Elektromagnetische Induktion

a) Es geht nicht um die Stärke, sondern um etwas anderes.

a) Wenn sich das die Spule durchsetzende Magnetfeld ändert, also entweder seine Stärke oder die wirksam durchsetzte Fläche. Ein gleichbleibendes Feld induziert nichts, egal wie stark es ist.

b) Zum Beispiel:

• die Geschwindigkeit der Änderung (je schneller, desto größer),
• die Windungszahl der Spule,
• die Stärke des Magnetfeldes.

(Auch die Spulenfläche gehört dazu.)

c) Der Induktionsstrom ist stets so gerichtet, dass er seiner Ursache entgegenwirkt. Ein sich nähernder Magnet wird gebremst, ein sich entfernender festgehalten.

a) Wann fließt überhaupt ein Strom?

a) Bei ausgeschaltetem Licht ist der Stromkreis offen: Es wird zwar eine Spannung induziert, aber es fließt kaum Strom. Ohne Strom gibt es kein Magnetfeld der Spule und damit nach Lenz auch keine bremsende Kraft.

Wird das Licht eingeschaltet, schließt sich der Kreis, es fließt Strom, und dessen Feld wirkt der Drehung entgegen. Der Dynamo wird spürbar schwerer.

Das ist die Energieerhaltung in Aktion: Die elektrische Energie für die Lampe kommt nicht aus dem Nichts, sondern aus der Muskelarbeit des Fahrers. Der Widerstand am Pedal ist der Preis für das Licht.

b) Ohne Verschleiß, weil sich nichts berührt. Die Bremskraft entsteht durch Wirbelströme in einer Metallscheibe, die sich im Magnetfeld dreht; nach Lenz wirken sie der Drehung entgegen. Es gibt keine Reibbeläge, die sich abnutzen, und keinen Abrieb.

Schlecht bei kleiner Geschwindigkeit, weil die Induktionsspannung von der Änderungsgeschwindigkeit abhängt. Dreht sich die Scheibe langsam, ändert sich das Feld langsam, die Wirbelströme sind klein und damit auch die Bremskraft. Bei Stillstand ist sie null.

Praktische Folge: Eine Wirbelstrombremse kann ein Fahrzeug nicht festhalten. Züge und Achterbahnen kombinieren sie deshalb mit einer mechanischen Bremse für den letzten Bereich und zum Halten.

c) Ein massiver Eisenkern wäre selbst ein guter Leiter im wechselnden Magnetfeld. Darin entstünden kräftige Wirbelströme, die nach Lenz Energie aufnehmen und im Widerstand des Eisens in Wärme umsetzen. Der Transformator würde heiß und der Wirkungsgrad sänke deutlich.

Durch die Schichtung aus dünnen, isolierten Blechen stehen den Wirbelströmen keine großflächigen geschlossenen Bahnen mehr zur Verfügung; sie werden auf die einzelnen Bleche eingeschnürt und dadurch stark verkleinert.

Wichtig: Die Bleche liegen parallel zum Magnetfeld, sodass der magnetische Fluss ungehindert weiterläuft. Man behindert gezielt den elektrischen Strom, nicht das Magnetfeld. Es ist dasselbe Prinzip wie beim geschlitzten Kupferrohr, nur mit umgekehrter Absicht.

a) Nimm an, die Regel wäre umgekehrt, und denke die Folge zu Ende.

a) Widerspruchsbeweis. Angenommen, der Induktionsstrom wirkte seiner Ursache nicht entgegen, sondern verstärkte sie. Dann würde ein Magnet, den man ein winziges Stück in die Spule schiebt, von der Spule zusätzlich hineingezogen.

Dabei würde er schneller, dadurch änderte sich das Feld schneller, dadurch entstünde mehr Strom, dadurch eine noch größere Kraft, und so weiter. Der Magnet würde ohne jede Energiezufuhr immer schneller, und gleichzeitig könnte man dem Stromkreis beliebig viel elektrische Energie entnehmen.

Das wäre ein Perpetuum mobile: Energie aus dem Nichts. Da der Energieerhaltungssatz ausnahmslos gilt, muss die Annahme falsch sein. Der Induktionsstrom muss seiner Ursache entgegenwirken.

b) Der Aufbau scheitert an genau dieser Regel, und zwar zweifach:

1. Damit im Fallen Strom entsteht, muss der Magnet gegen die bremsende Kraft der Spule fallen. Ein Teil seiner Lageenergie wird dabei in elektrische Energie umgewandelt, er kommt also langsamer unten an als im freien Fall.
2. Um ihn wieder anzuheben, ist mindestens die volle Hubarbeit nötig, und der Elektromagnet hat höchstens die vorher gewonnene Energie zur Verfügung.

Schon ohne Verluste wäre das bestenfalls ein Nullsummenspiel. Tatsächlich kommen Verluste hinzu: Wärme im Spulenwiderstand, Wärme im Elektromagneten, Luftwiderstand, Reibung. Der Magnet erreicht deshalb nie wieder die Ausgangshöhe, und der Vorgang kommt nach wenigen Zyklen zum Erliegen.

Die Anlage ist nicht schlecht gebaut, sie ist prinzipiell unmöglich. Kein Bauteil und keine Verbesserung kann daran etwas ändern.

c) Ein Induktionsherd erzeugt unter der Glaskeramik ein schnell wechselndes Magnetfeld. Damit ein Topf heiß wird, müssen darin Wirbelströme entstehen, die im Widerstand des Bodens Wärme freisetzen.

Dafür braucht es zwei Eigenschaften:

• Der Boden muss elektrisch leitfähig sein.
• Er muss ferromagnetisch sein, damit das Feld in ihm stark konzentriert wird und ausreichend große Ströme entstehen.

Geeignet sind deshalb Töpfe aus Stahl, Gusseisen und Edelstahl mit ferromagnetischem Boden. Nicht geeignet sind Aluminium, Kupfer, Glas und Keramik: Aluminium und Kupfer leiten zwar hervorragend, sind aber nicht ferromagnetisch, sodass die Kopplung viel zu schwach bleibt.

Praktischer Test: Ein Magnet muss am Topfboden haften. Genau das prüfen die Aufkleber „induktionsgeeignet".

Nebenbei erklärt das auch, warum die Kochfläche selbst kühl bleibt: In Glaskeramik können keine Wirbelströme fließen. Sie wird nur durch den heißen Topf erwärmt.

d) Beispiele:

• Ein- oder Ausschalten eines benachbarten Elektromagneten. Das Feld springt von null auf seinen Wert oder zurück; das ist eine Änderung, auch ohne Bewegung.
• Verändern der Stromstärke in einer Nachbarspule, etwa mit einem Regler.
• Der Transformator. Der Wechselstrom in der Primärspule erzeugt ein ständig wechselndes Feld, das in der Sekundärspule Spannung induziert. Alle Teile stehen völlig still.

Das zeigt: Die Bedingung ist die Änderung des Feldes, nicht die Bewegung. Bewegung ist nur der anschaulichste Weg, eine Änderung herbeizuführen.