Physik, 2. Trimester - Elektrik, Folge 09

Elektromagnetische Induktion

Ein schwieriges Thema und zugleich die Grundlage für die Bedeutung der Elektrizität in Technik und Alltag: Die Bewegung einer Leiterschleife in einem Magnetfeld bewirkt eine Spannung und einen Stromfluss, ohne dass dafür ein Netzgerät benötigt wird. Die Sendung gliedert sich in folgende Abschnitte:

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Induktion im bewegten Leiter

Bild aus der Sendung

Die Sendung beginnt mit einem Experiment der letzten Sendung: ein stromdurchflossener Leiter erfährt in einem Magnetfeld eine ablenkende Kraft. Hier wird elektrische Energie eingesetzt, um sie teilweise in mechanische Energie umzuwandeln. Es liegt nun nahe, die Umkehrung zu versuchen - mechanische Energie soll in elektrische Energie umgewandelt werden. Dazu wird die Stromquelle durch ein Voltmeter ersetzt und der Leiter mit der Hand quer zu den magnetischen Feldlinien bewegt: Tatsächlich wird eine "induzierte" Spannung Ui registriert. Anschaulich gesprochen ist Ui umso größer, je mehr magnetische Feldlinien pro Zeiteinheit geschnitten werden. Für Ui lässt sich eine Formel ableiten: Die Hand bewegt mit dem Leiterstück Elektronen senkrecht zum Magnetfeld. Deshalb wirkt auf jedes Elektron eine Lorentzkraft; sie werden zu einem Ende des Leiterstücks gedrückt. Nun baut sich eine elektrische Gegenkraft auf, die der Lorentzkraft das Gleichgewicht hält. Mit einem Messexperiment wird die abgeleitete Formel für Ui bestätigt: 200 Leiterstücke werden mit bekannter Geschwindigkeit aus dem Magnetfeld einer Feldspule gezogen und dabei die Induktionsspannung gemessen.


Induktion im ruhenden Leiter

Bild aus der Sendung

In den weiteren Experimenten werden Induktionsspulen verwendet. Man kann sich vorstellen, dass hier die Magnetlinien die Leiterstücke an allen vier Seitenflächen schneiden können. Für den Effekt der Induktion kommt es nur auf eine relative Bewegung zwischen einem Magnetfeld und der Induktionsspule an. Es ist egal, ob der Stabmagnet zur Induktionsspule hin oder diese zum Magneten bewegt wird. In beiden Fällen schneiden die bogenförmigen Feldlinien des Stabmagneten durch die Leiterstücke der Induktionsspule. Natürlich kann man den Stabmagneten durch einen Elektromagneten ersetzen - zur Unterscheidung von der Induktionsspule nennt man ihn Feldspule.
Die Relativbewegung der beiden Spulen kann ersetzt werden durch das Ein- und Ausschalten der Feldspule. Die magnetischen Feldlinien wandern dabei von außen nach innen bzw. umgekehrt und schneiden dabei die Leiterstücke der Induktionsspule. Dabei ist die Induktionsspannung proportional zur Windungszahl der Induktionsspule N und zu ihrer Querfläche A, außerdem zur Änderungsrate des Magnetfeldes in der Induktionsspule deltaB / deltat.


Allgemeines Induktionsgesetz

Bild aus der Sendung

Noch einmal wird eine Induktionsspule aus dem Magnetfeld einer Feldspule gezogen. Diesmal wird die Induktionsspannung mit einem Schreiber aufgezeichnet. Eine Induktionsspannung Ui wird registriert, wenn sich der magnetische Fluss phi = BmalA durch die Induktionsspule ändert. Dabei ist es egal, ob die Änderung von der Drehung der Spule oder der Stärke des Magnetfeldes herrührt. Auf diese Weise wird die Wortbedeutung für die magnetische Flussdichte verständlich: B ist der Quotient aus dem magnetischen Fluss phi in der Einheit Weber durch die wirksame Fläche A der Induktionsspule in Quadratmeter. Dieser Sachverhalt ist einigermaßen kompliziert, hat aber experimentelle Bedeutung: Mit einem Messgerät werden kleine Portionen von "Voltsekunden" aufsummiert, während eine Induktionsspule in beliebiger Weise in die Feldspule gelegt wird. Die konstante Summe ist unabhängig vom Weg und der Zeit, denn sie entspricht nach dem Allgemeinen Induktionsgesetz alleine der Änderung deltaphi des magnetischen Flusses außerhalb und innerhalb der Feldspule.


Lenz'sche Regel, Wirbelströme

Bild aus der Sendung

In die Formel für das Induktionsgesetz muss noch ein Minuszeichen eingefügt werden. Dies fordert ein einfacher Versuch, bei dem ein starker Dauermagnet schnell an einen Aluminiumring herangefahren wird. Der Ring schwingt an einem Faden hängend ein wenig weg und zeigt damit, dass er selbst durch einen Induktionsstrom zu einem abstoßenden Elektromagneten geworden ist. Dies kommt in der Regel von Lenz zum Ausdruck. Für diese Regel gibt es eine Reihe von technischen Anwendungen, bei denen jeweils der Begriff "Wirbelströme" verwendet wird. Der Intercity Express ICE z.B. verfügt neben einer klassischen Scheibenbremse und einer Generatorbremse auch über eine moderne Wirbelstrombremse. Dazu senkt sich ein Rahmen mit vielen Elektromagneten nahe über die Schienen. Es wird hier nicht die magnetische Eigenschaft von Eisen genützt, sondern seine elektrische Leitfähigkeit. Die Magnetfelder, die sich mit dem Rahmen entlang der Schienen bewegen, induzieren im Eisen Kreisströme, die der Bewegung des ICE Energie entziehen. Diese Bremse funktioniert besonders gut und zuverlässig bei hohen Geschwindigkeiten, unabhängig von der Griffigkeit der Schienen; außerdem ist sie wartungsarm, weil keine Reibung auftritt.
Nach dem gleichen Prinzip funktioniert das Experiment mit einer "Gurkenguillotine". Ein Pendel schwingt durch das starke Magnetfeld eines Elektromagneten. Dabei vermindern induzierte Kreisströme die Energie der Kupferplatte so effektiv, dass die quergehaltene Gurke unbeschädigt bleibt. Werden die Kreisströme mit einer geschlitzten Kupferplatte jedoch unterbunden, dann bleibt die Wucht der Schwingung erhalten.

Mit dem extrem starken Magnetfeld einer Kernspinröhre wurde bereits für die letzte Sendung experimentiert. Nun folgen drei weitere Experimente: Bei einem geschlossenen Stromkreis mit einer Flachbatterie sind die Kräfte auf die Leiterstücke so groß, dass sich von selbst eine kreisrunde Anordnung ergibt. Im zweiten Experiment wird eine großflächige Induktionsspule mit einem Lämpchen in Serie geschaltet. Beim Drehen der Induktionsspule im Magnetfeld sind die Induktionsströme so stark, dass das Lämpchen immer wieder aufblitzt. Beim dritten Experiment fällt eine Warntafel aus Aluminium extrem langsam um. Das starke Magnetfeld der Kernspinröhre induziert im bewegten Metall Kreisströme, die ihre Energie aus der Fallbewegung der Platte ziehen. Dieser Effekt ist hier so stark, dass die Platte nicht wie sonst beschleunigen kann. Gerade dieses letzte Experiment widerspricht völlig der üblichen Vorstellung vom Verhalten von Gegenständen. Hier kann der Effekt der Induktion nicht übersehen werden.


Verhalten von Supraleitern

Bild aus der Sendung

Zum Abschluss der Sendung wird untersucht, ob die Schwebeversuche mit Supraleitern etwas mit Induktion zu tun haben: Eine Probe eines modernen Keramik-Supraleiters wird mit flüssigem Stickstoff unter seine kritische Temperatur gekühlt. Bei Annähern eines Dauermagneten wird die Probe dauerhaft abgestoßen. Dieses Verhalten könnte als Induktions-Effekt gedeutet werden. Im Supraleiter wurden Kreisströme induziert, die nach der Regel von Lenz der Annäherung des Dauermagneten entgegen wirken. Ein zweiter Versuch zeigt dann, dass Supraleitung mehr ist, als nur das Verschwinden des Ohmschen Widerstands. Ein kleiner Magnet wird bei Zimmertemperatur auf eine Keramikprobe gelegt. Da die Probe normale Leitfähigkeit aufweist, klingt der induzierte Kreisstrom schnell ab und der Magnet kann nicht schweben. Jetzt erst wird die Probe zusammen mit dem Magneten unter die Sprungtemperatur gekühlt. Die Supraleitung ist ein Materialzustand, der unabhängig von der Vorgeschichte immer eingenommen wird. Aufgrund dieses Meißner-Ochsenfeld-Effekts beginnt der Magnet zu schweben. Mit einem Induktionsphänomen könnte man dies nicht erklären, weil sich das Magnetfeld in der Probe nicht mehr geändert hat.


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