Induktion 1. Art - Eine Spule wird in einem Hufeisenmagneten verschoben.

Kennst du die beiden parallel geschalteten Leuchtdioden und ihre Funktion?
Falls nein, solltest du zunächst diese Seite durcharbeiten, um den Versuch zu verstehen.

1.) Die seltsame Blinkschaltung.....

In diesem Aufbau gibt es keine Batterie und kein Netzgerät. Die Leuchtdioden zeigen an, dass an den Anschlüssen der Spule eine elektrische Spannung entsteht, wenn die Spule bewegt wird.

Diesen Vorgang nennt man Induktion.

Beim Herausbewegen der Spule aus dem Magneten leuchtet die linke Leuchtdiode. Beim Hineinbewegen die rechte Leuchtdiode auf.

Offenbar ist auch die Polung dieser Induktionsspannung je nach Bewegungsrichtung verschieden.

2.) .... und ihre Erklärung.

Wie kommt es zu der Induktionsspannung?

Im Draht der Spule gibt es freie Elektronen. Wird die ganze Spule bewegt, dann müssen die Elektronen diese Bewegung mitmachen, sie können den Draht nicht verlassen.
Von der Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter her weißt du aber, dass auf bewegte Elektronen in einem Magnetfeld die Lorentzkraft wirkt.
Man kann die Richtung der Lorentzkraft mit der Drei-Finger-Regel der linken Hand finden.

Wie wirkt die Lorentzkraft hier?

2.1.) Bewegung aus dem Magneten heraus - das einzelne Leiterstück hilft beim Denken.

Damit es einfacher wird, betrachten wir zunächst eine Stange, die aus dem Magneten hinaus bewegt wird.

Die Elektronen bewegen sich mit der Stange nach rechts. Das Magnetfeld deutet nach oben. Die Lorentzkraft zeigt zum hinteren Ende der Stange.
Dorthin werden sich die Elektronen bewegen. Am vorderen Ende der Stange werden sie fehlen.

Die Stange wird dadurch zu einer kleinen Spannungsquelle mit Minuspol hinten und Pluspol vorn.

Die Spule - Zusammenwirken vieler Leiterstücke.

Kehren wir nun zu der Spule zurück.

Induktion tritt in der Spule vor allem im in den unteren Leiterteilen auf, die im homogenen Feld zwischen den Schenkeln des Hufeisenmagneten sind. In der folgenden Animation blenden wir daher den oberen Teil der Spule aus.
Die Spule soll nach rechts bewegt werden. Wir verzichten in der Animation aber auf diese Bewegung, damit es nicht zu unübersichtlich wird.

Jedes einzelne Leiterstück im unteren Teil der Spule entspricht dann einer "Stange" aus der Animation von oben.
Also ist hinten jeweils ein Minuspol, vorn ein Pluspol. Jedes einzelne Leiterstück ist dabei über den Spulendraht mit dem benachbarten Leiterstück verbunden.

Im letzten Bild der Animation ist die Richtung der Lorentzkraft wieder in rot eingezeichnet.

Wie wirken die Leiterteile zusammen?

Die Startzeichnung der nächsten Animation ist die letzte Zeichnung aus der Animation darüber, nur ist hier der Magnet und das Magnetfeld weggelassen worden.
Die Leitungen wurden ergänzt. Die Richtung der Bewegung und die der Lorentzkraft fehlt.

Viele Windungen - große Induktionsspannung

Jedes einzelne Leiterstück wirkt wie eine kleine Spannungsquelle.

Beachte, dass der Plus-Pol der ersten Spannungsquelle ( ganz rechts ) mit dem Minus-Pol der zweiten Spannungsquelle ( links daneben ) verbunden ist.
Der Plus-Pol der zweiten Spannungsquelle mit dem Minus-Pol der dritten Spannungsquelle usw.

Du kennst dies von Batterien: die Spannungen addieren sich.

Die Induktionsspannung wird also um so größer sein, je mehr Leiterstücke zusammenwirken, also je mehr Windungen die Spule hat.

Zum Vertiefen der Drei-Finger-Regel gibt es hier noch einmal ein Bild. Es ist das 50. Bild aus dem Video von oben, mit weiteren farbigen Eintragungen.

Hier wird die Spule nach vorn bewegt. In diese Richtung müssen sich die Elektronen im Leiter mitbewegen (Daumen).

Das Magnetfeld verläuft vom Nordpol (unten) zum Südpol (oben) - Zeigefinger.

Die Richtung der Lorentzkraft ist also nach hinten. (vgl. oben)

Die graue Leitung ist so mit dem Pluspol der Induktionsspannung verbunden, die rote Leitung mit dem Minuspol.
Daher ist die linke Leuchtdiode in Durchlassrichtung und leuchtet, die rechte Leuchtdiode sperrt.

2.2.) Bewegung in den Magneten hinein.

Wird die Spule in den Magneten bewegt, müssen sich auch die Elektronen in diese Richtung bewegen. Dadurch dreht sich die Richtung der Lorentzkraft und damit die Polung der Induktionsspannung um. (Überlege mit der Drei-Finger-Regel nach).

Im Weiteren gilt natürlich dieselbe Überlegung wie bei der Bewegung aus dem Magneten von oben.

Bei Bewegung in die Spule leuchtet daher die rechte Leuchtdiode und die linke Leuchtdiode ist in Sperrrichtung.

2.3.) Ein Umdrehen des Magneten ändert die Polung ebenfalls.

Wenn man den Magneten umdreht, so ändert sich die Richtung der Feldlinien und damit natürlich auch die Richtung der Lorentzkraft.
Die Induktionsspannung ist nun jeweils umgekehrt gepolt wie im Film oben auf der Seite:

Das Magnetfeld (Zeigefinger) verläuft nun von oben nach unten.

Bei Bewegung aus der Spule (Daumen nach rechts), zeigt die Lorentzkraft nach vorn.
An der grauen Leitung ist der Minuspol, an der roten Leitung der Pluspol der Induktionsspannung.
Die rechte Leuchtdiode ist in Durchlassrichtung, die linke Leuchtdiode sperrt.

Beim Bewegen in die Spule (Daumen nach links), zeigt die Lorentzkraft nach hinten.
An der grauen Leitung ist nun der Pluspol, an der roten Leitung der Minuspol der Induktionsspannung.
Die linke Leuchtdiode ist nun in Durchlassrichtung, die rechte Leuchtdiode sperrt.

2.4.) Ein direkter Vergleich bringt Klarheit.

Der Vergleich der beiden bewegten Stangen - als Ersatz für die vielen Windungen der Spule - zeigt dies besonders deutlich:

(Überlege jeweils die Richtung der Lorentzkraft mit der Drei-Finger-Regel der linken Hand nach!).

Magnetfeld zeigt nach oben Stange rollt nach außen Lorentzkraft nach hinten	Magnetfeld zeigt nach unten Stange rollt nach außen Lorentzkraft nach vorn

Magnetfeld zeigt nach oben Stange rollt nach innen Lorentzkraft nach vorn	Magnetfeld zeigt nach unten Stange rollt nach innen Lorentzkraft nach hinten

3.) Was bestimmt, wie groß die Induktionsspannung wird?

Einen Faktor, wovon die Größe der Induktionsspannung abhängt (man sagt auch fachlich korrekter der Betrag der Induktionsspannung), haben wir schon oben entdeckt:

je größer die Zahl der Windungen der Spule, desto größer der Betrag der Induktionsspannung.

Bewege dieselbe Spule einmal schnell und einmal langsam im Feld eines Hufeisenmagneten!
Du wirst sicher bemerken, dass bei schneller Bewegung die Leuchtdioden heller leuchten. Dies bedeutet aber, dass dann der Betrag der Induktionsspannung größer ist.

Im folgenden Film kann man dies auch erkennnen:
zunächst wird die Spule langsam, dann schnell bewegt.

je größer die Geschwindigkeit v ist, mit der die Spule bewegt wird, desto größer ist der Betrag der Induktionsspannung.

Einen letzten Faktor ahnst du vielleicht schon: auch die Stärke des Magnetfelds spielt eine Rolle.

je kräftiger das Magnetfeld ist, desto größer ist der Betrag der Induktionsspannung.

Die genauen Zusammenhänge lernst du in der Sekundarstufe II.

Anmerkung zu den Experimenten:
Der Hufeisenmagnet ist ein normaler kräftiger Hufeisenmagnet, wie er von verschiedenen Lehrmittelfirmen angeboten wird und wohl in sehr vielen Sammlungen vorhanden sein dürfte.
Die Induktionsspule ist eine Spule mit 3600 Windungen von Phywe. Spulen anderer Hersteller mit ähnlichen Windungszahlen sind sicher genauso geeignet.
Die Leuchtdioden sind gewöhnliche rote Standard-Leuchtdioden, man bekommt sie für wenige Cent in jedem Elektronikladen oder im Versandhandel.

Anmerkungen zu den Videoaufnahmen:

Die Videoaufnahmen entstanden im Videomodus einer normalen Digitalkamera (hp photosmart). Sie wurden mit dem Freeware Programm VirtualDub geschnitten und komprimiert und danach mit dem Freeware-Programm trmoov.exe in das Quicktime-Format umgewandelt.

Fachgruppe Physik