Freihandversuch
Aufbau und Durchführung
Einem bifilar aufgehängten Metallring wird axial ein starker Stabmagnet rasch genähert.
Beobachtung
Der Ring weicht in Bewegungsrichtung des Magneten aus der Ruhelage aus und pendelt nach einigen Schwingungen wieder in die ursprüngliche Position.
Erklärung
Durch den sich an den Ring annähernden Magneten ändert sich das vom Ring umschlossene Magnetfeld. Im Ring entsteht eine Induktionsspannung, die einen Induktionsstrom zur Folge hat. Nach LENZ fließt der Induktionsstrom in eine Richtung, dass er die Ursache seiner Entstehung - nämlich die Zunahme des magnetischen Flusses im Ring - hemmt. Der Induktionsstrom wird also so fließen, dass das von ihm stammende Magnetfeld auf der dem Stabmagneten zugewandten Seite einen Südpol besitzt und somit das resultierende Magnetfeld kleiner wird. Mit Hilfe der Rechten-Faust-Regel findet man dann, dass der technische Strom durch den Ring in Uhrzeigerrichtung fließen muss.
Versuchsteil 2
Aufgabe
Zu Beginn des Versuches befindet sich der Stabmagnet bereits axial in der Ringmitte. Nun wird der Stabmagnet schnell aus dem Ring herausgezogen. Erläutere, wie sich der Ring nun verhält.
Induktionsstrom am Metallring
Animation von Michael W. Davidson. URL: https://micro.magnet.fsu.edu/electromag/java/lenzlaw/index.html (8.7.2017)
Bewegt sich der Nordpol des Stabmagneten auf den Metallring zu, so fließt der technische Strom (gelb) im Uhrzeigersinn. Aufgrund dieses Stroms entsteht ein Magnetfeld (blaue Feldlinien), das dem äußeren zunehmenden Feld (rote Feldlinien) entgegengerichtet ist. Auf der Ringunterseite entsteht durch den Induktionsstrom ein Nordpol, der bewegungshemmend auf den Nordpol des Stabmagneten einwirkt.
Bewegt sich der Nordpol des Stabmagneten nach unten vom Metallring weg, so fließt der Induktionsstrom im Gegenuhrzeigersinn. Aufgrund dieses Stroms entsteht ein Magnetfeld (blaue Feldlinien), das dem äußeren abnehmenden Feld (rote Feldlinien) gleichgegengerichtet ist. Auf der Ringunterseite entsteht durch den Induktionsstrom ein Südpol, der bewegungshemmend auf den Nordpol des Stabmagneten einwirkt.
Weitere Versuche zur Bestätigung
1. Versuch
Ein, auf einem leichtgängigen Wägelchen befestigter, Stabmagnet wird mit seinem Südpol voran gegen die Spule geschoben. In der Spule entsteht eine Induktionsspannung und in deren Folge ein Induktionsstrom. Nach Lenz muss der Induktionsstrom so fließen, dass er die Ursache seiner Entstehung zu hemmen sucht. Dies ist möglich, wenn aufgrund des Stroms auf der linken Spulenseite ein Südpol entsteht (Abstoßung gleichnamiger Pole).
Hinweis: Würde der Spulenstrom so fließen, dass auf der linken Spulenseite ein Nordpol entstünde, so würde das Wägelchen nicht abgebremst, sondern beschleunigt. Dies würde einen Widerspruch zum Energieerhaltungssatz darstellen, denn die kinetische Energie des Wägelchens würde - grundlos -erhöht und zusätzlich auch noch elektrische Energie zur Verfügung gestellt. Insofern ist die Vorhersage von Lenz schon durch den Energiesatz bedingt.
2. Versuch
Um die obige Aussage zu erhärten, wird in den Kreis von Spule und Messgerät ein Netzgerät eingebaut und die Polung so gewählt, dass der Zeiger des Messgerätes (Achtung: veränderter Messbereich!) nach dem Schließen des Schalters in die gleiche Richtung wie beim 1. Versuch ausschlägt. Wenn unsere obige Überlegung richtig war, müsste bei dieser Stromrichtung auf der linken Seite der Spule ein Südpol auftreten. Tatsächlich wird beim Schließen des Schalters der Wagen von der Spule abgestoßen.