Lenz'sche Regel 05:24 min

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Transkript Lenz'sche Regel

Hallo und herzlich willkommen zu Physik mit Kalle. Wir wollen uns heute aus dem Gebiet Elektrizität und Magnetismus, die Lenzsche Regel genauer ansehen. Für dieses Video solltet ihr auf alle Fälle bereits den Film über das allgemeine Induktionsgesetz gesehen haben. Wir lernen heute was die Lenzsche Regel ist, wie das Ganze eigentlich genau funktioniert und wo sie angewendet wird. Dann wollen wir mal: Die Lenzsche Regel besagt Folgendes: Die durch eine magnetische Flussänderung induzierte Spannung ist immer so gerichtet, dass sie ihrer Ursache entgegenwirkt. Wir hatten ja bereits schon in dem Film über das Induktionsgesetz gehört, dass in der Formel für die induzierte Spannung, die Lenzsche Regel durch ein Minuszeichen repräsentiert wird. Ihr erinnert euch: Ui=-N×d?/dt. Wie das mit dem Entgegenwirken nun genau funktioniert, das wollen wir uns im nächsten Kapitel ansehen. Stellen wir uns mal vor, wir nehmen einen Ring aus Metall, also einem leitenden Material, der eine Fläche A umschließt, und stellen ihn in eine Spule. Wenn wir nun Strom an die Spule anschließen, bildet sich innerhalb der Spule ein Magnetfeld und damit ändert sich der magnetische Fluss durch unseren Ring. Von dem Zeitpunkt, an dem die Spannung an die Spule angelegt wird und das Magnetfeld beginnt sich aufzubauen bis zu dem Zeitpunkt, an dem das Magnetfeld fertig aufgebaut ist, und sich der Fluss damit nicht mehr ändert, findet also eine Flussänderung statt, die eine Spannung in unserem Ring induziert. Durch diese induzierte Spannung fließt nun im Ring ein Strom im Kreis, man spricht auch von einem Kreiselstrom. Dieser Kreiselstrom verursacht nun selbst wieder ein Magnetfeld, aber in welche Richtung dieses Magnetfeld zeigt, das hängt von der Richtung des Stroms und damit von der Richtung der Spannung ab und da kommt die Lenzsche Regel ins Spiel. Wir haben gerade gehört, die induzierte Spannung ist immer so gerichtet, dass sie ihrer Ursache entgegenwirkt. Das heißt, wenn sich ein Magnetfeld aufbaut, wird in unserem Ring eine Spannung induziert, die dafür sorgt, dass ein Magnetfeld aufgebaut wird, das diesem Feldaufbau entgegenwirkt. Das heißt, das Feld, dass unser Ring erzeugt, wird in die entgegengesetzte Richtung zeigen. Ihr könnt das Ganze gern mit der Linke-Hand-Regel nachprüfen, beachtet aber, mit I meine ich immer die physikalische Stromrichtung, also von - nach +. So, nun ist, trotz magnetischem Gegenfeld, das Magnetfeld unserer Spule fertig aufgebaut, der magnetische Fluss durch den Ring ändert sich damit nicht mehr und es wird keine Spannung mehr induziert. Interessant wird es nun, wenn ich die Spannungsquelle wieder von der Spule abnehme und das Magnetfeld verschwindet. Dies ist wieder eine Änderung des magnetischen Flusses und wie vorhin wird auch diesmal eine Spannung induziert, die der Ursache entgegenwirkt. Diesmal ist die Ursache der Abbau des Magnetfeldes, das heißt, dieses Mal wird die Spannung so induziert werden, dass der Ring ein Magnetfeld aufbaut, das versucht, das sich abbauende äußere Magnetfeld zu erhalten. Wir merken uns: Der induzierte Kreiselstrom versucht stets, ein sich aufbauendes Magnetfeld zu hemmen oder ein sich abbauendes Magnetfeld zu erhalten. Wenn man darüber nachdenkt, macht das auch Sinn. Stellt euch vor, es wäre andersherum, dann könnte ich ein Magnetfeld, mit diesem Ring als Turbolader, quasi nur ein Mal anschubsen und es würde sich selbst immer weiter verstärken. Damit könnte ich ein Perpetuum Mobile bauen, also ein Gerät, das sich immer weiter von selbst bewegt und wie ihr wisst, verletzt das den Energieerhaltungssatz. Als Letztes wollen wir noch einen kurzen Blick auf die verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten der Lenzschen Regel werfen. Die Lenzsche Regel findet, als Teil des Induktionsgesetzes, natürlich zum Beispiel in allen Generatoren und Transformatoren Anwendung. Ich möchte aber hier ein paar Beispiele bringen, an denen man sie vielleicht besonders gut verstehen kann. So gibt es zum Beispiel verschiedene Arten von Magnetschwebebahnen, die die durch die Lenzsche Regel induzierten Magnetfelder benutzen, um sich in der Schwebe zu halten. Ein weiteres gutes Beispiel ist die Wirbelstrombremse, bei der das Prinzip des induzierten Gegenfeldes dazu benutzt wird, eine reibungsfreie Bremse für große Fahrzeuge zu bauen. Sie werden zum Beispiel im ICE eingesetzt. Als Letztes, vergleicht es mit dem Faradayschen Käfig, ist es natürlich auch möglich, mithilfe der Lenzschen Regel, Anordnungen zu bauen, mit denen ein Raum magnetfeldfrei gehalten wird und das war natürlich noch lange nicht alles. Wenn ihr noch mehr Anwendungen sehen wollt, sucht einfach im Internet. Wir wollen noch mal wiederholen, was wir heute gelernt haben. Die Lenzsche Regel besagt: Die durch eine magnetische Flussänderung induzierte Spannung ist stets so gerichtet, dass sie ihrer Ursache entgegenwirkt. Wir haben gesehen, die Lenzsche Regel verhindert ein Perpetuum Mobile. Sie ist ein Spezialfall des Energieerhaltungssatzes. Außerdem haben wir gelernt: Die Lenzsche Regel kann man in vielen technischen Anwendungen finden. So, das war es schon wieder für heute. Ich hoffe ich konnte euch helfen, vielen Dank fürs Zuschauen, vielleicht bis zum nächsten Mal, euer Kalle.

2 Kommentare
  1. Default

    Vielen Dank, echt hilfreiches Video :)

    Von Narang, vor mehr als 4 Jahren
  2. Default

    Danke für das hilfreiche Video :-)

    Von Oktaydemirel, vor etwa 5 Jahren

Lenz'sche Regel Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Lenz'sche Regel kannst du es wiederholen und üben.

  • Nenne die Definition der Lenz'schen Regel.

    Tipps

    Was wird durch ein Magnetfeld in einem Leiter induziert?

    Fließt auch ein Strom, wenn der Leiter in einem statischen Magnetfeld ruht?

    Lösung

    Laut Definition kann nur eine Spannung induziert werden. Diese bewirkt dann wiederum einen Elektronenfluss, also einen elektrischen Strom im Leiter. Ein Strom wird also nur indirekt durch die Spannung induziert.

    Weiterhin wird eine Spannung nur induziert, wenn sich die Stärke des Magnetfeldes ändert, also nur, wenn sich der Leiter durch das Magnetfeld bewegt, das Magnetfeld manuell an und ausgeschaltet wird oder wenn das Magnetfeld durch eine Wechselspannung erzeugt wird, und damit seine Polung und Stärke periodisch ändert.

  • Bestimme die physikalische Richtung des durch die induzierte Spannung bewirkten Stroms.

    Tipps

    Nutze die richtige Hand.

    Gehe vom bewirken Magnetfeld des Stroms aus.

    Ein aktiver Strom ist nur messbar, wenn dieser den kompletten Leiter durchfließt.

    Lösung

    Um die Richtung des Stroms zu bestimmen, geht man am besten vom erzeugten Magnetfeld des Leiters aus. Dieses ist dem von außen wirkenden Magnetfeld immer entgegengesetzt.

    Im zweiten Schritt prüft man nun mit der linken Hand die Richtung des Elektronenflusses. Dazu lässt man alle Fingerspitzen in die Wirkungsrichtung des entgegenwirkenden Magnetfeldes zeigen und prüft, in welche Richtung der Daumen weist.

    Damit es zu einem Strom im Leiter kommen kann, müssen Magnetfeldlinien und die Richtung des Stromes an jedem Punkt des Leiters einen Winkel bilden, der nicht 0° oder 180° beträgt.

    Wichtig ist, dass nur eine Änderung des magnetischen Flusses eine Spannung induziert. Daher muss sich entweder der Leiter bewegen oder die Stärke des Magnetfeldes ändern.

  • Bestimme die Wirkungsrichtung des durch den Induktionsstrom hervorgerufenen Magnetfeldes.

    Tipps

    Die Richtung des Elektronenflusses ist die physikalische Stromrichtung.

    Lösung

    In den beiden Fällen bewirkt der Elektronenfluss ein Magnetfeld. Da es um die Elektronenbewegung geht, nutzen wir die linke Hand zur Bestimmung der Richtung des Magnetfeldes. Für die Richtung ist die Bestimmung des Magnetfeldes innerhalb des Rings von Interesse.

    Achtung: Es geht um die physikalische Stromrichtung. Zudem wird der Elektronenfluss im Leiter sofort zusammenbrechen, wenn sich der magnetische Fluss von außen nicht mehr ändert.

  • Erkläre, wieso sich die Aluminiumfolie dreht.

    Tipps

    Was ist die Ursache?

    Wie kann dieser entgegengewirkt werden?

    Lösung

    Man würde zuerst meinen, dass in diesem Fall durch die unterschiedliche Polung der Magnetfelder gleichnamige Pole aufeinander treffen. Dadurch müsste eigentlich die Aluminiumscheibe genau entgegengesetzt zum Magneten rotieren.

    Jedoch muss für die Lenz'sche Regel immer die Ursache klar definiert werden. Es wird immer der Änderung des magnetischen Flusses entgegengewirkt. In diesem Fall also dem Geschwindigkeitsunterschied zwischen Magneten und Folie, also der Relativgeschwindigkeit des Magneten. Deshalb folgt die Folie dem rotierenden Magneten.

    Die Bewegung der Alufolie geht nur deutlich langsamer als in der Animation gezeigt. Der Punkt würde dem schnell rotierenden Magneten etwas langsamer hinterher wandern.

  • Bewerte die Erklärungen zum Versuch.

    Tipps

    Was besagt die Lenz'sche Regel?

    Lösung

    Aluminium ist wie Kupfer nicht magnetisch. Daher muss ein elektromagnetisches Phänomen vorliegen.

    Durch die Bewegung des Magneten in den Ring hinein wird der magnetische Fluss durch den Aluminumring verändert. Deshalb wird im Ring eine Spannung induziert, die wiederum einen Elektronenfluss bewirkt. Dieser erzeugt dann ein Magnetfeld, welches dem ursprünglichen Feld entgegengesetzt ist. Dadurch trifft Südpol und Südpol aufeinander und der Ring weicht aus.

  • Erkläre, wie eine Wirbelstrombremse funktioniert.

    Tipps

    Durch die Bewegung im Rohr wird eine Verkettung von Effekten ausgelöst.

    Ein magnetischer Effekt bewirkt einen elektrischen Effekt. Dieser bewirkt wiederum einen magnetischen Effekt. Wir sehen dabei nur die magnetischen Effekte.

    Lösung

    Der Magnet wird durch das von ihm selbsterzeugte Gegenfeld abgebremst. Es gelten dafür folgende Abhängigkeiten.

    Je stärker der Magnet ist, desto größer ist der magnetische Fluss, den dieser bewirkt.

    Je schneller der Magnet fällt, desto stärker ändert sich der magnetische Fluss im Kupferrohr.

    Je größer die Flussänderung, desto größer die induzierte Spannung.

    Je größer die induzierte Spannung, desto stärker wird der Elektronenfluss.

    Je größer der Elektronenfluss, desto stärker ist das bewirkte Magnetfeld.

    Je stärker das Magnetfeld, desto stärker wird der fallende Magnet gebremst.

    Damit wird ein leichter sehr starker Magnet viel stärker abgebremst als ein schwerer schwacher Magnet.

    So kann ein Eisenstück gleicher Masse ein Rohr mit zwei Meter Länge in 1,5 Sekunden durchqueren, während ein starker NdFeB-Magnet circa 30 Sekunden benötigt.

    Nach dem selben Effekt funktioniert auch die Wirbelstrombremse, mit der schnelle Züge und andere Hochleistungsfahrzeuge gebremst werden. Der Vorteil ist hier auf der einen Seite ein weiches Stoppen, da die Bremskraft mit abnehmender Geschwindigkeit auch immer schwächer wird, und auf der anderen Seite die gewaltige Bremskraft bei hohen Geschwindigkeiten.