Elektromagnetische Induktion – Ursachen

Elektromagnetische Induktion – Ursachen Übung

• Beschreibe, was elektromagnetische Induktion bedeutet.

  Tipps

  Wir betrachten hier eine Beziehung zwischen Magnetfeldern und elektrischen Feldern. Ein Magnet kann also das elektrische Feld beeinflussen.

  Die Spannung ist dafür verantwortlich, dass Strom fließen kann.
  Fließt ein elektrischer Strom, so bedeutet das, dass Elektronen in einer gerichteten Bewegung durch einen Metallleiter wandern.

  Lösung

  Eine elektrische Spannung ist dafür verantwortlich, dass Strom fließen kann. Das bedeutet, dass Elektronen in einer gerichteten Bewegung durch einen Metallleiter wandern. Diese Elektronen sind negativ geladen und durch ihre Bewegung entsteht ein elektrisches Feld: Sie bewegen sich vom Minuspol zum Pluspol, wodurch ein fließender Strom entsteht.

  Neben elektrischen Feldern gibt es auch magnetische Felder. Beide Felder können elektrische oder magnetische Objekte beeinflussen, zum Beispiel eine Ladung oder einen Magneten. Bei Magneten gibt es den Nordpol und den Südpol, beim Stromkreis sprechen wir vom Minuspol und vom Pluspol. Die magnetische Flussdichte gibt an, wie viel magnetischer Fluss pro Fläche im Magnetfeld wirkt. Fließt nun Strom durch einen Leiter, entsteht um diesen herum ein Magnetfeld. Hier spricht man von Elektromagnetismus: Elektrischer Strom sorgt für ein Magnetfeld.

  Wenn sich ein Permanentmagnet auf eine Spule zubewegt, dann ändert sich das Magnetfeld im Umfeld der Spule. Dadurch ändert sich der magnetische Fluss und im Draht werden die Elektronen der Spule bewegt: Wir können eine Induktionsspannung messen.

  Die elektromagnetische Induktion ist also ein Vorgang, bei dem durch Bewegung eines elektrischen Leiters im Magnetfeld oder durch Änderung des von einem Leiter umschlossenen Magnetfeldes eine elektrische Spannung und somit ein Stromfluss erzeugt wird.

• Gib an, welche Aussagen zur elektromagnetischen Induktion korrekt sind.

  Tipps

  Überlege dir noch einmal genau, was bei der Induktion passiert: Wie verhalten sich Magnetfeld und Leiter zueinander?

  Wir können das Magnetfeld nutzen, um etwas im Leiter zu erzeugen. Das nennen wir dann „induzieren“ bzw. „Induktion“.

  Von elektromagnetischer Induktion spricht man, wenn in einem Körper eine elektrische Spannung durch den Einfluss eines Magnetfeldes hervorgerufen, also induziert, wird.

  Durch Änderung des magnetischen Flusses werden die Elektronen im Draht der Spule bewegt: Wir können eine Induktionsspannung messen.

  Lösung

  Elektromagnetische Induktion ist ein physikalisches Phänomen, bei dem eine Änderung des Magnetfeldes in der Nähe eines Leiters (z. B. einer Spule) eine elektrische Spannung im Leiter erzeugt. Ändert sich das Magnetfeld in der Nähe des Leiters, fließt für eine kurze Zeit ein elektrischer Strom im Leiter.

  Folgende Antwort ist richtig:

  • Bei der elektromagnetischen Induktion wird eine elektrische Spannung in einem Körper durch den Einfluss eines sich ändernden Magnetfeldes hervorgerufen.

  Durch Änderung des magnetischen Flusses werden die Elektronen im Draht der Spule bewegt und wir können eine Induktionsspannung messen.

  Folgende Antworten sind falsch:

  • Bei der elektromagnetischen Induktion entsteht ein elektrisches Feld durch einen unveränderlichen magnetischen Fluss.

  Eine Spannung wird induziert, wenn sich das Magnetfeld, also der magnetische Fluss, ändert.

  • Bei der elektromagnetischen Induktion werden durch elektrische Spannungen Magnetfelder erzeugt.

  Durch Bewegung eines elektrischen Leiters im Magnetfeld oder durch Änderung des Magnetfeldes wird eine elektrische Spannung und ein Stromfluss erzeugt und nicht anders herum.

  • Elektromagnetische Induktion entsteht durch die Abstoßungskräfte zwischen den einzelnen Elektronen.

  Gleiche Ladungen stoßen sich ab. Darum stoßen sich Elektronen gegenseitig ab. Dies geschieht allerdings auch ohne den Einfluss von Magneten und hat daher nichts mit der Induktion zu tun.

• Erkläre die Anwendung der elektromagnetischen Induktion bei Ampelanlagen.

  Tipps

  Durch Bewegung eines elektrischen Leiters im Magnetfeld oder durch Änderung des von einem Leiter umschlossenen Magnetfeldes werden eine elektrische Spannung und ein Stromfluss erzeugt.

  Ein Eisenkern in einer Spule verstärkt deren Magnetfeld.

  Lösung

  Elektromagnetische Induktion ist ein physikalisches Phänomen, bei dem eine Änderung des Magnetfeldes in der Nähe eines Leiters eine elektrische Spannung im Leiter erzeugt. Ändert sich das Magnetfeld in der Nähe des Leiters, fließt ein elektrischer Strom im Leiter.

  Ampelanlage

  Vor der Haltelinie einer Ampel ist eine Induktionsschleife verlegt. Die Funktionsweise dieser Induktionsschleife beruht auf dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion. Fährt ein Fahrzeug (Auto) darüber, schaltet die Ampel nach kurzer Zeit auf Grün.
  Die Schaltung unter der Straße stellt die mit Strom durchflossene Spule dar: Wenn ein Fahrzeug darüberfährt, dann wirkt das Eisen des Fahrzeuges wie ein Eisenkern in einer Spule. Das Magnetfeld der Spule wird verstärkt. Somit ändert sich das Magnetfeld der Spule und es kommt zur Induktion. Der induzierte Strom wird steuert die Ampelanlage.

• Entscheide, ob das Generatorprinzip oder das Transformatorprinzip hinter den Vorgängen steckt.

  Tipps

  Überlege, ob Strom durch andere Energieformen gewonnen wird oder ob eine Spannung in eine andere Spannung umgewandelt wird: Ist dies bei Generatoren oder Transformatoren der Fall?

  Bei einem Generator wird elektrische Energie gewonnen, in dem sie aus einer anderen Energieform umgewandelt wurde. Bei einer Spule und einem Magnetfeld kann man durch Bewegung mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln.

  Ein Transformator wandelt eine Spannung in eine andere Spannung um: Anstelle eines Permanentmagneten wird das Magnetfeld dabei durch einen Elektromagneten, eine sogenannte Feldspule, erzeugt. Diese ist permanent in Bewegung und induziert in einer anderen Spule eine Spannung.

  Lösung

  Generatoren

  Wird der Magnet gegenüber der Spule bewegt, 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. Dabei kann der Magnet innerhalb der Spulen oder mehrere Spulen können um den Magneten herum gedreht werden: Entscheidend ist, wie schnell und wie stark sich der magnetische Fluss im Umfeld der Spulenwindungen ändert. Ein Generator erzeugt also Strom.

  Das Generatorprinzip findet Anwendung bei folgenden Beispielen:

  • Lichtmaschine am Auto: Eine Lichtmaschine ist ein Generator. Sie wandelt mechanische Energie in elektrische Energie um, indem sie eine Spule innerhalb eines Magnetfeldes rotieren lässt. Durch die Bewegung der Spule innerhalb des Magnetfeldes wird eine elektrische Spannung induziert und es entsteht ein Stromfluss. Dieser Stromfluss wird genutzt, um die Batterie eines Fahrzeuges aufzuladen und um elektrische Geräte im Fahrzeug zu betreiben.
  • Stromversorgung in Kraftwerken: Generatoren werden in Kraftwerken eingesetzt, um elektrische Energie aus verschiedenen Energiequellen wie Kohle, Gas, Wasser und Wind zu erzeugen.
  • Bremsvorgang bei Elektrofahrzeugen: Generatoren werden beim Bremsvorgang in Hybrid- und Elektrofahrzeugen eingesetzt, um deren Batterien aufzuladen.

  Transformatoren

  Ein Transformator wandelt eine Spannung in eine andere Spannung um. Anstelle eines Permanentmagneten wird das Magnetfeld dabei durch einen Elektromagneten, eine sogenannte Feldspule, erzeugt. 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 aber auch regulieren, indem man die Stromstärke – und damit das Magnetfeld der Feldspule – anpasst.

  Das Transformatorprinzip findet Anwendung bei folgenden Beispielen:

  • Netzteil zum Laden eines Computers: Der Transformator im Netzteil wandelt die Netzspannung in eine niedrigere Spannung um, die für den Betrieb des Computers benötigt wird. Dieser Vorgang reduziert die Spannung, erhöht aber gleichzeitig den Strom, um die Leistung konstant zu halten.
  • Stromübertragung: Transformatoren werden in Übertragungsnetzen eingesetzt, um hohe Spannungen von Kraftwerken zu reduzieren und sie über große Entfernungen zu transportieren. Danach werden diese Spannnungen in Verteilungsnetzen wieder in ihren ursprünglichen Zustand, also hohe Spannungen, transformiert.

• Gib an, bei welcher Abbildung eine Spannung in der Spule induziert wird.

  Tipps

  Überlege dir noch einmal genau, was mit einem Magneten passieren muss, damit eine Spannung in der Spule induziert wird.

  Wenn sich der Magnet oder die Spule so bewegt, dass sich das Magnetfeld im Umfeld der Spule ändert, wird eine Spannung induziert. Überlege dir also, bei welcher Abbildung sich das Magnetfeld ändert.

  Es sind drei Abbildungen richtig.

  Lösung

  Induktion tritt immer dann auf, wenn sich das Magnetfeld im Umfeld der Spule ändert. Durch eine Änderung des magnetischen Flusses im Umfeld der Spule werden die Elektronen im Draht der Spule bewegt und wir können eine Induktionsspannung messen.

  Bei der ersten Abbildung können wir erkennen, dass der Magnet nach links und rechts bewegt wird. Dadurch ändert sich das Magnetfeld um die Spule, da sich der Magnet von der Spule entfernt und wieder zu ihr hinbewegt. Es wird eine Spannung induziert. $\Rightarrow$ Diese Abbildung ist also richtig.

  Bei der zweiten Abbildung können wir erkennen, dass der Magnet nach oben und unten bewegt wird. Auch hier ändert sich deswegen das Magnetfeld im Umfeld der Spule, weil sich der Magnet von der Spule entfernt und wieder zu ihr hinbewegt. Es wird eine Spannung induziert. $\Rightarrow$ Diese Abbildung ist demnach ebenfalls richtig.

  In der dritten Abbildung können wir erkennen, dass sich die Spule vom Magneten weg- bzw. zum Magneten hinbewegt. Das hat den gleichen Effekt, als ob sich der Magnet selbst bewegt. Das Magnetfeld im Umfeld der Spule ändert sich. Es wird eine Spannung induziert. $\Rightarrow$ Diese Abbildung ist daher auch richtig.

  In der vierten Abbildung können wir erkennen, dass sich der Magnet und die Spule gar nicht bewegen. Dadurch kann sich das Magnetfeld natürlich nicht ändern. Es wird keine Spannung induziert. $\Rightarrow$ Diese Abbildung ist deshalb falsch.

• Erläutere die Funktionsweise eines Induktionsherdes.

  Tipps

  Elektromagnetische Induktion ist ein physikalisches Phänomen, bei dem eine Änderung des Magnetfeldes in der Nähe eines Leiters eine elektrische Spannung im Leiter erzeugt.

  Ein höherer Stromfluss im Topfboden führt zu einer stärkeren Wärmeentwicklung.

  Lösung

  Induktionsherde zum Kochen nutzen – wie der Name schon sagt – das Prinzip der elektromagnetischen Induktion: Bei Induktionsherden sind unter den Kochfeldern Magnetspulen angeordnet.

  Wir können folgende Sätze bilden:

  Da beim Einschalten durch die Magnetspule ein Wechselstrom fließt, entsteht ein Magnetfeld um die Spule, dessen Stärke und Richtung sich verändert.

  Dies liegt daran, dass der Wechselstrom selbst auch fortwährend seine Stärke und Richtung ändert.

  Zwischen dem Topf und den Spulen befindet sich eine Platte aus Glaskeramik. Dadurch wird das Magnetfeld kaum beeinflusst.

  Das Material ist bewusst so gewählt.

  Stellen wir nun einen Topf auf die Kochplatte, durchsetzt das Magnetfeld den Boden des Topfes und induziert in ihm Wirbelströme.

  Diese erwärmen dann den Topfboden.

  Dabei gilt: Je höher die Frequenz des Wechselstroms der Induktionsspule ist, desto größer ist der induzierte Strom.

  Das liegt daran, dass eine höhere Frequenz bedeutet, dass sich das Magnetfeld schneller ändert, was wiederum eine größere Änderung des Magnetflusses durch die Spule verursacht. Eine größere Änderung des Magnetflusses führt zu einer höheren Spannung und somit einem größeren Induktionsstrom.

  Je größer der induzierte Strom ist, umso stärker erwärmt sich der Topfboden.

  Die Wärmeenergie wird durch den elektrischen Widerstand des Topfbodens erzeugt, da der Strom durch den Topfboden fließt. Ein höherer Stromfluss führt zu einer stärkeren Wärmeentwicklung. Das bedeutet, dass ein Topf auf einem Induktionskochfeld mit einem größeren Strom stärker erhitzt wird als bei einem niedrigeren Strom, was zu einer schnelleren Erwärmung von Lebensmitteln führt.