Elektromagnetische Induktion – Ursachen

„Puh, wo ging's hier denn nochmal lang?“ „Hmm, erstmal aufs Handy schauen.“ „War ja klar.“ Wo kriegt man hier jetzt Strom her? Und wie wird der überhaupt erzeugt? Das geht am besten über „Elektromagnetische Induktion“. Die Ursachen dieses Phänomens – und wie es dann genutzt wird – sehen wir uns in diesem Video an. Von „elektromagnetischer Induktion“ spricht man, wenn in einem Körper eine „elektrische Spannung“, durch den Einfluss eines „Magnetfeldes“, hervorgerufen, also „induziert“, wird. Aber wie funktioniert das? Eine elektrische Spannung entsteht dann, wenn sich in einem Körper Bereiche unterschiedlicher elektrischer Ladung bilden. Die entscheidenden Ladungsträger sind dabei die negativ geladenen „Elektronen“, die sich in einem leitenden Material frei zwischen den positiv geladenen „Atomkernen“ bewegen können. Normalerweise sind die „Elektronen“ gleichmäßig im Körper verteilt und gleichen die Ladungen der „Atomkerne“ aus. Sie können aber durch den Einfluss eines Magnetfeldes dazu gebracht werden, sich an einem Ende des Körpers zu sammeln. Das beruht auf der elektromagnetischen Kraftwirkung, die ein von außen eingebrachtes „Magnetfeld“ auf die Elektronen ausübt. Dies ist die „Lorentzkraft“ – benannt nach einem niederländischen Physiker. Allerdings wirkt sich diese Kraft nur kurz aus, denn die negativ geladenen Elektronen stoßen sich gegenseitig ab und werden durch die positiven Ladungen der Atomkerne sofort wieder angezogen. Die „Trennung der Ladungen“ – und damit die elektrische Spannung – besteht also nur in der Zeit, in der sich das Magnetfeld verändert. Genauer gesagt, wenn sich der „magnetische Fluss“ im Umfeld des Körpers ändert. Was das bedeutet, lässt sich gut nachvollziehen, wenn wir eine leitende Spule als Körper betrachten. Nähert sich nun ein „Permanentmagnet“ der Spule, ändert sich das Magnetfeld in deren Umfeld. Durch diese Änderung des magnetischen Flusses werden die „Elektronen“ im Draht der Spule bewegt, und wir können eine „Induktionsspannung“ messen. Genauso gut können wir den Magneten um die Spule herum bewegen, oder sich drehen lassen. Immer wird der magnetische Fluss im Umfeld der Spule verändert, und damit eine Spannung in dieser induziert. Das funktioniert ebenso, wenn wir die Spule anstelle des Magneten bewegen. Allerdings klappt es nicht, wenn wir beide gemeinsam und gleichmäßig bewegen – denn dann verändert sich der magnetische Fluss im Umfeld der Spule nicht. Wenn nun der Magnet gegenüber der Spule bewegt wird, kann dessen „Bewegungsenergie“, durch die Induktion im Stromkreis in „elektrische Energie“ umgewandelt werden. Das ist das „Generatorprinzip“, auf dem viele Methoden der Stromerzeugung beruhen, die eine „Kreisbewegung“ eines Magneten zwischen einer oder mehreren Spulen nutzen. Zum Beispiel in einer „Windkraftanlage“, einer „Wasserkraftturbine“, oder auch einem einfachen „Fahrraddynamo“ kommt es zum Einsatz. Dabei kann der Magnet innerhalb der Spulen, oder mehrere Spulen um den Magneten herum gedreht werden. Entscheidend ist, wie schnell und wie stark sich der „magnetische Fluss“ im Umfeld der Spulenwindungen ändert. Anstelle eines „Permanentmagneten“ kann das Magnetfeld dabei auch durch einen „Elektromagnet“, eine sogenannte „Feldspule“, erzeugt werden. Das ermöglicht eine Änderung des magnetischen Flusses schon allein durch das „Ein- und Ausschalten“ der Feldspule, ohne diese bewegen zu müssen. Man kann die in der „Induktionsspule“ induzierte Spannung dann auch regulieren, indem man die „Stromstärke“, und damit das Magnetfeld der Feldspule, anpasst. Ein ähnliches Prinzip wird in „Transformatoren“ genutzt, um beispielsweise große Spannungen in kleinere, alltagstaugliche umzuwandeln. Fassen wir die elektromagnetische Induktion noch einmal zusammen: Wenn sich um einen elektrischen Leiter – zum Beispiel eine Spule – der „magnetische Fluss“ ändert, wird eine Spannung induziert. Ursache dafür ist die Bewegung von Elektronen im Leiter, die durch die „Lorentzkraft“ hervorgerufen wird. Der magnetische Fluss ändert sich dann, wenn ein „Permanentmagnet“ oder eine „Feldspule“ relativ zur „Induktionsspule“ bewegt wird. Das geschieht zum Beispiel in einem „Dynamo“ durch die Drehbewegung eines kleinen Magneten.

Auch durch die Änderung der „Stromstärke“ in einer Feldspule kann eine „Flussänderung“ und damit Induktion hervorgerufen werden, was zum Beispiel in Transformatoren genutzt wird. „Transformator, Generator, Dynamo“ das ist ja alles ganz nett. Aber ohne passendes Ladekabel bringt das leider alles nichts!