, so erfahren die im Leiter mitbewegten Ladungen eine Lorentzkraft. Durch die Lorentzkraft werden die beweglichen Elektronen wie in Abb. 1 verschoben und es kommt längs des Leiters zu einer Verschiebung der Ladungsschwerpunkte und damit einer Ladungstrennung. Dies geschieht so lange, bis die elektrische Kraft \(F_{\rm{el}}\) durch die Abstoßung der sich sammelnden Elektronen genau so groß ist wie die Lorentzkraft \(F_{\rm{L}}\) aufgrund der Bewegung im Magnetfeld.
Im Beispiel in Abb. 1 wirkt die Lorentzkraft entsprechend der Drei-Finger-Regel der rechten Hand nach unten, also werden die Elektronen nach unten verschoben. Es herrscht daher unten ein Überschuss an negativen Ladungen und oben ein Überschuss an positiven Ladungen.
Spannung zwischen den Leiterenden
Zwischen den beiden Enden des geraden Leiters herrscht daher eine Spannung, die du mithilfe eines Spannungsmessers messen kannst. Bei dieser Spannung handelt es sich um eine Induktionsspannung \(U_{\rm{i}}\).
Eine Induktionsspannung ist nur so lange messbar, wie der Leiter im Magnetfeld bewegt wird. Stoppt die Bewegung, so wirkt keine Lorentzkraft mehr auf die Elektronen und die Elektronen verteilen sich wieder gleichmäßig im Leiter. Zwischen den Leiterenden herrscht keine Spannung mehr.
Einflussgrößen auf die Induktionsspannung
Die auftretende Induktionsspannung \(U_{\rm{i}}\) hängt von den physikalischen Größen ab, von denen auch die Stärke der Lorentzkraft abhängt. Es gilt also:
- Je schneller du den Leiter durch das Magnetfeld bewegst, desto größer ist die Induktionsspannung.
- Je stärker das senkrecht zur Bewegungsrichtung des Leiters stehende homogenen Magnetfeld ist, desto größer ist die Induktionsspannung.
Weiter hat die Länge \(l\) des Leiters Einfluss auf die Induktionsspannung \(U_{\rm{i}}\), da im Leiter so lange eine Ladungstrennung stattfindet, bis elektrische Kraft \(F_{\rm{el}}\) und Lorentzkraft \(F_{\rm{L}}\) betragsmäßig gleich groß sind. Dies ist bei einem längeren Leiter erst später der Fall. Daher gilt:
- Je länger der mit ganzer Länge durch das Magnetfeld bewegte Leiter ist, desto größer ist die Induktionsspannung.
Induktion an einem bewegten Leiterrahmen
Anstelle eines geraden Leiterstücks wird in Abb. 2 nun ein rechteckiger Leiterrahmen, der eine Spule mit Windungszahl \(N = 1\) darstellt, gleichmäßig durch ein homogenes Magnetfeld bewegt. Auch hier tritt an den Leiterenden zeitweise eine Induktionsspannung auf, dessen Entstehung du mit Hilfe der LORENTZ-Kraft verstehen kannst.
Sobald das rechte Leiterstück in das Magnetfeld eintaucht, wirkt eine LORENTZ-Kraft auf die darin enthaltenen Ladungen. Die Elektronen können sich im Leiterstück relativ frei bewegen und verschieben sich hier entsprechend nach unten. Am obere Ende des rechten Leiterstücks herrscht also ein Elektronenmangel. Somit schlägt der zwischen die beiden Enden der Leiterschleife geschaltete Spannungsmesser aus und zeigt eine Induktionsspannung an.
Die Induktionsspannung bleibt so lange konstant, bis auch das linke Leiterstück in das Magnetfeld eintaucht. Nun verschieben sich durch die LORENTZ-Kraft auch hier die Elektronen und sorgen am unteren Ende für einen Elektronenüberschuss und oben für einen Elektronenmangel. Es gibt daher keinen Ladungsunterschied mehr zwischen den beiden oberen Enden der Leiterschleife und es ist keine Induktionsspannung mehr messbar.
Verlässt das rechte Leiterstück nun das Magnetfeld, so verteilen sich die Elektronen in diesem Leiterstück wieder gleichmäßig. Zwischen den beiden oberen Enden der Schleife herrscht nun wieder ein Ladungsunterschied, die Induktionsspannung wird durch den Ausschlag des Spannungsmessers sichtbar. Der Ausschlag ist jetzt aber genau umgekehrt zum Ausschlag zu beginn.
Verlässt auch das linke Leiterstück das Magnetfeld, so findet keine Ladungstrennung mehr statt und der Ausschlag des Spannungsmessers geht auf Null zurück.
Vereinfacht lässt sich festhalten, dass immer dann eine Induktionsspannung am Leiterrahmen auftritt, wenn sich die vom Magnetfeld durchsetzte Fläche des Leiterrahmens verändert.
Übertrag auf eine Spule
Entsprechendes kannst du auch beobachten, wenn du anstatt eines Leiterrahmens eine Spule mit N-Windungen entsprechend durch ein Magnetfeld bewegst. Auch hier wird an den Spulenenden eine Induktionsspannung messbar, wenn sich die vom Magnetfeld durchsetzte Spulenfläche ändert. Aufgrund der N-Windungen ist die Induktionsspannung jedoch N-mal so groß und kann daher auch mit einfacheren Messgeräten nachgewiesen werden. In der Technik wird Induktion z.B. beim Transformator genutzt.