Anwendungen zur elektromagnetischen Induktion

Die elektromagnetische Induktion wird in vielfältiger Weise genutzt. Die Wirkungsweise von Generatoren zur Erzeugung von Elektroenergie und von Transformatoren zur Umformung dieser Energie basieren auf dem Induktionsgesetz. Ausführliche Informationen dazu sind in gesonderten Beiträgen unter den Stichwörtern "Generatoren" und "Transformatoren" zu finden.

Funkeninduktor
Ein Funkeninduktor dient als Hochspannungstransformator. Er ist aus zwei über einen stabförmigen Eisenkern gewickelten Zylinderspulen aufgebaut. Durch die Primärspule fließt ein zerhackter Gleichstrom, der durch einen selbsttätigen Unterbrecher (wagnerscher Hammer, Wehnelt-Unterbrecher) erzeugt wird. In der Sekundärspule entsteht eine Wechselspannung zwischen 1 und 100 kV. Nach dem Prinzip des Funkeninduktors arbeiten z.B. die Zündspulen der Ottomotoren, die die Hochspannungsimpulse für die Zündkerzen liefern.

Fehlerstromschutzschalter
Fehlerstromschutzschalter registrieren einen Stromabfall im Netz und führen eine automatische Abschaltung herbei. Sie arbeiten nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion. Bild 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines solchen Schalters.
In einem Fehlerstromschutzschalter wird der zum Verbraucher fließende Strom und der von dort zurückkehrende Strom so über einen Transformator mit Eisenkern geleitet, dass sich die von beiden Strömen induzierten Magnetfelder gerade gegenseitig aufheben. Im störungsfreien Betrieb sind der zum Verbraucher gelangende und der von dort kommend Strom gleich groß. Erfolgt ein unkontrollierter Stromabgang, beispielsweise wenn der Strom anstatt durch den Rückleiter über die Metallhülle eines Gerätes oder den Körper eines Menschen abfließt, dann haben Hin- und Rückstrom im Fehlerstromschutzschalter unterschiedliche Stärken wodurch sich die von ihnen hervorgerufenen Magnetfelder nicht mehr kompensieren. Das verbleibende Restfeld induziert in einer weiteren Spule eine Spannung, mittels derer ein Schalter ausgelöst wird, der den Stromkreis zum Verbraucher unterbricht. Je nach Bauart können Fehlerstromschutzschalter schon bei Fehlerströmen von einigen Milliampere auslösen.

Induktionshärten
Das Härten ist ein häufig angewandtes metallurgisches Verfahren, bei dem durch starkes Erhitzen und schlagartiges Abkühlen die Festigkeit eines Metalls erhöht wird. Um chemische Verunreinigungen zu vermeiden, wählt man oft Verfahren zum Erwärmen ohne Nutzung einer offenen Flamme. Zu diesen Verfahren zählt das Induktionshärten, bei dem man Metalle durch induzierte Wirbelströme auf Glühtemperaturen erhitzt (Bild 3).
Die Wirbelströme entstehen nach dem Induktionsgesetz, wenn man einen leitfähigen Gegenstand einem zeitlich veränderlichen magnetischen Feld aussetzt. Zu diesem Zweck bringt man das zu härtende Metall in das Feld eines mit Wechselstrom betriebenen Elektromagneten. Das Feld des Elektromagneten induziert im Metall Wirbelströme, die ihrerseits Reibungswärme an den Werkstoff abgeben und ihn dadurch zum Glühen bringen.
Das Induktionshärten weist gegenüber herkömmlichen Härtungsverfahren eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere wird die Wärme dem gesamten Körper relativ gleichmäßig, von allen Seiten und auch von innen zugeführt. Dadurch werden vor allem bei größeren Werkstücken thermische Spannungen vermieden.

Induktionsherde
Bei Induktionsherden wird einem Metalltopf die Wärme mithilfe der elektromagnetischen Induktion zugeführt. Zu diesem Zweck nutzt man Wirbelströme.
Das Herzstück von Induktionsherden sind unter den Kochfeldern angeordnete Magnetspulen, die mit Wechselstrom versorgt werden. Dadurch entsteht ein Magnetfeld um die Spulen, dessen Stärke und Richtung sich beständig verändert. Zwischen den Spulen und dem Topf befindet sich eine Platte aus hitzebeständiger Glaskeramik. Durch dieses Material wird das Magnetfeld kaum beeinflusst.
Wird ein Topf auf die Kochplatte gestellt, so durchsetzt das Magnetfeld weitgehend ungeschwächt den Metallboden des Kochtopfes und induziert in ihm Wirbelströme. Diese Ströme erhitzen das Metall und führen den Speisen die zum Garen notwendige Wärme zu.
Ein Vorteil von Induktionsherden gegenüber herkömmlichen Herden ist ihre energiesparende Art der Wärmeübertragung. Die Wärme wird ohne größere Verluste direkt dem Topf zugeführt. Es versteht sich von selbst, dass das beschriebene Verfahren nur funktioniert, wenn man Töpfe aus Metall verwendet, also aus Stoffen, in denen sich Wirbelströme ausbilden. Ein weiterer Vorteil ist die geringe Erwärmung der Heizfläche. Die Erwärmung ist deshalb gering, weil sich in der Platte aus Glaskeramik keine Wirbelströme ausbilden. Erwärmt wird sie allerdings durch den Topf.

Induktionsschleifen
Mithilfe von Induktionsschleifen (Bild 5) kann der Straßenverkehr überwacht werden. Häufig steuert man mit ihrer Hilfe Ampelanlagen. Die Funktionsweise von Induktionsschleifen beruht auf der elektromagnetischen Induktion. Die Induktionsschleife wird unmittelbar unter der Fahrbahn verlegt. Sie kann permanent von Strom durchflossen werden und dann als Leiterschleife wirken oder im Ausgangszustand auch stromlos sein.
Im ersten Fall erzeugt die Induktionsschleife ein schwaches Magnetfeld. Bewegen sich Pkw oder Lkw durch dieses Magnetfeld hindurch, dann ändert sich dessen Stärke. Da viele Bauteile eines Fahrzeuges aus Eisen sind, verstärkt sich das Schleifenfeld. Das ist ähnlich wie bei einer Spule, bei der sich das Magnetfeld ebenfalls verstärkt, wenn man einen Eisenkern einbringt.
Die Veränderung des Feldes induziert einen kurzzeitigen Stromstoß in der Leiterschleife, der nach entsprechender Verstärkung als Steuerimpuls an Ampelanlagen oder Verkehrüberwachungsanlagen weitergeleitet werden kann. Durch zwei hintereinanderangeordnete Schleifen kann man auch die Geschwindigkeit von Fahrzeugen messen.
Relativ empfindlich muss die Stromstärkemessung in einer stromlosen Induktionsschleife funktionieren. Bei dieser Variante nutzt man die Tatsache, dass die meisten Fahrzeuge von einem schwachen Magnetfeld umgeben sind. Dieses stammt z.B. aus der Lichtmaschine, wo nach dem Generatorprinzip mithilfe eines Magnetfeldes Strom gewonnen wird. Bewegt sich ein Fahrzeug relativ zu Induktionsschleife, dann induziert das Magnetfeld des Fahrzeuges einen Stromfluss in der Schleife, der zu Mess- und Steuerzwecken genutzt werden kann.

Dynamische Mikrofone
Dynamische Mikrofone sind eine relativ weitverbreitete Bauform. Bild 6 zeigt den prinzipiellen Aufbau. Bei einem solchen Mikrofon ist die Membran mit einer leicht beweglichen Spule verbunden, die im Magnetfeld eines Dauermagneten schwingen kann. Wird die Membran durch Schallschwingungen angeregt, dann wird mit der Membran auch die Spule in Schwingungen versetzt. Die Spule bewegt sich im Feld des Dauermagneten. Dadurch wird in ihr eine Spannung induziert, die sich im Rhythmus der Membranschwingungen ändert.

Elektrizitätszähler
Elektrizitätszähler, die auf der Grundlage der elektromagnetischen Induktion arbeiten, bezeichnet man auch als Induktionszähler. Sie besitzen zwei Elektromagnete. Einer der Magnete wird vom Verbraucherstrom durchflossen, an dem anderen liegt die Verbraucherspannung an. Wird eine elektrische Energie über den Zähler bezogen, dann induziert der Verbraucherstrom unmittelbar in seiner Spule ein Magnetfeld. Die Verbraucherspannung ruft in ihrem Stromkreis einen Stromfluss hervor, durch den ebenfalls ein Magnetfeld induziert wird. Allerdings baut sich dieses Feld später als das Feld der Stromspule auf. Es ist gegenüber dem ersteren Feld phasenverschoben. Beide Magnetfelder wirken demzufolge insgesamt wie ein Drehfeld und versetzen dadurch eine Aluminiumscheibe, in der sie Wirbelströme induzieren, in Rotationsbewegung. Ein mit der Aluminiumscheibe verbundenes Zählwerk registriert die Anzahl der Umdrehungen, die zu Strom und Spannung proportional ist.
Ein Bremsmagnet stoppt die Aluminiumscheibe nach dem Prinzip der Wirbelstrombremse sofort ab, wenn der Verbraucher keine elektrische Energie mehr aus dem Netz bezieht.