mini|Ein bewegter Permanentmagnet erzeugt an den Klemmen einer Spule eine elektrische Spannung .
Unter elektromagnetischer Induktion (auch Faradayscher Induktion, nach Michael Faraday, kurz Induktion) versteht man das Entstehen eines elektrischen Feldes bei einer Änderung der magnetischen Flussdichte.
In vielen Fällen lässt sich das elektrische Feld durch Messung einer elektrischen Spannung mit einer Spule direkt nachweisen. Ein typisches Beispiel hierfür zeigt das nebenstehende Bild: Durch die Bewegung des Magneten wird eine elektrische Spannung induziert, die an den Klemmen der Spule messbar ist und für weitere Anwendungen bereitsteht.
Die elektromagnetische Induktion wurde 1831 von Michael Faraday bei dem Bemühen entdeckt, die Funktionsweise eines Elektromagneten (Strom erzeugt Magnetfeld) umzukehren (Magnetfeld erzeugt Strom). Der Zusammenhang ist eine der vier maxwellschen Gleichungen. Die Induktionswirkung wird technisch vor allem bei elektrischen Maschinen wie Generatoren, Elektromotoren und Transformatoren genutzt. Bei diesen Anwendungen treten stets Wechselspannungen auf.
Geschichtliche Entwicklung mini|Prinzip von Faradays historischem Experimentalaufbau: Eine Änderung des magnetischen Flusses in der linken Spule induziert eine Spannung in der rechten Spule. mini|Michael Faraday – Entdecker der Induktion
Die elektromagnetische Induktion als Teil der maxwellschen Gleichungen und der klassischen Elektrodynamik spiegelt den Kenntnisstand zum Ende des 19. Jahrhunderts wider. Zum damaligen Zeitpunkt wurden teilweise andere Begriffe und Formelzeichen benutzt, die grundlegenden Vorstellungen über den Induktionsvorgang wurden jedoch zu dieser Zeit geschaffen.
Als Entdecker des Induktionsgesetzes gelten Michael Faraday, Joseph Henry und Hans Christian Ørsted, die das Induktionsgesetz im Jahr 1831 unabhängig voneinander formulierten, wobei Faraday, der von 1830 bis 1850 seine Hauptstudien über die Induktion und die elektromagnetischen ErscheinungenPaul Diepgen, Heinz Goerke: Aschoff/Diepgen/Goerke: Kurze Übersichtstabelle zur Geschichte der Medizin. 7., neubearbeitete Auflage. Springer, Berlin/Göttingen/Heidelberg 1960, S. 35. durchführte, seine Ergebnisse als Erster veröffentlichte.
In Faradays erstem Demonstrationsaufbau zur Induktion vom 29. August 1831 wickelte er zwei Leiterdrähte auf die gegenüberliegenden Seiten eines Eisenkerns – eine Anordnung, die modernen Ringkerntransformatoren ähnelt. Er erwartete aufgrund seiner Kenntnisse über Permanentmagnete, dass sich – sobald in einer der beiden Leitungen ein Strom zu fließen beginnt – eine Welle entlang des Rings ausbreitet und zu einem Stromfluss in der Leitung auf der anderen Seite des Rings führt. Im Experiment schloss er an einer der beiden Leitungen ein Galvanometer an und beobachtete jedes Mal einen kurzen Zeigerausschlag, wenn er den anderen Draht an eine Batterie anschloss. Die Ursache dieser Induktionserscheinung war die Änderung des magnetischen Flusses in der von der Leiterschleife aufgespannten Fläche. In der folgenden Zeit identifizierte Faraday weitere Beispiele elektromagnetischer Induktion. So beobachtete er Ströme wechselnder Richtung, wenn er einen Permanentmagneten rasch in eine Spule hinein und wieder heraus bewegte. Aus den historischen Untersuchungen ging auch die sogenannte Faradayscheibe (ein Gleichstromgenerator) hervor, deren Funktionsprinzip aus heutiger Sicht als sogenannte Bewegungsinduktion beschrieben wird und seine Ursache in der Bewegung des Leiters und der mitgeführten Ladungen im magnetischen Feld hat. Faraday veröffentlichte das Gesetz, beginnend mit
Bedeutende Beiträge stammten auch von Emil Lenz (lenzsche Regel), Franz Ernst Neumann und Riccardo Felici.
Anfang des 20. Jahrhunderts erfolgte die relativistische Eingliederung des Induktionsgesetzes im Rahmen der speziellen Relativitätstheorie. Anders als in der Mechanik, bei der sich die spezielle Relativitätstheorie erst bei Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit merklich auswirkt, sind relativistische Effekte in der Elektrodynamik schon bei sehr kleinen Geschwindigkeiten zu beobachten. So konnte im Rahmen der Relativitätstheorie beschrieben werden, wie sich beispielsweise die Beträge der elektrischen und magnetischen Feldkomponenten in Abhängigkeit von der Bewegung zwischen einem Beobachter und einer beobachteten elektrischen Ladung verändern. Diese Abhängigkeiten in der relativen Bewegung zueinander zwischen verschiedenen Bezugssystemen werden durch die Lorentz-Transformation beschrieben. Dabei zeigt sich, dass das Induktionsgesetz in Kombination mit den restlichen maxwellschen Gleichungen „lorentzinvariant“ ist. Das heißt, die Struktur der Gleichungen wird durch die Lorentztransformation zwischen verschiedenen Bezugssystemen nicht verändert. Dabei wird deutlich, dass die elektrischen und magnetischen Felder nur zwei Erscheinungsformen desselben Phänomens sind.
Allgemeines Bei der durch Induktion infolge einer magnetischen Flussdichteänderung entstehenden elektrischen Spannung handelt es sich um eine sogenannte Umlaufspannung. Eine solche Umlaufspannung tritt nur in Feldern mit einem sogenannten Wirbelanteil auf, d. h. in Feldern, bei denen Feldlinien nicht an einem bestimmten Punkt im Raum enden, sondern beispielsweise kreisförmig sind oder „im Unendlichen“ verschwinden. Hierdurch unterscheidet sich die Induktionsspannung von Spannungen, wie sie beispielsweise bei einer Batterie vorkommen (Potentialfeld). Die Feldlinien der Leerlaufspannung einer Batterie (siehe Elektrische Spannung)Zum Thema Batterie siehe auch W. Döring: Einführung in die Theoretische Physik. Band 2, Berlin 1965. verlaufen stets von positiven zu negativen Ladungen und sind daher niemals geschlossen.
In mathematischer Form lässt sich das Induktionsgesetz durch jede der folgenden drei Gleichungen beschreiben: +Induktionsgesetz in SI-EinheitenDifferentielle FormIntegralform IIntegralform II
In den Gleichungen steht für die elektrische Feldstärke und für die magnetische Flussdichte. Die Größe ist das orientierte Flächenelement und der Rand (die Konturlinie) der betrachteten Integrationsfläche ; ist die lokale Geschwindigkeit der Konturlinie relativ zum zugrundeliegenden Bezugssystem. Das auftretende Linienintegral führt entlang einer geschlossenen Linie und endet daher am Startpunkt. Ein Multiplikationspunkt zwischen zwei Vektoren markiert deren Skalarprodukt.
Alle Größen müssen sich auf dasselbe Bezugssystem beziehen.
Grundlegende Experimente mini|Experiment mit Permanentmagnet und Spule mini|250px|Transformatorprinzip: Das von der linken Wicklung verursachte, sich verändernde Magnetfeld bewirkt in der rechten Wicklung eine elektrische Spannung.
Im Folgenden werden mehrere beliebte Experimente zur Demonstration der elektromagnetischen Induktion beschrieben.
Ein grundlegendes Induktionsexperiment wird schon im Einleitungstext aufgegriffen. Bewegt man den im Einleitungstext dargestellten Permanentmagneten in der Spule auf und ab, lässt sich an den Klemmen der Spule mit dem Oszilloskop eine elektrische Spannung abgreifen.
Dieses Prinzip wird beim Transformator genutzt, dessen Funktionsprinzip im nebenstehenden Bild skizziert wird: Schließt man den Batteriestromkreis in der linken Wicklung (Primärwicklung), so entstehen kurzzeitig im Eisenkern ein sich veränderndes magnetisches Feld und in der rechten Wicklung (Sekundärwicklung) eine elektrische Spannung, die beispielsweise mithilfe eines Voltmeters oder einer Glühlampe nachgewiesen werden kann. Öffnet man den Batteriestromkreis auf der linken Seite wieder, entsteht in der rechten Wicklung erneut eine elektrische Spannung. Diese hat jedoch ein umgekehrtes Vorzeichen.
mini|links|Induktive Erwärmung einer Metallstange
Sofern der Eisenkern elektrisch leitfähig ist, können schon im Kern elektrische Ströme induziert werden, die den Eisenkern erhitzen (siehe Bild Induktive Erwärmung einer Metallstange). Dies versucht man bei Transformatoren zu vermeiden, indem man geblechte Kerne verwendet.
Die Erzeugung einer elektrischen Spannung lässt sich auch durch Bewegung der Leiter erreichen. So lässt sich an den Klemmen einer Leiterschleife oder einer Spule eine elektrische Wechselspannung abgreifen, wenn man die Leiterschleife in einem zeitlich konstanten Magnetfeld dreht, wie im Abschnitt Leiterschleife im Magnetfeld gezeigt. Nach dem dort gezeigten Prinzip (aber einer grundlegend verbesserten Anordnung) funktionieren die in Kraftwerken eingesetzten Generatoren zur Bereitstellung elektrischer Energie im Stromversorgungsnetz. In dem gezeigten Experiment kann die Wirkungsrichtung grundsätzlich umgedreht werden: Legt man an die Klemmen der drehbar gelagerten Leiterschleife eine elektrische Wechselspannung, so dreht sich die Leiterschleife um ihre Achse im magnetischen Feld (Synchronmotor).
Die Bewegung eines Leiters im Magnetfeld kann auch genutzt werden, um eine elektrische Gleichspannung zu erzeugen. Dies ist beispielhaft im Abschnitt Induktion durch Bewegung des Leiters gezeigt. Bewegt man den Leiterstab entlang der Schienen, die durch einen Schleifkontakt oder durch Räder elektrisch mit dem Leiterstab verbunden sind, so lässt sich am Voltmeter eine Gleichspannung messen, die von der Geschwindigkeit des Leiterstabes, der magnetischen Flussdichte und dem Abstand der Schienen abhängt.
mini|Faradayscheibe: Bei Drehung der Aluminiumscheibe lässt sich am Voltmeter infolge der Unipolarinduktion eine Gleichspannung abgreifen. Dreht man hingegen nur den Magneten, bleibt die Spannungsanzeige bei null. Dreht man gleichermaßen den Magneten und die Aluminiumscheibe, ist wiederum eine Spannung messbar.
Anstelle einer Linearbewegung lässt sich das Experiment auch mit einer Drehbewegung demonstrieren, wie am Beispiel der Faradayscheibe (Bild rechts) gezeigt. Im dargestellten Experiment übernimmt die Aluminiumscheibe die Funktion des bewegten Leiterstabes aus dem Experiment mit dem bewegten Leiterstab im Magnetfeld.
Dreht man die Aluminiumscheibe im magnetischen Feld, so lässt sich zwischen dem Schleifkontakt am äußeren Rand der Aluminiumscheibe und der Drehachse eine elektrische Spannung nachweisen, mit der sich beispielsweise auch eine Glühlampe betreiben lässt. Die Spannung an den Klemmen hängt dabei von der Stärke der magnetischen Flussdichte, der Drehgeschwindigkeit und dem Durchmesser der Scheibe ab.
Zum großen Erstaunen Faradays weist ein solcher Unipolargenerator jedoch unerwartete Eigenschaften auf, die in der Literatur noch lange nach Faradays Entdeckung diskutiert wurden und zu einer lange anhaltenden Kontroverse um die Frage führte, ob man dem Magnetfeld gleichsam wie einem materiellen Objekt eine Geschwindigkeit zuordnen könne und konkret, ob sich das Magnetfeld mit dem Magneten mitdreht.Thomas Valone: The Homopolar Handbook. A Definitive Guide to Faraday Disk and N-Machine Technologies. Abschnitt: Historical Development of the Field Rotation Paradox (, abgerufen am 2. Juli 2024). Die wesentliche Entdeckung war, dass die Spannung entgegen einer naheliegenden intuitiven Annahme nachweislich nicht von der Relativbewegung zwischen dem Permanentmagneten und der Aluminiumscheibe abhängt. Denn dreht man im dargestellten Experiment beispielsweise nur den Permanentmagneten und lässt die Aluminiumscheibe ruhen , so ist trotz der vorhandenen Relativbewegung zwischen Magnet und Leiter keine Spannung zu beobachten. Dreht man hingegen beide Scheiben mit der gleichen Geschwindigkeit , so wird eine Spannung angezeigt, obwohl sich die beiden Scheiben relativ zueinander nicht bewegen.Chr. Baumgärtel, S. Maher: Resolving the paradox of unipolar induction: new experimental evidence on the influence of the test circuit. Sci Rep 12, 16791, Oktober 2022 Volltext, abgerufen am 22. Juli 2024. Ebenso ist eine Spannungsanzeige zu beobachten, wenn man die Spannung anstelle an der Aluminiumscheibe direkt an dem als elektrisch leitfähig angenommenen Permanentmagneten abgreift.