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Elektromagnetische Induktion – Ursachen 07:23 min

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Transkript Elektromagnetische Induktion – Ursachen

Hallo, wir wollen uns heute mit den Ursachen der elektromagnetischen Induktion beschäftigen. Du solltest dazu einige Kenntnisse über das Magnetfeld von Dauermagneten und Elektromagneten mitbringen. Wir lernen heute, wie mechanische in elektrische Energie umgewandelt werden kann, wie mechanische Bewegung eine elektromagnetische Induktion hervorruft und wie die Induktion ohne Bewegung erfolgt. Mit einem Fahrraddynamo lässt sich recht einfach elektrischer Strom erzeugen. Der Dynamo besteht aus einem Antriebsrad, du kannst es hier oben sehen, und einem damit verbundenen zylinderförmigen Magneten. Der Magnet ist farblich markiert. Rot steht für Nordpol und grün für Südpol. Der Magnet dreht sich innerhalb einer Spule, die du hier an den Rändern erkennen kannst. Wenn sich der Magnet innerhalb der Spule dreht, werden die Lampen am Fahrrad zum Leuchten gebracht. Ruht der Magnet, sind auch die Lampen aus. Im Dynamo findet also eine Energieumwandlung statt. Die Bewegungsenergie des Fahrrades wird in elektrische Energie umgewandelt. Diese Energieumwandlung beruht auf einem Vorgang, der als elektromagnetische Induktion bezeichnet wird und von Michael Faraday, einem englischen Physiker, bereits im Jahre 1831 entdeckt wurde. Wir wollen den Vorgang der Energieumwandlung etwas näher untersuchen. Dazu stellen wir uns einen Stabmagneten vor, der in eine Spule hinein und aus ihr heraus bewegt werden soll. Die Enden der Spule sind mit einem Messgerät für Spannungen verbunden. Solange der Magnet in die Spule hineingeschoben wird, zeigt das Messgerät eine Induktionsspannung an. Befindet sich der Magnet in der Spule und ruht dort für einen kurzen Moment, ist die Induktionsspannung null. Wird der Magnet aus der Spule herausgezogen, zeigt das Messgerät wieder eine Induktionsspannung an. Nun aber mit umgekehrter Polung. Du kannst das an dem Zeigerausschlag erkennen. Der erfolgt nun zur anderen Richtung. Wir ändern die Versuchsdurchführung und halten den Magneten fest und bewegen die Spule. Auch bei diesem Experiment entsteht eine Induktionsspannung. Je nach Bewegungsrichtung zeigt das Messgerät diese Spannung entsprechend an. Nun werden Spule und Magnet gleichzeitig, also parallel zueinander, bewegt. Hier ist zu sehen, dass beide Wagen miteinander starr verbunden sind. Bei diesem Experiment zeigt das Messgerät keine Spannung an. Das Magnetfeld ändert sich in Bezug auf die Spule nicht. Wir können auch den Magneten vor der Spule drehen oder die Spule vor dem Magneten drehen. Jedes Mal entsteht eine Induktionsspannung. Wir halten fest: Bewegen sich Magnet und Spule relativ zueinander, so tritt an den Enden der Spule eine Spannung auf. Dieser Vorgang wird als elektromagnetische Induktion bezeichnet. Was ist eigentlich bei diesen Experimenten passiert? Dazu sehen wir uns die magnetischen Feldlinien des Stabmagneten noch einmal genauer an. Bewegt man den Magneten in die Spule hinein oder aus ihr heraus, so ändert sich die Dichte der Feldlinien innerhalb der Spule. Anders formuliert, wenn sich das von der Spule umschlossene Magnetfeld ändert, wird eine Spannung induziert. Und zwar egal, wer sich von beiden bewegt. Wir halten wieder fest: Eine Induktionsspannung tritt an den Enden der Spule dann auf, wenn sich bei der Bewegung zwischen Magnet und Spule das von der Spule umschlossene Magnetfeld ändert. Die bisherigen Experimente haben wir mit einem Dauermagneten durchgeführt. Es gibt aber noch eine andere Sorte von Magneten, die Elektromagnete. Und wir betrachten jetzt wieder eine Anordnung ohne Bewegung. Wir stellen jetzt einmal vor unsere Spule, hier rechts, wir nennen sie Induktionsspule, weil dort die Spannung induziert wurde, eine zweite Spule, hier links. Diese Spule wirkt als Elektromagnet, wenn ein Strom anliegt. Und wenn ein Strom anliegt entsteht ein Magnetfeld, deshalb bezeichnet man die Spule auch als Feldspule. Schalten wir das Magnetfeld der Feldspule ein, so entsteht wieder in der Induktionsspule eine Spannung. Wird der Strom ausgeschaltet, bricht das Magnetfeld zusammen und erzeugt auch wieder eine Spannung. Es kann also auch ohne Bewegung eine Induktionsspannung erzeugt werden. Übrigens kann sich das Magnetfeld des Elektromagneten auch ändern, wenn in den eingeschalteten Elektromagneten ein Eisenkern hinein geschoben oder aus ihm entfernt wird. Das Wesentliche ist, dass sich das von der Induktionsspule umfasste Magnetfeld ändert. Wir können jetzt unsere Erkenntnisse wieder in einem Satz formulieren: Eine Induktionsspannung tritt an den Enden der Spule dann auf, wenn sich das von der Spule umschlossene Magnetfeld ändert. Dabei ist es offenbar egal, ob die Änderung mit oder ohne Bewegung erfolgt. Wir fassen zusammen: Die Änderung des Magnetfeldes kann durch eine Relativbewegung zwischen Magnet und Spule erfolgen. Ohne mechanische Bewegung entsteht in einer Spule eine Induktionsspannung, wenn die Stärke eines Magnetfeldes von einem Elektromagneten geändert wird. Damit können die Ursachen der elektromagnetischen Induktion in einem Satz zusammengefasst werden. In einer Spule entsteht eine Induktionsspannung, wenn sich das von der Spule umfasste Magnetfeld ändert. Das war es für heute, ich hoffe dir hat es etwas Spaß gemacht und du hast alles verstanden. Bis zum nächsten Mal.

8 Kommentare
  1. Gutes video

    Von Meier L U 11, vor 8 Monaten
  2. bitte sprich etwas unmonotoner und motivierter

    Von Kgillo, vor mehr als einem Jahr
  3. Ich wurde gerettet :) mein Lehrer kann nicht erklären und wiederholt seit Stunden den selben Stoff! Jetzt kann ich doch ohne bedenken die SA schreiben. ♥

    Von Mara Ludowig, vor fast 2 Jahren
  4. Wenn man bei Antwort 5 davon ausgeht, dass der Strom konstant ist (und es wird nichts gegenteiliges gesagt) wird hier keine Spannung induziert.

    Von Weber 6, vor mehr als 2 Jahren
  5. MORGEN 0 PUNKTE AUFJEDEN

    Von Paquekuhlmann, vor mehr als 2 Jahren
  1. Hallo Csak Anna, danke für deinen Kommentar.
    Könntest Du bitte mal die von dir erwähnten Rechtschreibfehler durch Angabe der jeweiligen Zeiten deutlich machen - vielen Dank und beste Grüße W. Tews

    Von Wolfgang Tews, vor fast 4 Jahren
  2. gutes Video, in den Übungen sind jedoch viele Rechtschreibfehler...

    Von Anna c., vor fast 4 Jahren
  3. Dein erstes Video bei Sofatutor hat mir richtig gut gefallen und mein längst verschollen geglaubtes Wissen rund um die Induktion wieder aufgefrischt. Deine einprägsamen Merksätze sind ebenfalls eine große Hilfe. Danke!!!

    Von Green Spirit, vor mehr als 6 Jahren
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Elektromagnetische Induktion – Ursachen Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Elektromagnetische Induktion – Ursachen kannst du es wiederholen und üben.

  • Erkläre die Funktionsweise des Fahrraddynamos.

    Tipps

    Eine Änderung eines Magnetfeldes ist notwendig, um eine Spannung zu induzieren.

    Es wird kinetische in elektrische Energie umgewandelt.

    Die Lampe leuchtet nur, wenn sich das Rad dreht.

    Lösung

    Der Fahrraddynamo besteht aus einem Antriebsrad, welches die kinetische Energie des Rades auf einen an ihr befestigten Dauermagneten überträgt. Der Magnet dreht sich also. Außerdem ist der Magnet von einer Spule umgeben, in der durch die ständige Änderung des von ihr umschlossenen Magnetfeldes (drehender Magnet) eine Spannung induziert wird. Solange sich das Fahrrad bewegt, wird also der Magnet in der Spule gedreht, damit eine Spannung induziert und so kann die Fahrradlampe leuchten. Steht das Rad, so ändert sich das Magnetfeld nicht mehr und es kann kein Strom fließen. Die Lampe ist dann aus.

    Hier wird also die kinetische Energie des Rades in elektrische Energie umgewandelt.

  • Definiere die elektromagnetische Induktion.

    Tipps

    Eine Änderung des Magnetfeldes ist notwendig.

    Das Magnetfeld eines Permanentmagneten ist in unterschiedlichen Abständen von seinen Polen unterschiedlich stark.

    Dreht sich ein Magnet in einer Spule, wird eine Spannung induziert.

    Maßgeblich für die Induktion ist eine Änderung des Magnetfeldes.

    Lösung

    Elektromagnetische Induktion tritt auf, wenn sich das von einer Spule umschlossene Magnetfeld ändert. Das heißt, die Dichte und Verteilung der Magnetfeldlinien in der Spule muss verändert werden, damit eine Spannung induziert wird.

    Da das Magnetfeld eines Magneten abhängig von der Entfernung zu seinen Polen ist, ist der einfachste Fall der Magnetfeldänderung der, dass wir einen Magneten relativ zu einer Spule bewegen.

    Dadurch wird die magnetische Flussdichte in der Spule verändert. Es liegt also eine Änderung des Magnetfeldes vor und eine Spannung wird induziert.

    Ein Beispiel wäre etwa das Drehen eines Magneten in einer festen Spule

  • Bezeichne die Bauteile des Experiments.

    Tipps

    Das erzeugte Magnetfeld muss regulierbar sein,

    Wir wollen eine Induktionsspannung nachweisen.

    Die Aufgabe einer der Spulen ist das Erzeugen eines magnetischen Feldes.

    Lösung

    Der Versuchsaufbau besteht im Wesentlichen aus fünf Bauteilen. Auf der linken Seite befindet sich die Feldspule. Diese erzeugt ein elektrisch angetriebenes Magnetfeld. Um dieses zu steuern, muss der Schalter betätigt werden, der die Spule und die Stromquelle voneinander trennt.

    Das mit der Feldspule erzeugte Magnetfeld beeinflusst die rechte Spule, die man Induktionsspule nennt. Solang eine Änderung des Magnetfeldes der Feldspule vorliegt, wird in der Induktionsspule eine Spannung erzeugt, die wir mit dem Spannungsmesser oder Voltmeter messen können. Diese erzeugte Spannung nennt man Induktionsspannung.

  • Erkläre, warum eine Spannung induziert wird.

    Tipps

    Eisenkerne haben ferromagnetische Eigenschaften.

    Ein Eisenkern erhöht die magnetische Flussdichte in einer Spule.

    Maßgeblich für die Induktion einer Spannung in der Induktionsspule ist die Änderung des Magnetfeldes der Feldspule.

    Lösung

    Maßgeblich für die Induktion einer Spannung in der Induktionsspule ist eine Veränderung des Magnetfeldes, welches diese umschließt. Möglichkeiten zur Veränderung eines Magnetfeldes sind die relative Bewegung eines Permanentmagneten zur Induktionsspule oder das An- und Abschalten des Magnetfeldes eines Elektromagneten. Eine weitere Möglichkeit ein Magnetfeld zu verändern besteht darin, einen Eisenkern einzubringen. Dieser erhöht die magnetische Flussdichte aufgrund seiner ferromagnetischen Eigenschaften. (Die Eigenschaft des Eisens ist es, die Feldlinien eines Magnetfeldes zu konzentrieren).

    Da sich die Konzentration der Feldlinien in der Feldspule erhöht, sobald ein Eisenkern eingebracht wird, wird dadurch eine Änderung des Magnetfeldes bewirkt. Das ist die Voraussetzung, um eine Spannung (in der Induktionsspule) zu induzieren.

    Verbleibt der Eisenkern in Ruhe, wird keine Spannung induziert.

  • Erkläre die Induktion an Beispielen.

    Tipps

    Eine Induktionsspannung kann auf mehrere Arten entstehen.

    Die Funktionsweise von Motor und Generator sind entgegengesetzt.

    Lösung

    Um eine Spannung mittels einer Induktionsspule zu induzieren, können wir eine Feldspule nutzen. In dieser Feldspule wird ein magnetisches Feld erzeugt. Die Veränderung dieses Feldes beeinflusst die Induktionsspule, in der eine Spannung induziert wird, veranlasst durch die Änderung des Magnetfeldes der Feldspule. Dieser Prozess wird elektromagnetische Induktion genannt.

    Induktion kann auch mit einem Permanentmagneten erreicht werden. Ein sehr bekanntes Beispiel dafür ist der Fahrrad-Dynamo. In diesem dreht sich ein Magnet, der von einer Spule umschlossen ist, um die eigene Achse. Nord- und Südpole des Magneten verändern daher stets ihren Ort. Auch in diesem Fall liegt eine Änderung des Magnetfeldes vor. Es wird also eine Spannung induziert.

    Der Vorgang der Umwandlung von kinetischer zu elektrischer Energie, wie bei einem Fahrraddynamo zu beobachten, wird als generatorisch bezeichnet. Mit anderen Worten könnte man sagen, es ist ein Energie erzeugender Vorgang, denn elektrische Energie wird gewonnen.

    Das Gegenstück zum Generator ist der Motor (Elektromotor). Dieser benutzt elektrische Energie, um sie in kinetische Energie umzuwandeln. Vibriert also dein Handy den ganzen Tag (Vibration ist eine Art der Bewegung), wird hier auch elektrische Energie in kinetische Energie umgewandelt. Je mehr es vibriert, desto schneller ist der Akku leer.

    Du siehst: Es gibt viele Beispiele für Induktion, Elektromotoren und Generatoren, denen du in deinem Alltag begegnest.

  • Entscheide, ob eine Spannung induziert wird.

    Tipps

    Um eine Spannung zu induzieren, muss eine Änderung des Magnetfeldes auftreten.

    Unterscheide zwischen relativer und absoluter Bewegung.

    Maßgeblich ist nicht die Herkunft des Magnetfeldes. Für Permanentmagnet und Feldspule gelten dieselben Überlegungen hinsichtlich der Induktion.

    Lösung

    Eine Spannung wird nur dann induziert, wenn eine Änderung des Magnetfeldes vorliegt, also wenn sich die magnetische Flussdichte zu einem Zeitpunkt $t_1$ von der zu einem Zeitpunkt $t_2$ unterscheidet. Für den Fall, dass ein Magnetfeld in einer Spule zwar vorhanden ist, es sich jedoch nicht ändert, wird keine Spannung induziert.

    Für die Permanentmagneten sind die Fälle, in denen eine Spannung in der Induktionsspule induziert wird, einfach zu ermitteln: Solange der Permanentmagnet sich relativ zur Spule bewegt, wird eine Spannung induziert. Dabei spielt es keine Rolle, ob der Magnet sich dreht oder ob er in eine Spule hinein- und wieder herausgeschoben wird.

    Etwas komplizierter ist es bei den Elektromagneten. Diese sind selbst Spulen (Feldspule) und erzeugen dann ein Magnetfeld, wenn sie ein Strom durchfließt. Auch hier kommt es darauf an, dass eine Änderung des Magnetfeldes vorliegt. Das heißt, es wir nur ein Strom induziert, wenn zu einem Zeitpunkt $ t_1$ ein anderes Magnetfeld vorliegt als zu einen Zeitpunkt $t_2$.

    Also wird analog zu den Permanentmagneten eine Spannung nur induziert, wenn sich das Magnetfeld ändert, zum Beispiel indem der Strom der Feldspule an- und abgeschaltet wird. Eine weitere Möglichkeit ist, das Magnetfeld der Feldspule abzuschwächen oder zu verstärken.