Grundversuche zur elektromagnetischen Induktion

Die elektromagnetische Induktion ist ein Vorgang, bei dem durch Bewegung eines elektrischen Leiters im Magnetfeld oder durch Änderung des von einem Leiter umschlossenen Magnetfeldes eine elektrische Spannung und ein Stromfluss erzeugt werden. Umfassend wird dieser Vorgang durch das Induktionsgesetz erfasst. Dieses Gesetz ist ausführlich in einem gesonderten Beitrag dargestellt und unter dem Stichwort "Induktionsgesetz" zu finden. Aus historischer Sicht wesentlich sind eine Reihe von Versuchen, die man als Grundversuche zur elektromagnetischen Induktion bezeichnet und mit denen gezeigt werden kann, unter welchen Bedingungen überhaupt eine Induktionsspannung entsteht und durch welche Faktoren der Betrag der Induktionsspannung beeinflusst wird.

Induktionsspannung durch Bewegung
Eine Spule wird mit einem empfindlichen Spannungsmesser verbunden. Gegenüber der Spule wird ein Magnet in unterschiedlicher Weise bewegt. Dabei ist es egal, ob die Versuche mit einem Permanentmagneten oder einem Elektromagneten konstanter Stärke durchgeführt werden. Es ist auch egal, ob man die Spule oder den Magneten bewegt. Entscheidend ist die Relativbewegung zwischen beiden.

(1) Wird der Magnet in Richtung Spule oder von ihr weg bewegt (Bild 2), so entsteht eine Induktionsspannung. Sie ist umso größer, je schneller die Relativbewegung zwischen Spule und Magnet erfolgt.

(2) Wird der Magnet an der Spule vorbei nach vorn oder hinten, nach oben oder unten bewegt (Bild 2), so entsteht ebenfalls eine Induktionsspannung. Sie ist ebenfalls umso größer, je schneller die Relativbewegung zwischen Spule und Magnet erfolgt.

(3) Wird der Magnet um seine Längsachse gedreht, so ist keine Induktionsspannung nachweisbar.

(4) Wird eine Spule in einem homogenen Magnetfeld in der in Bild 3a angegebenen Weise bewegt, entsteht keine Induktionsspannung.

(5) Wird die Spule dagegen von außen in das Feld gebracht (Bild 3b) oder wird sie im magnetischen Feld gedreht (Bild 3c), so entsteht eine Induktionsspannung. Auch hier ist der Betrag von der Schnelligkeit der Bewegung bzw. der Drehung abhängig.

(6) Wird die Spule im Feld dagegen um ihre Längsachse gedreht (Bild 3d), so entsteht keine Induktionsspannung.

Vergleicht man alle diese Versuche miteinander, dann ergibt sich:
- Es wird dann eine Spannung induziert, wenn sich das von der Spule umschlossene Magnetfeld ändert. Es wird keine Spannung induziert, wenn das von der Spule umschlossene Magnetfeld gleich bleibt.
- Der Betrag der Induktionsspannung ist davon abhängig, wie schnell sich das von der Spule umschlossene Magnetfeld ändert.

Induktionsspannung durch Feldänderung bei ruhenden Geräten
Zur Untersuchung kann man eine Versuchsanordnung nutzen, wie sie in Bild 4 angegeben ist. Statt eines Eisenkerns kann man auch die felderzeugende Spule 1 und die Induktionsspule 2 räumlich getrennt nebeneinanderstellen.

(7) Ist der Schalter im Stromkreis mit Spule 1 geschlossen und fließt im Stromkreis in konstanter Gleichstrom, dann entsteht in Spule 2 keine Induktionsspannung. Das von Spule 2 umschlossene Magnetfeld in diesem Falle konstant.

(8) Wird der Strom ein- oder ausgeschaltet, so wird das Magnetfeld von Spule 1 auf- bzw. abgebaut. Dabei ist eine Induktionsspannung nachweisbar.

(9) Wird durch einen regelbaren Widerstand die Stromstärke und damit die Stärke des Magnetfeldes geändert, so entsteht in der Induktionsspule eine Spannung, solange sich das Magnetfeld ändert.

(10) Wird die Stromstärke und damit die Stärke des Magnetfeldes in unterschiedlichen Zeiten um einen bestimmten Betrag geändert, so ist die Induktionsspannung umso größer, je kürzer die Zeit ist. Der Betrag der Induktionsspannung hängt demzufolge von der Schnelligkeit der Magnetfeldänderung ab.

(11) Wird die Stromstärke und damit die Stärke des Magnetfeldes in gleichen Zeiten um einen unterschiedlichen Betrag geändert, so ist die Induktionsspannung umso größer, je stärker die Magnetfeldänderung ist.

Vergleicht man alle diese Versuche miteinander, dann ergibt sich:

• Es wird dann eine Spannung induziert, wenn sich das von der Spule umschlossene Magnetfeld ändert. Es wird keine Spannung induziert, wenn das von der Spule umschlossene Magnetfeld gleich bleibt.
• Der Betrag der Induktionsspannung ist davon abhängig, wie schnell und wie stark sich das von der Spule umschlossene Magnetfeld ändert.

Damit kommt man in Auswertung aller Grundversuche zu einer ersten Formulierung des Induktionsgesetzes, die folgendermaßen lautet:

In einer Spule wird eine Spannung induziert, wenn sich das von der Spule umfasste Magnetfeld ändert. Der Betrag der Induktionsspannung ist von der Schnelligkeit und der Stärke dieser Änderung abhängig.

Diese Zusammenhänge kann man genauer beschreiben, wenn man physikalische Größen einbezieht und quantitative Untersuchungen vornimmt, die experimentell oder theoretisch realisiert werden können. Ausführliche Informationen dazu sind in dem Beitrag "Das Induktionsgesetz" zu finden.