Elektromagnetische Induktion: Grundlagen, Gesetze & Anwendungen

Die elektromagnetische Induktion beschreibt das Phänomen, bei dem elektrische Ströme magnetische Felder erzeugen und umgekehrt. Dieses Prinzip ist fundamental für viele Technologien, die wir täglich nutzen.

Was ist Elektromagnetische Induktion?

Wenn eine geladene Spule oder ein Magnet bewegt wird, induziert dies einen Strom in einer anderen Spule (Stromkreis). Ein induzierter Strom wird erzeugt, wenn sich ein Leiter und ein Magnetfeld relativ zueinander bewegen. Bewegt sich der Leiter in eine bestimmte Richtung, schlägt die Galvanometernadel in diese Richtung aus; bei entgegengesetzter Bewegung schlägt sie in die entgegengesetzte Richtung aus. Die Intensität des induzierten Stroms ist umso größer, je schneller die relative Bewegung zwischen Spule und Magnetfeld ist. Ein induzierter Strom entsteht, weil sich die magnetischen Induktionslinien, die den Leiter durchqueren, ändern.

Faradaysches Gesetz der Induktion

Faradays Schlussfolgerung: Die induzierte elektromotorische Kraft (EMK) in einem geschlossenen Stromkreis ist proportional zur negativen Änderungsrate des magnetischen Flusses, der diesen Stromkreis durchdringt. Dies wird als Faradaysches Gesetz bezeichnet.

Elektromotorische Kraft (EMK)

Die elektromotorische Kraft (EMK) ist die Arbeit pro Ladungseinheit, die erforderlich ist, um Ladungen in einem Stromkreis zu bewegen, oft durch einen Generator erzeugt.

Selbstinduktion und Gegeninduktion

Selbstinduktion

Selbstinduktion ist die Induktion eines Stroms in einem Leiter durch sein eigenes sich änderndes Magnetfeld. Dies tritt auf, wenn die Stromstärke im Leiter über die Zeit variiert.

Gegeninduktion

Gegeninduktion tritt auf, wenn die Änderung des Stroms in einem Stromkreis einen Strom in einem nahegelegenen zweiten Stromkreis induziert.

Transformatoren: Spannung und Strom ändern

Transformatoren sind Geräte, die verwendet werden, um die Spannung und Stromstärke einer Wechselspannung ohne nennenswerte Energieverluste zu ändern. Da im Idealfall keine Energieverluste auftreten, sind Transformatoren nützlich für den Energietransport, da sie die Spannung ändern können, um die Leistung konstant zu halten.

Elektrische Generatoren

Elektrische Geräte sind Geräte, die elektrische Energie in andere Energieformen umwandeln oder umgekehrt.

Der Wechselstromgenerator

Der Generator erzeugt Wechselstrom, da die Richtung des elektrischen Stroms periodisch wechselt.

Der Gleichstromgenerator (Dynamo)

Der Dynamo ist ein Generator, der Gleichstrom erzeugt. Hierbei wird die Richtung, in die elektrische Ladungen fließen, nicht periodisch geändert.

Kraftwerke: Energieerzeugung im Überblick

In allen Kraftwerken wird die Rotationsbewegung eines Rotors genutzt, um eine Lichtmaschine anzutreiben und Strom zu erzeugen. Es gibt verschiedene Arten von Kraftwerken:

Wärmekraftwerke

Wärmekraftwerke nutzen eine Energiequelle (z.B. Kohle, Gas, Kernenergie), um Wasser in Dampf umzuwandeln, der eine Turbine antreibt. Es gibt auch Kraftwerke, die Sonnenwärme durch Spiegel konzentrieren.

Wasserkraftwerke

Wasserkraftwerke nutzen die potenzielle Energie von gestautem Wasser, um die Schaufeln einer Turbine zu bewegen.

Windkraftanlagen

Windkraftanlagen nutzen die kinetische Energie des Windes, um Rotorblätter zu bewegen und diese Bewegung auf einen Generator zu übertragen.

Solarstromanlagen (Photovoltaik)

Solarstromanlagen (Photovoltaik) nutzen den photoelektrischen Effekt, um Strom zu erzeugen.

Spezifische Anwendungen und Phänomene

Spulen im Stromkreis: Induzierte Ströme

Wenn eine Spule in einem Stromkreis vorhanden ist, erzeugt sie induzierte Ströme, die dem Auftreten oder Verschwinden des ursprünglichen Stroms entgegenwirken. Dies provoziert auch eine Veränderung des magnetischen Flusses durch die Spulenwindungen. Ein induzierter Strom kann dazu führen, dass eine Glühbirne beim Einschalten später leuchtet oder beim Ausschalten länger nachglüht, da die Spule der Stromänderung entgegenwirkt. Beim Öffnen des Stromkreises kann die Lampe kurz aufleuchten, bevor sie erlischt, da die Spule einen magnetischen Flusswechsel erzeugt.

Stromerzeugung im Magnetfeld

Um Strom in einem Stromkreis in einem Magnetfeld zu erzeugen, muss eine Variation des magnetischen Flusses vorhanden sein. Die induzierte EMK ist proportional zur Änderungsrate des Flusses und hat ein entgegengesetztes Vorzeichen (Lenzsche Regel). (Formeln für Ruhe und Fluss mit Winkel)

Induzierter Strom in einer Schleife

Wenn der magnetische Fluss durch eine Schleife (z.B. in den Fällen A, B und C) konstant bleibt, wird kein Strom induziert. Wenn jedoch der magnetische Fluss durch die Schleife (z.B. in Fall D) über die Zeit variiert, wird ein elektrischer Strom induziert.

Analyse von Graphen zur Induktion

A) Welcher der drei Graphen zeigt eine konstante Induktion? Um eine konstante induzierte EMK zu erhalten, muss der magnetische Fluss eine lineare Änderung über die Zeit aufweisen. Der einzige Graph, der dies zeigt, ist der dritte Graph. B) In welche Richtung fließt der induzierte Strom? Wenn der Fluss in Richtung positiver Z-Werte zunimmt, sollte das induzierte Magnetfeld dieser Zunahme entgegenwirken. Dies würde bedeuten, dass der Strom im Uhrzeigersinn fließt, um ein entgegengesetztes Feld zu erzeugen.

Magnetfeld und Spule: Fluss und Richtung

Ein Magnetfeld induziert im Ruhezustand einen Strom, der der Änderung des Flusses entgegenwirkt. Wenn der Magnetfeldvektor und der Oberflächenvektor der Spule parallel sind, wird der maximale magnetische Fluss durch die Spule erzeugt.

Bestimmung der Richtung des induzierten Stroms

Wenn die Richtung des Magnetfeldes und die Ausrichtung der Z-Achse bekannt sind, kann die Richtung des induzierten Stroms bestimmt werden. Der induzierte Strom erzeugt ein Magnetfeld, das der Änderung des ursprünglichen Flusses entgegenwirkt. Wenn der Fluss zunimmt, erzeugt das induzierte Feld einen Fluss in entgegengesetzter Richtung.