Lenz'sche Regel – Polung der Induktionsspannung

Hallo, wir wollen uns heute mit der Polung der Induktionsspannung und der Richtung des Induktionsstromes beschäftigen sowie die Lenz´sche Regel kennenlernen und sie bei der Induktion anwenden. Du solltest dazu über die Ursachen der elektromagnetischen Induktionen Bescheid wissen. In diesem Zusammenhang wiederholen wir einige ihrer Gesetzmäßigkeiten. Wir lernen heute, dass die Induktionsspannung eine Polung hat, dass der Induktionsstrom eine Richtung besitzt und wie die Lenz´sche Regel lautet. Wir zeigen dir hier einige Experimente zur elektromagnetischen Induktion. Du kannst dir die Bilder ansehen und entscheiden, welche der jeweiligen Spannungen größer als die andere ist. In allen schematisch dargestellten Experimenten ist die Geschwindigkeit V der Magneten gleich groß. Du kannst das Video anhalten und die Zeichen kleiner oder größer setzen. Wenn du auf weiter klickst, erfährst du die Lösung. Und hier ist die Lösung: u eins ist kleiner als u drei, da die Windungszahl von Spule drei größer ist als die von Spule zwei. U zwei ist größer als u eins, da der entsprechende Magnet und damit die Magnetfeldänderung größer ist. U vier ist größer als u zwei, da der Spulenquerschnitt von Spule vier größer ist als der von Spule zwei. U eins ist kleiner als u vier, da Magnetfeldänderung und Spulenquerschnitt von Spule vier größer sind als Magnetfeldänderung und Spulenquerschnitt von Spule eins. Wir führen noch einmal den schon bekannten Versuch zur Entstehung einer Induktionsspannung durch. Dabei beachten wir jetzt die Zeigerausschläge im Zusammenhang mit der Bewegungsrichtung. Wir stellen fest, dass nach der Umkehrung der Bewegungsrichtung auch die Richtung des Zeigers, des Spannungsmessgerätes sich ändert. Dieser Richtungsänderung entspricht einer Änderung der Polarität der Induktionsspannung. Wir ändern jetzt die Versuchsanordnung. Anstelle der Induktionsspule benutzen wir einen leichten Ring aus Aluminium. Wir denken uns den Ring an zwei Schnüren beweglich aufgehängt. Nun wird der Magnet in den geschlossenen Ring hinein bewegt. Dabei beobachten wir, dass der Ring dem Magneten ausweicht. Ziehen wir den Magneten zurück, so folgt der Ring dem Magneten. Wird derselbe Versuch mit einem geschlitzten Aluminiumring durchgeführt, so bleibt der Ring in Ruhe. Wir wollen nun das Versuchsergebnis erklären. Dazu sehen wir uns vorab das Modell zur Darstellung magnetischer Felder um Strom durchflossener Leiter an. Wir wissen ja, dass jeder elektrische Strom von einem Magnetfeld umgeben ist. Umfassen wir den Leiter so mit der rechten Hand, dass der ausgestreckte Daumen in Richtung des Leiters zum Minuspol zeigt, so geben die gekrümmten Finger die Richtung der magnetischen Feldlinien an. Eine weitere nützliche Darstellung des Verlaufs magnetischer Feldlinien zeigt die Abbildung der Rechten-Faust-Regel in einer Aufsicht. Im linken Bild fließt der Strom in die Zeichenebene hinein. Wir erkennen das am kleinen Kreuz in der Mitte. Wird die Rechte-Faust-Regel hier angewendet, so folgt sofort die Richtung der Magnetfeldlinien. Analog gilt für das rechte Bild: der Strom fließt aus der Zeichenebene heraus und mit der rechten Faustregel folgt auch die Richtung der Feldlinien des Magnetfeldes. Wenden wir uns nun wieder der Versuchserklärung zu. Unsere Induktionsversuche haben bei einer Relativbewegung zwischen Magnet und Spule zum Entstehen einer Induktionsspannung und damit auch zu einem Induktionsstrom geführt. So entsteht beim Bewegen des Magneten im Ring ein Induktionsstrom, im Bild durch blaue Pfeile dargestellt. Nun erinnern wir uns: Jeder Strom ist auch wieder von einem Magnetfeld umgeben. Da der Ring dem Magneten ausweicht, also Abstoßung entsteht, müssen die Feldlinien so verlaufen, dass sich zwei gleichnamige Pole gegenüberstehen. Damit muss der Induktionsstrom so gerichtet sein, dass er seiner Ursache entgegenwirkt. Wir prüfen unsere Aussage für das Herausziehen des Magneten aus dem Ring. Der Ring folgt der Bewegung des Magneten. Es tritt in diesem Fall Anziehung auf. Der Induktionsstrom ist also so gerichtet, dass sich unterschiedliche Pole gegenüberstehen. Wir sehen das hier auf dem zweiten Bild. Damit ist der Induktionsstrom wieder so gerichtet, dass er seiner Ursache entgegenwirkt. In beiden gezeigten Versuchen wird die Bewegung des Magneten behindert. Dieser Sachverhalt kann verallgemeinert werden und wird als Lenz’sche Regel bezeichnet. Diese lautet: Der Induktionsstrom ist so gerichtet, dass er seiner Ursache entgegenwirkt. Wir wollen nun an zwei Experimenten die Lenz´sche Regel anwenden. Wir nehmen einen langen Eisenkern und stecken ihn in eine Spule. Über den Eisenkern wird ein Aluminiumkern geschoben. Wird der Stromkreis der Spule geschlossen, so wird der Aluminiumring nach oben katapultiert. Ein Ring mit einem Schlitz zeigt diesen Effekt nicht. Beim Einschalten des Stromkreises baut sich das Magnetfeld der Spule auf. Dieses erzeugt einen Induktionsstrom im Aluminiumring, dessen Magnetfeld gemäß der Lenz´schen Regel so gerichtet ist, dass eine Abstoßung erfolgt. Im zweiten Experiment benutzen wir zwei etwa ein Meter lange Rohre aus Plastik und aus Kupfer. Zwei Plastikkugeln fallen gleichzeitig durch die Rohre. Beide Kugeln schlagen auf den Boden gleichzeitig auf. Nun wählen wir zwei magnetisierte Stahlkugeln und lassen sie wieder gleichzeitig durch die Rohre fallen. Die Kugel, die durch das Plastikrohr fällt, schlägt zuerst auf, erst deutlich später als die Kugel, die durch das Kupferrohr gefallen ist. Wie kommt das? Die magnetisierte Kugel erzeugt beim Fallen durch das Kupferrohr in der Kupferröhre Induktionsströme, die gemäß der Lenz´schen Regel so gerichtet sind, dass die Bewegung in Folge Abstoßung der Magnetfelder deutlich gehemmt wird. Wir fassen zusammen: Eine Induktionsspannung hat eine Polung und ein Induktionsstrom hat eine Richtung. Für den Induktionsstrom gilt die Lenz´sche Regel. Der Induktionsstrom ist so gerichtet, dass er seiner Ursache entgegenwirkt. Das war's für heute. Ich hoffe dir hat es etwas Spaß gemacht und du hast alles verstanden.