Grundlagen der Induktion

Inhaltsverzeichnis zum Thema

• Definition der Induktion
• Magnetische Felder als Ursache
• Induktion und Induktionsgesetz
• Lenz’sche Regel
• Kraftwirkung in Feldern

Definition der Induktion

Durch die elektrische Induktion kann eine Spannung in einem Stromkreis ohne eigene Spannungsquelle induziert werden.

Magnetische Felder als Ursache

Bereits einzelne elektrische Ladungen erzeugen ein elektrisches Feld, die Bewegung dieser elektrischen Ladungen als elektrischer Strom bewirkt damit auch ein elektrisches Feld und zusätzlich auch ein magnetisches Feld. So kann ein gerader stromdurchflossener Leiter zum Beispiel eine Kompassnadel ablenken.

Wie verhält sich das Magnetfeld von Spulen? Durch das Aufwickeln des Leiters zu einer Spule kann das Magnetfeld noch einmal sehr viel stärker werden.

$\text{magnetische Flussdichte }B = \text{Permeabilität } \mu \cdot \frac{\text{Windungszahl }N \cdot \text{Stromstärke }I}{\text{Länge }l}$

Eine weitere drastische Verstärkung des Magnetfeldes kann durch das Einbringen ferromagnetischer Metalle in die Spule erreicht werden, dies erhöht stark die Permeabilität.

Im Rahmen der Induktion wäre dieser Stromkreis mit Spule, der Primärstromkreis und die Spule damit die Primärspule. Dieses magnetische Feld ist die Ursache für die Induktion.

Induktion und Induktionsgesetz

Man spricht von Induktion, wenn durch Änderung der Richtung oder der Stärke eines Magnetfeldes eine Spannung in einem Stromkreis induziert wird. Um einen stärkeren Effekt zu erzielen, werden Spulen eingesetzt, da diese sowohl die Stärke des Magnetfeldes als auch die Induktion verstärken. Die Spannung im sekundären Stromkreis bewirkt dann einen Strom. Berechnen lässt sich die induzierte Spannung über das Induktionsgesetz:

$\text{induzierte Spannung }U_{ind}=\text{Windungszahl }N \cdot \frac{\text{Änderung magnetischer Fluss }\Delta \Phi}{\text{Zeitintervall}\Delta t}$

Es lässt sich leicht erkennen, dass es zum Erreichen einer höheren Spannung nicht direkt auf die Stärke des magnetischen Feldes ankommt, sondern auf die Geschwindigkeit der Änderung des magnetischen Feldes. Sei es nun die Änderung der Stärke oder der Richtung des magnetischen Feldes. Durch die Abhängigkeit von der Änderung des magnetischen Feldes hat Gleichspannung einen deutlichen Nachteil gegenüber der Wechselspannung. Bei der Gleichspannung wird nur beim Ein- und Ausschaltvorgang eine Änderung des magnetischen Flusses bewirkt. Bei der Wechselspannung verändert sich das magnetische Feld sehr stark. Bei 50 Hertz kehrt sich die Richtung des Magnetfeldes 100-mal um und auch die Stärke ändert sich durch die Wellenform des Signals ständig. Damit wird zu jeder Zeit eine Spannung induziert.

Lenz’sche Regel

Neben dem Induktionsgesetz gilt noch eine Regel bei der Induktion – Die Lenz’sche Regel. Der induzierte Effekt steht immer seiner Ursache entgegen. Damit fließt im sekundären Stromkreis der Strom genau in die entgegengesetzte Richtung als im Primärstromkreis.

Kraftwirkung in Feldern

Das magnetische Feld verhält sich äquivalent zum elektrischen Feld. Das elektrische Feld bewirkt die Coulombkraft, die auf alle geladenen Körper innerhalb des elektrischen Feldes wirkt . Das magnetische Feld bewirkt die Lorentzkraft, welche auf alle bewegten geladenen Körper innerhalb des magnetischen Feldes wirkt. Die Wirkrichtung der Lorentzkraft lässt sich mit der UVW-Regel (Ursache-Vermittlung-Wirkung) leicht bestimmen.

Dazu spreizt du jeweils den Daumen, den Zeigefinger und den Mittelfinger der linken Hand in einem 90° Winkel zueinander. Der Daumen soll in Richtung der Elektronenbewegung zeigen und der Zeigefinger in Richtung der Magnetfeldlinien. Der Mittelfinger zeigt dann automatisch in Richtung der Lorentzkraft.