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Grundversuche zur elektromagnetischen Induktion

Die elektromagnetische Induktion ist ein Vorgang, bei dem durch Bewegung eines elektrischen Leiters im Magnetfeld oder durch Änderung des von einem Leiter umschlossenen Magnetfeldes eine elektrische Spannung und ein Stromfluss erzeugt werden. Umfassend wird dieser Vorgang durch das Induktionsgesetz erfasst. Aus historischer Sicht wesentlich sind eine Reihe von Versuchen, die man als Grundversuche zur elektromagnetischen Induktion bezeichnet und mit denen gezeigt werden kann, unter welchen Bedingungen überhaupt eine Induktionsspannung entsteht und durch welche Faktoren der Betrag der Induktionsspannung beeinflusst wird. In dem Beitrag sind die wichtigsten Grundversuche zusammengestellt und erläutert. Sie waren letztlich die empirische Grundlage für die Formulierung des Induktionsgesetzes, das MICHAEL FARADAY 1831 fand.

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Grundversuche zur elektromagnetischen Induktion

Die elektromagnetische Induktion ist ein Vorgang, bei dem durch Bewegung eines elektrischen Leiters im Magnetfeld oder durch Änderung des von einem Leiter umschlossenen Magnetfeldes eine elektrische Spannung und ein Stromfluss erzeugt werden. Umfassend wird dieser Vorgang durch das Induktionsgesetz erfasst. Dieses Gesetz ist ausführlich in einem gesonderten Beitrag dargestellt und unter dem Stichwort „ Induktionsgesetz “ zu finden. Aus historischer Sicht wesentlich sind eine Reihe von Versuchen, die man als Grundversuche zur elektromagnetischen Induktion bezeichnet und mit denen gezeigt werden kann, unter welchen Bedingungen überhaupt eine Induktionsspannung entsteht und durch welche Faktoren der Betrag der Induktionsspannung beeinflusst wird.

  • Bewegt man einen Permanentmagneten in der angegebenen Weise relativ zu einer Spule, dann wird in ihr eine Spannung induziert.

    L. Meyer, Potsdam

Induktionsspannung durch Bewegung
Eine Spule wird mit einem empfindlichen Spannungsmesser verbunden. Gegenüber der Spule wird ein Magnet in unterschiedlicher Weise bewegt. Dabei ist es egal, ob die Versuche mit einem Permanentmagneten oder einem Elektromagneten konstanter Stärke durchgeführt werden. Es ist auch egal, ob man die Spule oder den Magneten bewegt. Entscheidend ist die Relativbewegung zwischen beiden.

(1) Wird der Magnet in Richtung Spule oder von ihr weg bewegt (Bild 2), so entsteht eine Induktionsspannung. Sie ist umso größer, je schneller die Relativbewegung zwischen Spule und Magnet erfolgt.

(2) Wird der Magnet an der Spule vorbei nach vorn oder hinten, nach oben oder unten bewegt (Bild 2), so entsteht ebenfalls eine Induktionsspannung. Sie ist ebenfalls umso größer, je schneller die Relativbewegung zwischen Spule und Magnet erfolgt.

(3) Wird der Magnet um seine Längsachse gedreht, so ist keine Induktionsspannung nachweisbar.

  • Bei der Relativbewegung zwischen Spule und Magnet kann eine Induktionsspannung hervorgerufen werden.

(4) Wird eine Spule in einem homogenen Magnetfeld in der in Bild 3a angegebenen Weise bewegt, entsteht keine Induktionsspannung.

(5) Wird die Spule dagegen von außen in das Feld gebracht (Bild 3b) oder wird sie im magnetischen Feld gedreht (Bild 3c), so entsteht eine Induktionsspannung. Auch hier ist der Betrag von der Schnelligkeit der Bewegung bzw. der Drehung abhängig.

(6) Wird die Spule im Feld dagegen um ihre Längsachse gedreht (Bild 3d), so entsteht keine Induktionsspannung.

Vergleicht man alle diese Versuche miteinander, dann ergibt sich:
- Es wird dann eine Spannung induziert, wenn sich das von der Spule umschlossene Magnetfeld ändert. Es wird keine Spannung induziert, wenn das von der Spule umschlossene Magnetfeld gleich bleibt.
- Der Betrag der Induktionsspannung ist davon abhängig, wie schnell sich das von der Spule umschlossene Magnetfeld ändert.

  • Ob bei der Bewegung einer Spule in einem homogenen Magnetfeld eine Spannung entsteht, ist davon abhängig, wie die Spule bewegt wird.

Induktionsspannung durch Feldänderung bei ruhenden Geräten

Zur Untersuchung kann man eine Versuchsanordnung nutzen, wie sie in Bild 4 angegeben ist. Statt eines Eisenkerns kann man auch die felderzeugende Spule 1 und die Induktionsspule 2 räumlich getrennt nebeneinanderstellen.

(7) Ist der Schalter im Stromkreis mit Spule 1 geschlossen und fließt im Stromkreis in konstanter Gleichstrom, dann entsteht in Spule 2 keine Induktionsspannung. Das von Spule 2 umschlossene Magnetfeld in diesem Falle konstant.

(8) Wird der Strom ein- oder ausgeschaltet, so wird das Magnetfeld von Spule 1 auf- bzw. abgebaut. Dabei ist eine Induktionsspannung nachweisbar.

(9) Wird durch einen regelbaren Widerstand die Stromstärke und damit die Stärke des Magnetfeldes geändert, so entsteht in der Induktionsspule eine Spannung, solange sich das Magnetfeld ändert.

(10) Wird die Stromstärke und damit die Stärke des Magnetfeldes in unterschiedlichen Zeiten um einen bestimmten Betrag geändert, so ist die Induktionsspannung umso größer, je kürzer die Zeit ist. Der Betrag der Induktionsspannung hängt demzufolge von der Schnelligkeit der Magnetfeldänderung ab.

(11) Wird die Stromstärke und damit die Stärke des Magnetfeldes in gleichen Zeiten um einen unterschiedlichen Betrag geändert, so ist die Induktionsspannung umso größer, je stärker die Magnetfeldänderung ist.

Vergleicht man alle diese Versuche miteinander, dann ergibt sich:

  • Es wird dann eine Spannung induziert, wenn sich das von der Spule umschlossene Magnetfeld ändert. Es wird keine Spannung induziert, wenn das von der Spule umschlossene Magnetfeld gleich bleibt.
  • Der Betrag der Induktionsspannung ist davon abhängig, wie schnell und wie stark sich das von der Spule umschlossene Magnetfeld ändert.

Damit kommt man in Auswertung aller Grundversuche zu einer ersten Formulierung des Induktionsgesetzes , die folgendermaßen lautet:

In einer Spule wird eine Spannung induziert, wenn sich das von der Spule umfasste Magnetfeld ändert. Der Betrag der Induktionsspannung ist von der Schnelligkeit und der Stärke dieser Änderung abhängig.

Diese Zusammenhänge kann man genauer beschreiben, wenn man physikalische Größen einbezieht und quantitative Untersuchungen vornimmt, die experimentell oder theoretisch realisiert werden können. Ausführliche Informationen dazu sind in dem Beitrag „Das Induktionsgesetz“ zu finden.

  • Induktionsspannung durch Änderung des Magnetfeldes bei nicht zueinander bewegten Geräten
Lernhelfer (Duden Learnattack GmbH): "Grundversuche zur elektromagnetischen Induktion." In: Lernhelfer (Duden Learnattack GmbH). URL: http://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/physik-abitur/artikel/grundversuche-zur-elektromagnetischen-induktion (Abgerufen: 20. May 2025, 05:51 UTC)

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Joseph Henry

* 17.12.1797 in Albany
† 13.05.1878 in Washington

Er war ein bedeutender amerikanischer Physiker, der sich vor allem mit dem Elektromagnetismus beschäftigte und Elektromagnete für industrielle Zwecke entwickelte. Nach ihm ist die Einheit der Induktivität benannt worden.

Entdeckung der elektromagnetischen Induktion

Ausgangspunkt für die Entdeckung der Induktion waren Vorstellungen von der Einheit der Naturkräfte und vermutete Zusammenhänge zwischen Elektrizität und Magnetismus.
1820 bemerkte OERSTED in einem Versuch, dass eine Magnetnadel in der Nähe eines elektrischen Leiters abgelenkt wird, wenn man den Strom einschaltet. Andere Wissenschaftler, wie AMPÈRE und FARADAY, bauten die Versuche von OERSTED nach und entwickelten sie weiter. Dabei fand FARADAY 1831 die elektromagnetische Induktion.
Innerhalb von drei Monaten entwickelte er alle Grundversuche der Induktion und eine Urform eines elektrischen Generators.

Heinrich Friedrich Emil Lenz

* 12.02.1804 in Dorpat
† 10.02.1865 in Rom

Er war ein russischer Physiker deutscher Herkunft, der in St. Petersburg als Physikprofessor tätig war und sich insbesondere mit Problemen der Elektrizitätslehre beschäftigte. Er entdeckte das nach ihm benannte lenzsche Gesetz über die Richtung des Induktionsstromes.

Lenzsches Gesetz

HEINRICH FRIEDRICH EMIL LENZ (1804-1865) entdeckte 1833 bei seinen Untersuchungen zum elektrischen Strom und zu der von MICHAEL FARADAY (1791-1867) erforschten elektromagnetischen Induktion, dass die Richtung des Induktionsstromes nicht zufällig ist. Sie steht vielmehr in ursächlichem Zusammenhang mit der jeweiligen Ursache für das Entstehen einer Induktionsspannung. Es gilt:

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

Dieses Gesetz, das nichts anderes ist als der Energieerhaltungssatz für die elektromagnetische Induktion ist, wird nach seinem Entdecker als lenzsches Gesetz oder lenzsche Regel bezeichnet.

Selbstinduktion und Induktivität

Eine stromdurchflossene Spule wird von einem Magnetfeld durchsetzt und ist auch von diesem Feld umgeben. Bei konstanter Stromstärke ist dieses Feld zeitlich konstant. Verändert sich die Stromstärke, so verändert sich auch die Stärke des Magnetfeldes, das von der Spule umschlossen wird. Damit wird nach dem Induktionsgesetz in der felderzeugenden Spule selbst eine Spannung induziert. Diese Erscheinung wird als Selbstinduktion, die entstehende Spannung als Selbstinduktionsspannung bezeichnet. Der Bau der Spule, der für den Betrag der Induktionsspannung eine erhebliche Rolle spielt, wird durch die Größe Induktivität charakterisiert.

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