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SG086b Lenz'sche Regel: Anwendungen

Induktionsgesetz

Induktivität

Glossar

Physik für Schülerinnen und Schüler

Viele Induktions-Versuche zeigen die Lenz'sche Regel:

Bei Stromfluss erfolgt die Induktion immer so, dass der Ursache der Induktion entgegen gewirkt wird.

Ursache der Induktion ist immer die Änderung eines magnetischen Flusses.

Eine anschauliche Interpretation der Lenz'schen Regel ist folgende:

"Spulen sind extrem konservativ. Sie versuchen immer, alles beim Alten zu belassen."

Betrachte folgenden Situationen:




Abb. 1: Halb geöffneter Fahrraddynamo. Man erkennt das Antriebsrad (links); auf seiner Achse sitzt ein Permanentmagnet, der auf diese Weise gedreht wird. Durch die Polschuhe des Permanentmagneten (metallische Lamellen) wird dafür gesorgt, dass das Magnetfeld in der feststehenden Induktionsspule ständig Größe und Richtung ändert. Die Anschlüsse der Induktionsspule sind herausgeführt.

Wenn die Anschlüsse außen nicht untereinander verbunden sind, fließt kein Induktionsstrom. Dann lässt sich das Antriebsrad (z.B. mit der Hand) leicht drehen.

Wenn aber die Induktionsspule kurzgeschlossen ist durch Verbindung der beiden Anschlüsse, fließt ein relativ hoher Induktionsstrom. Es ist dann viel schwerer, das Antriebsrad zu drehen. Die Induktion erfolgt offenbar so, dass ihrer Ursache (Drehung der Induktionsspule) entgegengewirkt wird. Das ist die Aussage der Lenz'schen Regel hier.

Das lässt sich auch energetisch erklären: Der entstehende Induktionsstrom sorgt für eine Erwärmung der durchflossenen Leiter. Die Energie dazu wird aus der mechanischen Arbeit beim Drehen bezogen.

Mit relativ geringen Kosten lässt sich so ein eindrucksvoller Schülerversuch durchführen, bei dem du und deine Klassenkamerad/inn/en die Folgen von Lenz'scher Regel bzw. Energiesatz mit den Händen fühlen.

Der Versuch kann auch zur Begründung der Lenz'schen Regel dienen.



Abb. 2: Eine ortsfeste Induktionsschleife liegt in einem stärker werdenden Magnetfeld, charakterisiert durch einen längeren Pfeil (grün; gestrichelt: früherer Zeitpunkt).

Es wird ein Induktionsstrom in der Schleife so induziert, dass der magnetische Fluss im Inneren der Leiterschleife möglichst konstant gehalten wird. Er ist also so gerichtet, dass der ursprüngliche Zustand der Schleife - kleines Magnetfeld in ihrem Inneren - möglichst beibehalten wird. Nach der rechten-Faust-Regel hat der Strom die eingezeichnete Richtung.


Abb. 3.a: Im Magnetfeld B wird eine Leiterbrücke über einen Leiterbügel mit der Geschwindigkeit v verschoben (gestrichelt: frühere Position). Es wird ein Strom I induziert. Es gibt zwei Möglichkeiten, die Lenz'sche Regel in Spiel zu bringen:

a) Bei der Verschiebung der Leiterbrücke wird ein Strom so induziert, dass sein Magnetfeld B' den eingeschlossenen magnetischen Fluss (innerhalb der Leiterschleife) klein zu halten versucht, also B' entgegengesetzt zu B. Der Induktionsstrom muss die eingezeichnete Richtung haben.


Abb. 3.b:

b) Ursache der Induktion im Sinne der Lenz'schen Regel ist die Verschiebung der Leiterbrücke in Richtung einer Zugkraft (bzw. längs des Geschwindigkeitsvektors v).

Die Induktion erfolgt so, dass eine Lorentz-Kraft FL' entgegengesetzt zu dieser Verschiebung bzw. der Zugkraft entsteht, die also die Verschiebung zu hemmen versucht. Die Richtung dieser Gegenkraft ergibt sich aus der Dreifinger-Regel der rechten Hand: "Ursache" ist der Induktionsstrom I', die "Vermittlung" erfolgt durch das externe Magnetfeld B. "Wirkung" ist eine Kraft FL' entgegengesetzt zur Zugkraft. FL'  hat die erwartete Richtung nur dann, wenn der Induktionsstrom I' die eingezeichnete Richtung hat.


Weitere Anwendungen und Experimente:  SG081c.html

Zu den Stromrichtungen bei der Grundschaltung der Selbstinduktion vgl. SG104b

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( Dezember 2022)