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Selbstinduktion

Nach dem Induktionsgesetz wird in jeder Spule, die von einem Magnetfeld veränderlicher Stärke umschlossen wird, eine Spannung induziert. Schaltet man den durch eine Spule fließenden Gleichstrom aus, dann bricht das Magnetfeld der Spule zusammen, verändert also seine Stärke und induziert deshalb in der Spule selbst eine Spannung. Diesen Vorgang bezeichnet man als Selbstinduktion.

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Nach dem Induktionsgesetz wird in jeder Spule, die von einem Magnetfeld veränderlicher Stärke umschlossen wird, eine Spannung induziert. Schaltet man den durch eine Spule fließenden Gleichstrom aus, dann bricht das Magnetfeld der Spule zusammen, verändert also seine Stärke und induziert deshalb in der Spule selbst eine Spannung. Diesen Vorgang bezeichnet man als Selbstinduktion.

Die Selbstinduktion einer Spule kann man durch ein einfaches Experiment nachweisen (Bild 1). Dazu vergleicht man den Ausschaltvorgang einer Glühlampe in zwei Gleichstromkreisen. In einem dieser Gleichstromkreise befinden sich in Reihenschaltung eine Spule, eine Glühlampe und ein Schalter. Der zweite Gleichstromkreis ist mit identischen Bauteilen und identischer Stromversorgung ebenso aufgebaut, besitzt aber keine Spule. Unterbricht man in beiden Stromkreisen gleichzeitig die Spannungsversorgung, dann verlöscht die Glühlampe im einfachen Kreis sofort, während die Glühlampe im Spulenkreis noch etwas länger aufleuchtet und dann allmählich verblasst. Dieselbe Beobachtung kann man auch in einem einfach verzweigten Gleichstromkreis durchführen, in dem sich die Spule mit Glühlampe und ein ohmscher Widerstand mit Glühlampe in Parallelschaltung befinden. Beim Einschaltvorgang leuchten die Lampen in umgekehrter Reihenfolge auf.

  • Parallelschaltung von ohmschem und induktivem Widerstand

Diese Beobachtung ist mit dem Induktionsgesetz und dem lenzschen Gesetz zu verstehen:
Beim Abschalten der Spannung hört im einfachen Stromkreis der Stromfluss sofort auf. Die Glühlampe verlöscht. Im Spulenkreis bricht nach dem Ausschalten das Magnetfeld der Spule zusammen. Dadurch wird in der Spule eine Spannung induziert, die einen Stromfluss bewirkt. Nach dem lenzschen Gesetz ist der induzierte Strom so gerichtet, dass er der Ursache seiner Entstehung entgegen wirkt. Er versucht also, den Abbau des Magnetfeldes zu verzögern und ist deshalb genau so gerichtet, wie der ursprüngliche Stromfluss durch die Spule. Durch die Selbstinduktion in der Spule fließt also im Spulenkreis auch nach dem Abschalten noch eine gewisse Zeit ein Strom, was man am längeren Leuchten der Glühlampe bemerkt.

Durch Wiederholung des beschriebenen Versuches mit Spulen unterschiedlicher Induktivität kann man feststellen, dass die Glühlampe umso länger leuchtet, je größer die Induktivität L der Spule ist. Offenbar ist bei hohen Spuleninduktivitäten die selbstinduzierte Spannung U besonders hoch, weshalb man vermuten kann:

U i ~L

Die induzierte Spannung ist zur Induktivität der Spule direkt proportional.
Nach dem Induktionsgesetz ist die induzierte Spannung umso größer, je schneller sich die Stromstärke ändert. Unter der Bedingung einer gleichmäßigen zeitlichen Änderung der Stromstärke I gilt deshalb:

U i ~ Δ I Δ t

Der Ausdruck Δ I Δ t ist kleiner als null, weil der Strom beim Abschalten kleiner wird. Daher versieht man ihn mit einem negativen Vorzeichen, um eine positive Induktionsspannung zu erhalten. Insgesamt gilt:

U i = − L ⋅ Δ I Δ t

Lernhelfer (Duden Learnattack GmbH): "Selbstinduktion." In: Lernhelfer (Duden Learnattack GmbH). URL: http://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/physik/artikel/selbstinduktion (Abgerufen: 29. June 2025, 13:03 UTC)

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  • Lenzsches Gesetz
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Anwendungen zur elektromagnetischen Induktion

Die elektromagnetische Induktion wird in vielfältiger Weise genutzt. Die Wirkungsweise von Generatoren zur Erzeugung von Elektroenergie und von Transformatoren zur Umformung dieser Energie basieren auf dem Induktionsgesetz. Weitere Beispiele für die Anwendung der elektromagnetischen Induktion sind Induktionsspulen zur Schaltung von Ampeln, Metalldetektoren, Induktionsherde und das Induktionshärten, Fehlerstromschutzschalter oder dynamische Mikrofone. Ausgewählte Beispiele werden in diesem Beitrag erläutert.

Generatoren

Generatoren dienen der Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie. Dabei wird das Induktionsgesetz genutzt. Fast alle Generatoren arbeiten nach dem Rotationsprinzip: Durch ein rotierendes Magnetfeld werden in fest stehenden Induktionsspulen Spannungen induziert (Innenpolmaschine) oder in rotierenden Induktionsspulen werden durch ein fest stehendes Magnetfeld Spannungen induziert (Außenpolmaschine).
Für die Elektroenergieversorgung nutzt man zumeist sinusförmigen Wechselstrom, dessen Entstehung für den elementaren Fall der gleichförmigen Rotation einer Leiterschleife in einem homogenen Magnetfeld leicht aus dem Induktionsgesetz ableitbar ist.

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.

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.

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.

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