Die elektromagnetische Induktion in Experimenten


Induktionsgesetz - Experimente mit einer bewegten Rahmenspule


Um anstelle des Induktionsspannungsstoßes die Induktionsspannung direkt messen zu können, wurden mehrere Anordnungen entwickelt. Die einfachste besteht aus einer großen Polfläche, die von keramischen Magneten bereitgestellt wird. Über diese Polfläche wird eine Rahmenspule als Schlitten mit konstanter Geschwindigkeit gezogen. Das erfolgt mittels eines Experimentiermotors, auf dessen Welle sich ein am Schlitten befestigter Faden aufwickelt (siehe nebenstehendes Bild).
Die Änderung des magnetischen Flußes, der die Spule durchsetzt, kann leicht durch Verändern der Geschwindigkeit erreicht werden. Die Rahmenspule ermöglicht das Abgreifen unterschiedlicher Windungszahlen, es können auch unterschiedliche Windungsflächen gewählt werden. Mit dieser Anordnung lassen sich bei einigen hundert Windungen konstante Induktionsspannungen in der Größenordnung von 10 mV über Zeiten von über mehr 10 s erzielen.
Um die Bewegung der Rahmenspule auch in größeren Räumen sichtbar zu machen, ist es möglich, eine teilweise durchsichtige Polfläche durch Aufkleben von keramischen Ringmagneten auf eine Glasplatte (s.o.) herzustellen, die auf die Schreibfläche eines Overheadprojektors gelegt wird.
Die Bedingungen für das Auftreten einer Induktionsspannung lassen sich dann besonders gut zeigen, wenn die Rahmenspule eine geringere Längenausdehnung als die Polfläche besitzt. Nähert sich die Rahmenspule der Polfläche, so tritt keine Induktionsspannung auf. Gleitet dagegen die Induktionsspule mit konstanter Geschwindigkeit auf die Polfläche, so zeigt das Meßgerät eine konstante Induktionsspannung an. Befindet sich danach die gesamte Induktionsspule auf der Polfläche, so tritt trotz weiterer Bewegung keine Induktionsspannung auf. Das dauert so lange an, bis die Induktionsspule wieder von der Polfläche herruntergleitet. Dann beobachtet man eine Induktionsspannung gleichen Betrages aber entgegengesetzter Polarität. Nach dem völligen Herabgleiten ist die Induktionsspannung wieder Null (siehe nebenstehndes Bild).
Die im unten abgebildeten Bild dargestellte Anordnung ermöglicht bei gleichem Prinzip auch die Veränderung der wirksamen magnetischen Flußdichte. Dazu finden anstelle der Polfläche aus keramischen Magneten zwei Eisenplatten Verwendung, zwischen denen der Schlitten mit den Spulen hindurchgezogen wird. Durch Auflegen von keramischen Magneten wird zwischen den Platten ein hinreichend homogenes Magnetfeld erzeugt. Proportional zur Anzahl der eingebrachten keramischen Magnete nimmt die magnetische Flußdichte zu.
Neben der Tatsache, dass die Änderung der Windungsfläche als Ursache der Induktionsspannung sehr gut beobachtet werden kann, besitzt diese Anordnung einen weiteren Vorteil. Im Falle einer einzigen Windung der Induktionsspule kann der Induktionsprozess sowohl als Veränderung der Spulenfläche gedeutet werden, die vom Magnetfeld durchsetzt wird, als auch als Bewegung eines gestreckten Leiters quer zu den magnetischen Feldlinien. Letztere Betrachtung ist insofern nützlich, als die mathematische Herleitung des Induktionsgesetzes durch Betrachten der Bewegung eines solchen gestreckten Leiters quer zu magnetischen Feldlinien erfolgen kann. Man gelangt dann zur Formulierung des Induktionsgesetzes, indem man von der Gleichheit der mechanischen Arbeit ausgeht, die bei der Bewegung eines stromdurchflossenen Leiters im Magnetfeld erfolgt, und der elektrischen Arbeit, die dabei verrichtet wird.

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