Elektromagnetische Induktion: Grundlagen und Gesetze
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Elektromagnetische Induktion
Michael Faraday zeigte, dass ein Magnetfeld Elektrizität erzeugen kann. Man könnte einen Strom durch Elektromagnetismus erzeugen. Seine Versuche zeigten, dass Induktion experimentell reproduziert werden kann. Man kann dies mit einer leitenden Schleife demonstrieren, die nicht an eine Stromversorgung angeschlossen ist. Wenn ein Magnet einer Spule genähert oder von ihr entfernt wird, registriert ein Galvanometer den Durchgang von elektrischem Strom durch die Spule, solange sich der Magnet bewegt.
Die Richtung des Stroms kehrt sich um, wenn der Magnet in die entgegengesetzte Richtung bewegt wird. Dasselbe Phänomen tritt auf, wenn der Magnet feststeht und die Schleife bewegt wird. Wenn eine Magnetspule feststeht und eine andere Spule (Solenoid) in ihrer Nähe ist, entsteht ein induzierter Strom in der zweiten Spule, wenn der Schalter, der den Stromfluss in der ersten Spule steuert, geöffnet oder geschlossen wird. Wenn die Schleife feststeht und deformiert wird, entsteht ebenfalls ein induzierter elektrischer Strom, solange die Deformation stattfindet. In der Schaltung ist eine elektromotorische Kraft (EMK) entstanden, die den Strom (elektromagnetische Induktion) hervorgerufen hat.
Faradaysches Induktionsgesetz und Lenzsche Regel
Das Faradaysche Induktionsgesetz besagt, dass die in einem Stromkreis induzierte elektromotorische Kraft (EMK) der zeitlichen Änderungsrate des magnetischen Flusses entspricht, der die Schleife durchquert. Mit diesem Gesetz lassen sich frühere Beobachtungen rechtfertigen. Das Faradaysche Gesetz kann überprüft werden, indem man feststellt, dass der induzierte Strom größer ist, wenn die Flussänderung wesentlich schneller erfolgt, z. B. wenn ein Magnet schnell auf eine Spule zu- oder von ihr wegbewegt wird, oder wenn die Spule schneller deformiert wird.
Dieses Gesetz erklärt den Betrag der induzierten elektromotorischen Kraft, aber nicht ihre Richtung. Dieser Aspekt wurde von Lenz untersucht. Die Lenzsche Regel besagt, dass die Richtung des induzierten Stroms der Ursache entgegenwirkt, die ihn erzeugt (d.h., der Flussänderung). Diese beiden Gesetze können durch den Ausdruck zusammengefasst werden:
Gegenseitige Induktion und Selbstinduktion
Induktionsbezogene elektromagnetische Phänomene finden breite Anwendung im Transport elektrischer Energie.
Gegenseitige Induktion
Ein variabler elektrischer Strom, der durch eine Spule fließt, induziert einen Strom in einer benachbarten Spule.
Selbstinduktion
Ein variabler elektrischer Strom, der durch eine Spule fließt, induziert eine Spannung in derselben Spule.