Induktion durch Bewegung in einer Spule.

1.) Leuchtdioden und ihre Funktion.

Für die Versuche im Film weiter unten auf dieser Seite werden Leuchtdioden benutzt.
Sie sind - genau wie normale Dioden - eine Art "Ventil" für Elektronen: sie lassen den Strom nur in einer Richtung passieren.
Wenn sie leiten, leuchten sie, in Sperrrichung leuchten sie nicht.

Der kurze Anschluß der Leuchtdiode ist die Kathode. Wird sie mit dem Minus-Pol einer Quelle verbunden, so leitet die Leuchtdiode und leuchtet.
(Merkspruch: kurz - Kathode(an -) -klappt)!
Die Spannung für das Leuchten liegt bei roten Leuchtdioden bei etwa 1,6 V bei blauen Leuchtdioden bis ca. 3 V.

Wenn also der Minus-Pol der Quelle am "Balken" im Schaubild liegt (er erinnert in seiner Form ebenfalls an ein - Zeichen), dann leitet die Leuchtdiode.
Liegt am "Balken" der Plus-Pol, so wird die Leuchtdiode (LED = light emitting diode) sperren und nicht leuchten.

2.) Induktion - Elektrizität selbst gemacht.

In dem Versuchsaufbau aus dem Film sind zwei Leuchtdioden parallel geschaltet, aber mit entgegengesetzter Polung..

Mehr Klarheit, bitte!

Hier ist die Diode, die leitet, in grüner Farbe, die Diode in Sperrrichtung in roter Farbe dargestellt.

Wird die Spule aus dem Magneten bewegt, ist an der gelben Leitung der Minuspol, an der roten Leitung der Pluspol der induzierten Spannung. Die linke Leuchtdiode ist also in Durchlassrichtung und leuchtet, die rechte Leuchtdiode ist in Sperrrichtung. Wird die Spule in den Magneten bewegt, ist an der gelben Leitung der Pluspol, an der roten Leitung der Minuspol der induzierten Spannung. Die rechte Leuchtdiode ist also in Durchlassrichtung und leuchtet, die linke Leuchtdiode ist in Sperrrichtung.

3.) Wie ist die induzierte Spannung jeweils gepolt?

Wir versuchen den Aufbau zu vereinfachen, um noch besser zu verstehen, was hier genau passiert.

Zunächst sieht man nur den Magneten und sein Feld, danach erscheint die Spule, die aus dem Magnet hinausbewegt werden soll, die vielen Spulenwindungen werden auf eine Windung reduziert, die Windung wird oben aufgetrennt, so dass man die Induktionsspannung dort abgreifen kann.

Wird die Leiterschleife im Magnetfeld nach rechts bewegt, so wirkt nach der Drei-Finger-Regel der linken Hand die Lorentzkraft auf die Elektronen nach vorn. (A) in den Seitenteilen des Leiters ist sie ohne Wirkung, weil die Elektronen quer zum Leiter bewegt werden. Die Seitenteile tragen daher zu Induktion nichts bei. (B) im unteren Stück wirkt die Kraft auf die Elektronen in Richtung des Leiters. Sie werden also zur vorderen, unteren Kante hin verschoben

Wir können uns also für die weitere Betrachtung die Seitenteile sparen! Der untere Teil wird als "Stange" im Magneten nach unten verschoben und läuft in der weiteren Betrachtung auf einer Art Schiene.

4.) Solange die Stange rollt, wird eine Spannung induziert.

Bewegt sich die Stange, haben die Elektronen in der Stange gar keine andere Wahl : sich müssen sich mit der Stange in der schwarz eingezeichneten Richtung (nach links oder rechts) mitbewegen.
Weil dies im Magnetfeld passiert, wirkt auf die bewegten Elektronen die Lorentzkraft.
Die Richtung der Lorentzkraft findest du mit der Drei-Finger-Regel der linken Hand.

Dies führt zu einer Ladungstrennung, zwischen den Enden der bewegten Stange entsteht eine Spannung.

Hier ist die Hin- und Herbewegung in der vereinfachten Animation. Beachte, wie sich die Richtung der Lorentzkraft auf die Elektronen - und damit die Polung an den Enden - umkehrt, wenn sich die Bewegungsrichtung der Stange ändert. Ist die Stange in Ruhe, gibt es keine Kraft und damit auch keine Induktionsspannung. (Das letzte Bild bleibt nur noch eine Weile stehen, damit man sich die Richtung der Bewegung, des Magnetfeldes und der Lorentzkraft besser ansehen kann.) Das vordere Ende der Stange entspricht der Buchse mit der gelben Leitung aus dem Experiment, das hintere Ende dem Anschluß mit der roten Leitung.

Zum Vergleich hier noch einmal der Film des richtigen Experiments.

5.) Der Magnet wird umgedreht.

In der folgenden Filmaufnahme wurde der Magnet umgedreht. Der Südpol (grün) ist nun oben, der Nordpol (rot) unten.
Das Magnetfeld zeigt also von unten nach oben.

Klicke mit der linken Maustaste in das Filmbild und betrachet den Film wieder langsam, indem du den Film mit den Pfeiltasten Bild für Bild weiterschaltest.

2.) Was den Betrag der Induktionsspannung bestimmt.

Wer genau beobachtet, nimmt mehr wahr.

A) Induktionsspannung und die Geschwindigkeit der Bewegung.

In den beiden Filmen wird die Spule in den Magneten hineinbewegt und aus ihm hinausbewegt.
Wenn die Richtung gewechselt wird (ganz innen und ganz außen) muss die Spule langsamer bewegt werden.

Sieh' dir das Leuchten der Leuchtdioden an diesen Stellen genau an und vergleiche mit der Helligkeit des Leuchtens wenn die Spule in der Mitte bewegt wird.

• Was fällt auf?
• Wovon hängt also die Größe der induzierten Spannung wohl ab?

Überprüfe deine Vermutung nach Möglichkeit in einem eigenen Experiment!
Bewege dazu die Spule verschieden schnell im Magneten.

B) Induktionspannung und die Windungszahl der Spule.

Verwende in einer Experimentalreihe Spulen unterschiedlicher Windungszahl und Abmessungen.

Sicher wirst du feststellen, dass bei gleicher Bewegungsgeschwindigkeit, die Induktionsspannung um so größer ist, je mehr Windungen die Spule hat:
das ist ja auch klar, denn dann wirken mehr Leiterteile als "Mini-Spannungsquellen" zusammen!

Die Grundlänge d entspricht dabei der Länge des Teils der Stange, der zwischen den Schienen ist, bzw. (etwa) der Breite der Spule unten.

Genaue Untersuchungen ergeben folgenden Zusammenhang:

Dabei ist : n - die Windungszahl, d - die Grundlänge der Spule, v - die Geschwindigkeit, mit der die Spule bewegt wird, B - die magnetische Flussdichte.

C) Eine Anregung für "Profis" und Knobelfreunde.

Versuche folgende Aufgabe zu lösen:

Welche Stärke (magn. Flussdichte B) hat das Magnetfeld des verwendeten Hufeisenmagneten ungefähr?

Du denkst diese Aufgabe ist nicht lösbar? - Falsch!

Ein paar Informationen über die Abmessungen und die Filmaufnahme brauchst du noch für eine Abschätzung:

• die Leuchtdioden mögen bei U = 2,0 V kräftig leuchten,
• die verwendete Spule hat 3600 Windungen,
• die Grundlänge der Spule ist etwa 8 cm,
• die Länge der Schenkel des Hufeisenmagneten beträgt etwa 12 cm, der Weg der Spule somit etwa 10 cm,
• die Filmaufnahme erfolgte mit 15 Bildern je Sekunde.

Findest du die Lösung?

(Die Geschwindigkeit ist ca. 0,2 m/s oder 0,25 m/s, daraus ergibt sich eine magnetische Flussdichte von ca. 15 mT.)

Grüninger, Landesbildungsserver 2005