Elektromagnetische Induktion
Die Lenz’sche Regel
Versuch
Wenn im letzten Versuch statt der Leiterschleife eine Spule mit vielen Windungen verwendet wird, steigt die Spannung entsprechend an und man kann beispielsweise ein Glühbirnchen zum Leuchten bringen. Ein Fahrraddynamo, aber auch ein großer Wechselstromgenerator, arbeiten genau nach diesem Prinzip.
Beim Fahrraddynamo fließt durch das Glühbirnchen ein Induktionsstrom und gleichzeitig ist ein deutlicher Drehwiderstand feststellbar. Schon aus Gründen der Energieerhaltung muss dies so sein. Das Licht und die Wärme, die das Glühbirnchen abstrahlt, wird von der mechanischen Arbeit, die beim Drehen der Rotationsachse verrichtet wird, geliefert.
Was dabei im Inneren der Windungen passiert, soll die Skizze rechts verdeutlichen. Auf ein einzelnes Elektron im Leiter wirkt auf Grund der Bewegung der Leiterschleife eine magnetische Kraft \(\vec{F_{L}}\) (Lorentzkraft) in Leiterrichtung.
Sie verschiebt das Elektron und erzeugt dadurch eine Induktionsspannung. Wegen des geschlossenen Stromkreises fließt nun ein Induktionsstrom durch den Leiter und den Widerstand, der sich dabei erwärmt. Auf das fließende Elektron wirkt nun wiederum eine magnetische Kraft \(\vec{F}\) (Lorentzkraft), die in die entgegengesetzte Richtung des Geschwindigkeitsvektors \(\vec{v}\) weist und somit die Bewegung hemmt. Die mechanische verrichtete Arbeit entspricht dabei der elektrischen Energie, die im Widerstand umgesetzt wird, der Energieerhaltungssatz ist somit erfüllt.
Dieser Sachverhalt ist von allgemeiner Bedeutung. Er wurde von Heinrich Lenz (1804-1865) folgendermaßen formuliert:
\(„Ein~Induktionsstrom~fließt~immer~so,~dass~die\\Ursache~für~seine~Enstehung~gehemmt~wird.“~~~~~~~~~~~~~Die~Lenz’sche~Regel\)
Im Induktionsgesetz berücksichtigt man die Lenz’sche Regel, indem man ein Minuszeichen voranstellt:
\(U_{ind} = -~n \cdot \dot{Φ}~~~~~~~~~~Das~Induktionsgesetz\)