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Aus dem Facharchiv: Lernen & Können
Magnetismus – Teil 5: Elektromagnetische Induktion

Durch die elektromagnetische Induktion werden Induktionsspannungen und -ströme hervorgerufen. Damit lassen sich sowohl das Trafo- als auch das Generatorprinzip ableiten, die beide im Bereich der elektrischen Maschinen wirken. Mit der Dynamo- und der Motorregel lassen sich die Richtungen der wirkenden physikalischen Größen bestimmen.

Bild 1: Einfacher Versuchsaufbau zum Nachweis einer Induktionsspannung Ein bewegter Permanentmagnet erzeugt an den Klemmen einer Spule eine elektrische Spannung. (Bild: K.-H. Bleiß/ep)

Elektromagnetische Induktion

Die elektromagnetische Induktion (auch Faradaysche Induktion oder kurz Induktion genannt) wird als das Entstehen eines elektrischen Feldes während einer Änderung der magnetischen Flussdichte B verstanden.

Versuch Induktionsspannung

Mit entsprechenden Versuchen lässt sich das elektrische Feld durch Messung einer elektrischen Spannung direkt nachweisen. Der einfachste Versuch zum Nachweis des Entstehens einer Induktionsspannung zeigt Bild 1. Durch die Bewegung des Magneten wird eine elektrische Spannung induziert, die an den Klemmen der Spule messbar ist. Dort kann sie für weitere Anwendungen abgenommen werden. Es ist die einfachste Form eines elektrischen Generators.

Forscherwettstreit

Es kam in der Geschichte der Technik nicht oft vor, dass sich drei Forscher unabhängig voneinander fast zeitgleich um die Erforschung desselben physikalischen Sachverhalts bemüht haben. Im Jahr 1831 haben sich der Engländer Michael Faraday, der Amerikaner Joseph Henry und der Däne Hans Christian Ørsted in unterschiedlichen Forschungsarbeiten um die Erklärung des Elektromagnetismus bemüht. Sie kamen quasi zum gleichen Ergebnis, wobei Faraday seine Ergebnisse als erster veröffentlichte und daher als der Entdecker der elektromagnetischen Induktion gilt.

Versuchsaufbau Transformatormodell

Der erste von Faraday präsentierte Demonstrationsaufbau zur Induktion, war ein ringförmiger Eisenkern mit zwei auf den gegenüberliegenden Seiten aufgewickelten Spulen. Die Induktions-wirkung wird technisch vor allem bei elektrischen Maschinen wie Generatoren, Elektromotoren und Transformatoren genutzt. Bei diesen Anwendungen treten stets Wechselspannungen auf. Die kommen dadurch zustande, dass auf Elektronen innerhalb eines metallischen Leiters bei der Bewegung des Leiters in einem Magnetfeld eine Kraft (Lorenzkraft) wirkt. Die entstehende Spannung nennt man Induktionsspannung, den fließenden Strom Induktionsstrom. Die Richtung des Induktionsstromes ist davon abhängig, in welcher Weise sich das von der Spule umfasste Magnetfeld ändert (Lenzsche Regel).

Induktionsspannung

Wenn man z. B. einen Dauermagneten relativ zu einer Spule bewegt, entsteht in der Spule eine Spannung. Die in der Spule induzierte Spannung wird größer, je größer die Geschwindigkeit ist, mit der sich das Magnetfeld in der Spule ändert. Die Feldstärke steigt proportional mit der Windungszahl. Die Induktionsspannung Uind, die in einer Spule induziert werden kann, richtet sich nach der Anzahl der Windungen N, der Flussänderung des magnetischen Feldes ΔΦ, sowie nach der Dauer der Änderung Δt:

Uind = -N · ∆Φ/∆t
Das Minuszeichen in der Gleichung gibt an, dass die Induktionsspannung ihrer Ursache entgegenwirkt (Lenzsche Regel).

Magnetischer Fluss

Das Produkt aus der magnetischen Induktion B und der vom Magnetfeld durchdrungenen und vom wirksamen Leiter eingeschlossenen Fläche A, bezeichnet man als magnetischen Fluss Φ.

Φ = B · A
Φ    magnetischer Fluss in Vs
A    Fläche in m2
B    magnetische Feldstärke in Vs/m2

Weitere Versuche und Forschungsarbeiten, die Faraday und andere Physiker in der Folgezeit unternahmen, haben das Bild der „elektromagnetischen Induktion“ komplettiert. Es ergaben sich somit auch die Gesetzmäßigkeiten für die „Bewegungsinduktion“. Mit denen lassen sich die Vorgänge in den bewegten Systemen, wie rotierende elektrische Maschinen (Motoren und Generatoren) erklären. Besondere Aufmerksamkeit sollte darauf gelegt werden, dass bei der Berechnung der Lorenzkraft die aktive (wirksame) Leiterlänge berücksichtigt wird.

F = B · I · laktiv
B in Vs/m2
I in A
laktiv in m
Einheit für F:
VAs/m = Ws/m = Nm/m = N

Nach der Entdeckung der elektromagnetischen Induktion ergaben sich eine Vielzahl von Lehrsätzen und praktischen Regeln. Dazu gehören beispielsweise auch Regeln für die rechte und linke menschliche Hand.

Autor: K.-H. Bleiß

Der vollständige Beitrag ist in unserem Facharchiv nachzulesen.

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