(Elektro-) Magnetische Induktion

In den vorherigen Kapiteln haben wir uns mit dem Aufbau von Magneten beschäftigt, dabei haben wir gesehen, dass ein stromdurchflossener Leiter ein Magnetfeld erzeugt. Dies nutzt man im Alltag zur Konstruktion von Elektromagneten. Der umgekehrte Prozess, die Erzeugung einer elektrischen Spannung mit Hilfe eines Magnetfeldes, findet auch vielseitige Anwendung in der Technik, beispielsweise als Fahrraddynamo.

Nun wollen wir uns dieses Phänomen genauer ansehen und v.a. wie man es “berechnen” kann. Die magnetische Induktion (auch Faradaysche Induktion genannt) ist ein physikalischer Vorgang, bei dem ein elektrisches Feld durch Änderung der magnetischen Flussdichte entsteht (daneben gibt es noch die Induktion durch einen bewegten Leiter in einem homogenen Magnetfeld). Mit anderen Worten, es ist ein Vorgang, bei dem “Bewegung” in elektrische Energie umgewandelt wird. Dies geschieht z.B. indem ein Leiter durch ein Magnetfeld bewegt wird. Hierbei entsteht die sog. Induktionsspannung.

Wie entsteht die magnetische Induktion?

Man bewegt beispielsweise einen Magneten durch eine Spule (wichtig: geschlossener Leiter), also an einem Stück Draht vorbei. In diesem Metall befinden sich frei-bewegliche, elektrisch negativ geladene Elektronen (sog. Elektronengas -> siehe Metallbindung), die sich leicht bewegen lassen (wie jeder sicher weiß, übt ein Magnet eine Wirkung auf elektrische geladene Teilchen aus). Diese Elektronen werden durch die Lorentzkraft, die das bewegte Feld des Magneten (auf die Elektronen innerhalb des metallischen Leiters wirkt die Lorentzkraft) auf die Elektronen verursacht, innerhalb des Leiters bewegt und erzeugen somit eine elektrische Spannung (Induktionsspannung) und letztendlich ein Stromfluss (Induktionsstrom).

Wie kann man die Größe der magnetischen Induktion ungefähr abschätzen?
Im Allgemeinen wird die Induktionsspannung  in einer Spule umso größer, je

• größer die Querschnittsfläche der Spule ist.
• je höher die Anzahl an Windungen der Spule ist.
• je stärker sich das Magnetfeld ändert.
• je schneller sich das Magnetfeld ändert.

Welche Möglichkeiten der Induktion gibt es?

• Eine Leiterschleife (Spule) befindet sich in einem Magnetfeld, dass sich ständig ändert. Die Formel zur Berechnung der Induktionsspannung lautet hierfür folgendermaßen:

• Ein Leiter bewegt sich durch ein homogenes Magnetfeld. Die Formel zur Berechnung der Induktionsspannung lautet folgendermaßen:

Woher weiß man, in welche Richtung der Stromfluss ist (bei einem durch ein Magnetfeld bewegten Leiter)?

Wie nun das elektrische Feld induziert wird, kann man ähnlich wie bei der Lorentzkraft (Dreifinger-Regel) herleiten.

• Dazu legt man die Hand auf eine Oberfläche, die Handfläche zeigt dabei nach oben, der Daumen ist dabei abgespreizt (ca. 90° Winkel)
• Die Mangnetfeldlinien zeigen senkrecht (von oben nach unten) auf die Handfläche.
• Der abgespreizte Daumen zeigt die Bewegungsrichtung des Leiters an.
• Die gestreckten Finger zeigen die Flussrichtung des Stromes an