Physik · Klasse 9–10 · aktualisiert
Elektromagnetische Induktion einfach erklärt
Erkenne, wie Flussänderungen Spannung erzeugen und Generator, Transformator und Selbstinduktion erklären.
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Kurz gesagt
Elektromagnetische Induktion erzeugt eine Spannung, wenn sich der magnetische Fluss durch eine Schleife ändert. Beim Hineinbewegen eines Magneten in eine Spule zeigt ein Spannungsmesser einen Ausschlag; beim Stillstand verschwindet er.
Eine Induktionsspannung entsteht, wenn sich der magnetische Fluss durch eine Leiterschleife oder Spule ändert. Ein Magnetfeld allein genügt nicht: Entscheidend ist seine zeitliche Änderung durch die Schleife.
Deine Lernziele
Hake ab, was du schon kannst. Löst du alle Aufgaben eines Abschnitts, hakt Mela das Ziel für dich ab.
4 Abschnitte
Ein Spannungsmessgerät ist mit einer Spule verbunden. Beim Hineinschieben eines Stabmagneten schlägt es aus. Ruht der Magnet anschließend, fällt die Spannung auf null. Beim Herausziehen entsteht eine Spannung mit umgekehrter Polung.
Der magnetische Fluss beschreibt, wie stark ein Magnetfeld eine Fläche durchsetzt. Für eine ebene Schleife in einem homogenen Feld gilt:
\Phi=B\cdot A\cdot\cos(\varphi)
\Phi ist der Fluss in Weber (Wb), B die Flussdichte in Tesla (T) und A die vom Feld durchsetzte Fläche in Quadratmetern (\mathrm{m^2}). Der Winkel \varphi liegt zwischen dem Feld und dem Flächenvektor, der senkrecht zur Schleife steht. Bei \varphi=0^\circ ist der Fluss am größten, bei 90^\circ null.
Eine Flussänderung kann entstehen, wenn sich B, die wirksam durchsetzte Fläche A oder die Orientierung \varphi ändert. Bewegung im homogenen Feld ohne eine solche Änderung erzeugt in der gesamten Schleife keine Spannung.
Definition
Elektromagnetische Induktion
Elektromagnetische Induktion ist die Entstehung einer elektrischen Spannung durch eine zeitliche Änderung des magnetischen Flusses. Die entstehende Spannung heißt Induktionsspannung.
Merke: Nicht das bloße Vorhandensein eines Magnetfeldes induziert eine Spannung, sondern die Änderung des magnetischen Flusses.
Beispiel
- 1Eine Leiterschleife liegt vollständig in einem homogenen Magnetfeld, das ihre Fläche senkrecht durchsetzt. Die Schleife wird verschoben, aber weder B, A noch \varphi ändern sich. Damit bleibt auch \Phi konstant. Trotz der Bewegung entsteht in der gesamten Schleife keine Induktionsspannung.
- 2Wird die Schleife dagegen in den Feldbereich hinein- oder aus ihm herausbewegt, ändert sich die durchsetzte Teilfläche A. Dann ändert sich der Fluss und eine Spannung entsteht.
Teste dich
Das Minuszeichen im Induktionsgesetz beschreibt die Gegenwirkung. Für eine gleichmäßige Flussänderung gilt im gewählten Zeitabschnitt:
U_{\mathrm i}=-N\cdot\frac{\Delta\Phi}{\Delta t}
N ist die Zahl gleicher Windungen, \Delta\Phi die Änderung des Flusses pro Windung und \Delta t die benötigte Zeit. Die Spannungen der Windungen addieren sich. Bei zunehmendem äußerem Fluss wirkt das induzierte Feld der Zunahme entgegen. Bei abnehmendem Fluss unterstützt es die bisherige Feldrichtung und hemmt so die Abnahme.
Um einen Magneten gegen diese Wirkung zu bewegen, muss von außen Arbeit verrichtet werden. Diese Energie kann im geschlossenen Stromkreis als elektrische Energie übertragen werden.
Definition
Lenzsche Regel
In einem geschlossenen Stromkreis ist der Induktionsstrom so gerichtet, dass sein eigenes Magnetfeld der verursachenden Flussänderung entgegenwirkt.
Beispiel
- 1Ein Magnet nähert sich einer geschlossenen Spule.
- 2Der magnetische Fluss durch die Spule nimmt zu.
- 3Der Induktionsstrom erzeugt deshalb ein Magnetfeld, das dieser Zunahme entgegenwirkt.
- 4Beim Entfernen des Magneten kehrt sich die Stromrichtung um, damit das induzierte Feld die Abnahme des Flusses bremst.
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Ein Leiter, der sich quer zu einem Magnetfeld bewegt, trägt seine Ladungen mit. Hat die Lorentzkraft einen Anteil entlang des Leiters, verschiebt sie Elektronen zu einem Leiterende. Die Ladungstrennung erzeugt dann eine Spannung. Sie wächst bei gleichförmiger Bewegung, bis sich elektrische Kraft und Lorentzkraft ausgleichen.
Ein Generator wandelt mechanische in elektrische Energie um: Eine Spule rotiert im Magnetfeld oder ein Magnet bewegt sich relativ zur Spule so, dass sich der Fluss fortlaufend ändert. Die äußere Kraft liefert die mechanische Arbeit; in einem geschlossenen Stromkreis kann elektrische Energie übertragen werden.
Beim Transformator erzeugt Wechselstrom in der Primärwicklung ein veränderliches Magnetfeld im gemeinsamen Kern. Dieses durchsetzt die Sekundärwicklung und induziert dort Spannung. Mehr Sekundärwindungen ergeben bei gleichem veränderlichem Fluss pro Windung eine höhere Spannung. Eine unveränderte Gleichspannung erzeugt nach dem Einschaltvorgang keine dauerhafte Sekundärspannung.
Beim kabellosen Laden durchsetzt das veränderliche Feld einer Sendespule eine nahe Empfangsspule. Auch dort entsteht eine Induktionsspannung.
Merke: Bewegung kann eine Spannung erzeugen, wenn sie den magnetischen Fluss einer Schleife ändert oder Ladungen in einem Leiter durch die Lorentzkraft trennt. Eine beliebige Bewegung im Magnetfeld genügt nicht.
Beispiel: Die Energiekette lautet
- 1Eine äußere Kraft verrichtet mechanische Arbeit.
- 2Die Bewegung verändert den magnetischen Fluss.
- 3Die Flussänderung erzeugt eine elektrische Spannung.
- 4In einem geschlossenen Stromkreis kann elektrische Energie übertragen werden.
Teste dich
Bei gleichmäßiger Flussänderung berechnest du den Betrag der mittleren Spannung mit:
|U_{\mathrm i}|=N\cdot\frac{|\Delta\Phi|}{\Delta t}
Die Polung folgt aus gewählter Orientierung und Lenzscher Regel. Ändert sich der Strom in einer Spule, ändert sich ihr eigenes Magnetfeld. Die dabei entstehende Selbstinduktionsspannung hemmt den Stromanstieg beim Einschalten. Beim Ausschalten hemmt sie den Stromabfall, sofern ein geschlossener Stromweg bestehen bleibt. Im Magnetfeld der Spule ist Energie gespeichert.
Beispiel
- 1Bei einer Spule mit N=50 Windungen steigt der magnetische Fluss pro Windung in \Delta t=0{,}020\,\mathrm{s} von 0{,}002\,\mathrm{Wb} auf 0{,}008\,\mathrm{Wb}.
- 2Zuerst bestimmst du die Flussänderung:
- 3\Delta\Phi=0{,}008\,\mathrm{Wb}-0{,}002\,\mathrm{Wb}
- 4\Delta\Phi=0{,}006\,\mathrm{Wb}
- 5Dann setzt du die Werte ein:
- 6|U_{\mathrm i}|=50\cdot\frac{0{,}006\,\mathrm{Wb}}{0{,}020\,\mathrm{s}}
- 7|U_{\mathrm i}|=15\,\mathrm{V}
- 8Der Betrag der mittleren Induktionsspannung beträgt 15\,\mathrm{V}.
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Alles auf einen Blick
Elektromagnetische Induktion
Voraussetzung
Eine zeitliche Flussänderung erzeugt Induktionsspannung.
Ursachen
Feldstärke, durchsetzte Fläche oder Orientierung können den Fluss ändern.
Stärke
Schnellere Änderung und mehr Windungen erhöhen den Spannungsbetrag.
Richtung
In einem geschlossenen Stromkreis hemmt der Induktionsstrom die verursachende Flussänderung.
Anwendungen
Generator und Transformator nutzen veränderlichen Fluss.
Selbstinduktion
Stromänderung erzeugt eine Gegenspannung in der Spule.
Musteraufgabe · Schritt für Schritt
Spule beim Laden ohne Kabel
- 1Eine Sendespule wird von Wechselstrom durchflossen; ihr Magnetfeld ändert sich.
- 2Das wechselnde Feld durchsetzt eine nahe Empfangsspule und ändert dort den magnetischen Fluss.
- 3In der Empfangsspule entsteht deshalb eine Spannung; bei geschlossenem Stromkreis kann Energie übertragen werden.
Fehler finden
Magnet vor einer Messspule In einer Zeile steckt ein Fehler. Tippe sie an.
Fehler in Zeile 3Die dritte Zeile ist falsch: Konstanter Fluss erzeugt keine Induktionsspannung; richtig ist „Es entsteht keine Induktionsspannung.“
Lückentext
Wähl in jeder Lücke das passende Wort und prüf dann deine Antworten.
Die magnetische Flussdichte trägt das Formelzeichen . Die wirksame Fläche trägt das Formelzeichen . Eine Induktionsspannung kann entstehen, wenn sich die Flussdichte , die wirksame Fläche ändert oder die Orientierung ändert.
Karteikasten
Erst selbst überlegen, dann umdrehen.
Übung mit Feedback