ET4-24 – Induktion [Grundlagen, Überblick, Geräte, Gleichungen]

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Inhaltsverzeichnis:

In diesem Kurstext erklären wir dir ausführlich die elektromagnetische Induktion und geben dir Auskunft darüber was eine doppelte Wirbelkopplung ist.

Für ein optimales Verständnis helfen dir in diesem Kursabschnitt drei ausführliche Videoclips und zwei anschauliche Rechenbeispiele zu dem Thema.

Mehr zu diesem Thema und der Elektrotechnik findest du im Kurs: ET5-Magnetische Felder

 

Merk’s dir!

“Dieses elektromagnetische Phänomen entsteht aufgrund der doppelten Wirbelkopplung von magnetischem und elektrischen Feld.

Induktion - Prinzip und Induktionsgesetz
Induktion – Prinzip und Induktionsgesetz

 

Grundlagen

Die elektromagnetische Induktion, häufig auch als Faradaysche Induktion bekannt, beschreibt das Entstehen eines elektrischen Feldes bei einer zeitlichen Änderung des magnetischen Flusses.

Merk’s dir!

Die elektrischen Feldlinien umkreisen dabei die magnetischen Feldlinien.

 

Wer hat’s erfunden?…

Im Jahr 1831 entdeckte der britische Experimentalforscher Michel Faraday diesen Effekt, als er versuchte die Funktionsweise des Elektromagneten umzukehren um indem nicht Strom ein Magnetfeld erzeugt, sondern ein Magnetfeld Strom. Außerdem waren daran der amerikanische Physiker Joseph Henry sowie der dänische Physiker Hans Christian Oersted beteiligt.

 

Diese Relation zwischen Strom und Magnetfeld findest du in einer der vier Maxwell Gleichungen.

 

Beispiele für den Einsatz

Induktionsgeräte werden mittlerweile in vielen Bereichen des Alltag verwendet. Hierzu zählen:

  • Ladestationen (Ladepads) für Smartphones

sowie

  • Induktionskochfelder zum Kochen

sowie

  • Dynamische Mikrofone

oder

  • Tonabnehmer für E-Gitarren

 

Auch in der Industrie wird diese vielfältig eingesetzt. Anwendungsbereiche sind:

  • Elektromotoren

sowie

  • Transformatoren

sowie

  • Generatoren

oder

  • Induktionsöfen für die Stahlerzeugung

 

Durchflutung

Mit dem dir bereits bekannten Durchflutungsgesetz können wir den Zusammenhang von magnetischem und elektrischen Feld beschreiben, zumal es einen Zusammenhang zwischen einer Ladungsträgerbewegung (elektrischer Strom) und dem dabei entstehenden magnetischem Feld gibt.

Merk’s dir!

Bisher haben wir uns aber lediglich den Einfluss des elektrischen Stroms auf das Magnetfeld genauer angeschaut.

Auf der anderen Seite bewirkt eine Änderung der magnetischen Flusses eine Änderung der elektrischen Feldstärke, bei welcher ein Wirbel auftritt.

 

“Diesen Vorgang und die Wirkung, die davon ausgeht, beschreiben wir als Induktion.”

 

Durch diesen Vorgang, bei welchem eine Änderung des Magnetflusses auftritt, wird eine elektrische Spannung induziert.

Diese Art der Spannung nennt man auch Umlaufspannung.

Merk’s dir!

Dabei gilt folgender Grundsatz

Die Änderung des Magnetflusses ist die Ursachengröße und die induzierte Spannung stellt die Wirkungsgröße dar.

 

Beispiel der Wirkweise

In der nächsten Abbildung siehst du das Schema einer Spule durch die ein Dauermagnet, also ein magnetisiertes Metall durch mehrere verbundene Leiterschleifen (Spule) bewegt wird.

Induzierte Spannung - Spule
Induzierte Spannung – Spule

 

Dabei entsteht an den Klemmen der Spule eine elektrische Spannung U.

Dieser Fall betrachte nur eine Variante in den kommenden Kurstexten werden wir dir noch ausführlich den Unterschied zwischen der 

  • Ruheinduktion

sowie

  • Bewegungsinduktion

verdeutlichen

 

Schaltzeichen im Netzplan

Das folgende Schaltzeichen wird für die Induktivität in Schaltplänen verwendet.  Wenn du dieses Schaltzeichen kennst, dann kannst du direkt erkennen, dass hier eine vorliegt.

 

Induktion - Schaltzeichen - Zeichen für die Induktivität
Induktion – Schaltzeichen – Zeichen für die Induktivität

 

Gleichungen zur Berechnung

Magnetischer Fluss

Die Gleichung für den Magnetischen Fluss solltest du kennen, da sie der wesentliche Bestandteil des Induktionsgesetzes ist. 

Grundsätzlich entsteht eine Induktionsspannung, wenn sich beim obigen Versuchsaufbau eine der nachfolgenden Größen ändert:

  • Die Magnetische Feldstärke B
  • Die aufgespannte Fläche A der Leiterschleife
  • Die Winkelweite \phi zwischen Leiterschleife und magnetischem Feld.

Alle zusammen beschreiben den Magnetischen Fluss \Phi

\Phi = B \cdot A \cdot cos(\phi)

 

Induktionsgesetz – Formel

Wir unterscheiden zwei Fälle

  1. Wirkung mit einer offenen Leiterschleife
  2. Wirkung mit mehreren Leiterschleifen

In beiden Fällen formulieren wir eine Formel zur Bestimmung der induzierten Spannung U_i

 

Vorgang mit einer offenen Leiterschleife

Hier gilt folgende Formel:

U_i = - \frac{d \Phi}{dt}

Es handelt sich um eine zeitabhängige Änderung des magnetischen Flusses.

 

Vorgang mit mehreren Leiterschleifen (Spule)

Hier müssen wir die obige Formel um die Anzahl der Windungen N erweitern.

U_i = - \frac{d \Phi}{dt} \cdot N

 

Was kommt als Nächstes?

Im kommenden Kurstext stellen wir dir zuerst das Lenz’sche Gesetz [Lenzsche Regel] vor um danach die Ruheinduktion sowie die Bewegungsinduktion genau zu besprechen.

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