Wieso liegt eine Induktionsspannung vor, wenn sich der magnetische Fluss ändert und nicht generell bei einer Bewegung eines Leiters im magnetischen Feld?
Kurz ein paar Worte zu mir, um das Niveau der Antworten entsprechend anzupassen:
Ich bin ein mathematisch interessierter Oberstufenschüler der nicht davor zurückschreckt, wenn entgegen dem Schulstoff ein paar Vektoren in der Erklärung vorkommen aber noch nicht studiert hat. Mein Ziel ist es die Sachen wirklich zu verstehen und nicht nur hinzunehmen.
In der Schule haben wir zur Einführung für die Induktion einen Metallstab der mit einem Spannungsmessgerät verbunden war in ein Magnetfeld bewegt. Das Spannungsmessgerät ist ausgeschlagen.
In einem Magnetfeld wirkt auf bewegte Ladungen die Lorentzkraft. Dadurch, dass der Stab bewegt wurde, wurden auch die Elektronen, also geladene Teilchen, im Stab bewegt. Auf sie wirkt also eine Lorentzkraft. Die Lorentzkraft ist orthogonal sowohl zur Richtung des Magnetfeldes als auch zur Bewegungsrichtung der Ladungen. Durch die Lorentzkraft werden die frei beweglichen Elektronen im Stab zur Seite geschoben. Auf der einen Seite liegt jetzt ein Elektronenüberschuss und auf der anderen Seite ein Elektronenmangel vor. Deshalb gibt es eine Ladungsdifferenz und somit auch eine Spannung.
Nun zu meinem Problem. Die Lorentzkraft wirkt, solange sich die Elektronen im Leiter durch ein Magnetfeld bewegen. Also müssten die Elektronen solange zur Seite geschoben werden, wie der Leiter durch das Magnetfeld bewegt wird. Demnach müsste auch eine Spannung induziert werden, solange sich der Leiter durch das Magnetfeld bewegt.
In der Realität ist die Induktionsspannung aber von der Änderung des magnetischen Flusses abhängig. Der Leiter und somit die Elektronen können sich noch so lange durch das Magnetfeld bewegen. Es wird trotzdem keine Spannung induziert, weil sich die vom Magnetfeld durchsetzte Fläche nicht ändert. Aber eigentlich müsste doch allein schon durch die Bewegung des Leiters die Lorenmtzkraft wirken.
Danke fürs klarstellen.
Habe gerade https://www.gutefrage.net/frage/warum-braucht-man-eine-flaechenaenderung-oder-magnetfeldaenderung-fuer-induktion gefunden. Meine Frage ist ein Duplikat. Hier wurde erklärt, dass sich die Induktion nicht nur mit der Lorentzkraft herleiten lässt sondern als Phänomen entdeckt wurde. Vielleicht hat ja noch jemand eine anschauliche Erklärung.
2 Antworten
Nachdem ich jetzt noch einmal recherchiert habe, ist deine Annahme falsch, dass Induktion nur bei Änderung des magnetischen Flusses vorliegen würde... Es ist nur der am Meisten betrachtete/genutzte Fall. Ein Gegenbeispiel ist aus meiner Sicht die Unipolarmaschine, von der ich gerade gelesen (aber noch nicht 100% verstanden) habe: https://de.wikipedia.org/wiki/Unipolarmaschine.
Generell gibt es verschiedene Betrachtungsweisen des Induktions-Phänomens. Die eine Betrachtungsweise funktioniert physikalisch detailliert über die Lorentzkraft... und sollte aus meinem Physik-Verständnis immer funktionieren (ist historisch gesehen auch die jüngere, die die Relativitätstheorie mit berücksichtigt)
Die andere Betrachtungsweise ist abstrakter und führt über die Änderung des magnetischen Flusses... sie basiert auf den Beobachtungen von Faraday und Co...
Nehmen wir die erste Betrachtungsweise: Ja, so lange ein Leiter in einem Magnetfeld bewegt wird, drückt die Lorentzkraft die Ladungsträger zu einer Seite... Es besteht sehr wohl eine Spannung zwischen den beiden Leiterenden. Es kann aber - sofern sich nichts ändert - kein Strom fließen, da die elektrische Kraft genauso groß ist, wie die Lorentzkraft... Somit herrscht nur ein Kräftegleichgewicht. Ein Stromfluss innerhalb dieses Leiters würde nur stattfinden, wenn sich Geschwindigkeit oder Stärke des Magnetfeldes ändern...
Nun stellen wir uns einen einfachen Stromkreis vor: Eine Leiterschlaufe (mit Lampe). Wenn nun der gesamte Aufbau im Magnetfeld bewegt wird, verschieben sich alle Ladungsträger in die gleiche Richtung - auf Dauer kann kein Strom fließen, da kein geschlossener Kreis entsteht. Während des Eintretens in das Magnetfeld (bzw. Magnetfeld einschalten) oder des Austretens (bzw. Magnetfeld ausschalten) findet ein Stromfluss statt. Das deckt sich aber mit der Idee der Änderung des magnetischen Flusses
Ist dagegen ein Teil außerhalb des Magnetfeldes, kann ein Strom fließen: Für die elektrische Kraft eröffnet sich quasi ein Weg (um das Magnetfeld herum), ohne, dass die Lorentzkraft entgegensteht. Dabei ändert sich beim Bewegen einer Seite der Leitungsschleife aber auch die vom Magnetfeld erfasste Fläche - und somit der magnetische Fluss. So dachte ich das bisher... Die Unipolarmaschine ist aber ein Gegenbeispiel dazu.
Indem du an den Leiterenden ein außerhalb des Magnetfelds liegendes Spannungsmessgerät anschließt, ändert sich der magnetische Fluss und du kannst eine Spannung messen. Wird das Spannungsmessgerät mitgeführt, wirkt die Lorentzkraft im Leiter und in den Anschlussdrähten in die gleiche Richtung und deren Wirkung hebt sich auf.
Dies ist auch ganz nett:
Danke für deine detaillierte Erklärung. Habe ich alles richtig verstanden? Die Lorentzkraft sorgt für eine Ladungstrennung und damit auch für eine Spannung. Allerdings ist diese Spannung quasi wirkungslos, weil kein Strom im Leiter fließen kann. Schließt man ein Messgerät an, können die Elektronen nicht durch es durch fließen, weil sie von der elektrischen Kraft festgehalten werden. (Kräftegleichgewicht zwischen elektrischer- und Lorentzkraft) Deshalb zeigt auch ein Spannungsmessgerät nichts an, weil intern ein Strom fließen muss um die Spannung zu berechnen. Ändert sich jetzt das Magnetfeld, steigt die Lorentzkraft und die Elektronen fließen wieder bis erneut ein Kräftegleichgewicht erreicht wird. Also fließt Strom und eine Spannung ist messbar. Ändert sich die vom Magnetfeld durchsetze Fläche, kommen quasi neue Elektronen dazu auf die die Kräfte vorher noch nicht gewirkt haben. Deshalb müssen die auch erstmal in die Position des Gleichgewichts fließen. Würde das dann bedeuten, dass eine Spannung induziert wird, wenn sich die Bewegungsrichtung ändert? Die Lorentzkraft kehrt sich dann ja quasi um und die Elektronen fließen von der einen Seite zur anderen bis wieder ein Kräftegleichgewicht vorliegt.