Physik Realschule Bayern › Elektrizitätslehre › Jahrgangsstufe 10

Elektromagnetische Induktion und Lenz-Regel

Physik · Realschule · Jahrgangsstufe 10 · Bayern · Teilbereich Elektrizitätslehre

Im Lernbereich Elektrizitätslehre der 10. Jahrgangsstufe beschreiben Lernende die elektromagnetische Induktion, von welchen Größen die Induktionsspannung abhängt, und wenden die Regel von Lenz an. Wirbelströme und die Lenz-Regel erklären Wirbelstrombremsen. Die Induktion ist die Grundlage für Generator und Transformator.

Spannung durch ein sich änderndes Magnetfeld

Bisher galt: Strom erzeugt ein Magnetfeld (Elektromagnet). Jetzt kommt die Umkehrung: Ein sich änderndes Magnetfeld erzeugt in einer Spule eine Spannung. Dieser Vorgang heißt elektromagnetische Induktion, die Spannung Induktionsspannung. Bewegt man einen Magneten in eine Spule hinein oder aus ihr heraus, zeigt ein Messgerät einen Ausschlag, solange die Bewegung dauert. Steht der Magnet still, wird keine Spannung induziert.

Merke: Eine Induktionsspannung entsteht nur, wenn sich das Magnetfeld in der Spule ändert. Der Betrag ist umso größer, je mehr Windungen die Spule hat, je stärker die Feldänderung ist und je schneller sie erfolgt.

Beispiel 1: Wovon die Induktionsspannung abhängt

In einer Versuchsreihe bewegt man einen Magneten verschieden schnell und mit verschieden vielen Windungen in eine Spule. Was erhöht die Induktionsspannung?

Änderung	Induktionsspannung
Magnet schneller bewegen	größer
stärkerer Magnet	größer
mehr Windungen	größer
Magnet stillhalten	null

Antwort: Schnellere Bewegung, stärkeres Feld und mehr Windungen erhöhen die Induktionsspannung. Ohne Bewegung (ohne Feldänderung) wird gar keine Spannung induziert. Bei geschlossenem Stromkreis fließt dann ein Induktionsstrom.

Die Regel von Lenz

Merke: Regel von Lenz: Der Induktionsstrom ist immer so gerichtet, dass sein eigenes Magnetfeld der Ursache seiner Entstehung entgegenwirkt.

Schiebt man einen Nordpol in eine Spule, baut der Induktionsstrom an der Eintrittsseite selbst einen Nordpol auf, der den Magneten abstößt, also der Bewegung entgegenwirkt. Zieht man den Magneten wieder heraus, dreht sich der Strom um und zieht ihn zurück. Die Regel von Lenz ist eine Folge des Energieerhaltungssatzes: Man muss gegen diese Kraft Arbeit verrichten, und diese Arbeit wird zur elektrischen Energie.

Beispiel 2: Die Lenz-Regel anwenden

Ein Nordpol wird in eine Spule geschoben. Welchen Pol bildet die Spule an der Eintrittsseite, und was bedeutet das für die Bewegung?

Antwort: Die Spule bildet an der Eintrittsseite einen Nordpol, der den herannahenden Nordpol abstößt. So wirkt der Induktionsstrom seiner Ursache (dem Hineinschieben) entgegen. Man muss also gegen diese Abstoßung drücken, und genau diese Arbeit wird in elektrische Energie umgewandelt. Würde der Strom in die andere Richtung fließen, entstünde Energie aus dem Nichts, das ist unmöglich.

Wirbelströme

Ändert sich das Magnetfeld nicht in einer Spule, sondern in einem massiven Metallkörper, werden darin kreisende Wirbelströme induziert. Auch sie wirken nach der Lenz-Regel ihrer Ursache entgegen und bremsen die Bewegung. Das nutzt man bei der Wirbelstrombremse, etwa in Zügen und Achterbahnen, und erklärt, warum eine Metallscheibe, die durch ein Magnetfeld pendelt, schnell zur Ruhe kommt.

Beispiel 3: Die Wirbelstrombremse

Warum wird eine Aluminiumscheibe, die durch den Spalt eines Magneten schwingt, viel schneller abgebremst als ohne Magnet, obwohl Aluminium gar nicht magnetisch ist?

Antwort: Beim Durchqueren des Magnetfelds ändert sich das Feld in der Scheibe. Dadurch werden Wirbelströme induziert. Nach der Lenz-Regel wirken sie der Bewegung entgegen und bremsen die Scheibe. Die Bewegungsenergie wird dabei in innere Energie (Wärme) der Scheibe umgewandelt. Diese berührungslose Bremse nutzt man in Zügen und Freizeitparks; sie verschleißt nicht wie eine Reibungsbremse.

Typische Fehler und Prüfungstipps

Spannung ohne Bewegung: Nur eine Änderung des Magnetfelds induziert eine Spannung. Ein ruhender Magnet in der Spule bewirkt nichts.
Lenz-Regel falsch herum: Der Induktionsstrom wirkt seiner Ursache entgegen, er stößt den hineingeschobenen Magneten ab und hält den herausgezogenen fest.
Lenz-Regel verletzt die Energieerhaltung: Im Gegenteil, sie folgt aus ihr. Ein Induktionsstrom, der die Bewegung unterstützte, würde Energie aus dem Nichts liefern.
Wirbelströme nur in magnetischen Stoffen: Sie entstehen in jedem Metall (auch Aluminium, Kupfer), weil es ein elektrischer Leiter ist.
Induktion mit dem Elektromagneten verwechselt: Elektromagnet: Strom erzeugt Feld. Induktion: Feldänderung erzeugt Spannung. Das ist die Umkehrung.