Warum entsteht eine Induktionsspannung?
Wenn man einen Stabmagneten auf eine geschlossene Spule, die bewegbar über zwei Seilen in der Luft hängt, zubewegt, dann wird die Spule in die entgegengesetzte Richtung abgestoßen. Das liegt daran, dass die Induktionsspannung entstand. Sie entsteht, weil das Magnetfeld der Spule verändert wird.
Aber ich möchte wissen, wie es zur Kraft in die entgegengesetzte Richtung kommt, auf molekularer Ebene, weil ich keine Erklärung dafür gefunden habe. Deshalb habe ich das Gefühl, dass man nur das Ergebnis aus den Experimenten auswendig lernt.
Vielen Dank.
4 Antworten
Elektronen sind nicht starre Objekte, sondern schwingende Teilchen, in etwa wie ein Gebilde aus Wolken, anstatt feste Kügelchen. Diese Schwingungen erzeugen um sich herum elektromagnetische Felder. Eine Beeinflussung dieser Felder ist de facto eine Störung des eingeschwungenen Zustandes in diesem atomaren Gebilde. Diese Störung hat Auswirkungen auf das elektromagnetische Feld, was sich aufgrund dieser Beeinflussung ändert.
Außerdem gehört zu den physikalischen Gesetzen, dass sich gleichnamige Ladungen abstoßen, so auch gleichgesinnte Magnetfeldlinien. Magnetische Kräfte entstehen im Kern durch sog. Elektronenspins.
Beim Szenario Stabmagnet in Spule kommen diese Prozesse dann zur Geltung. Der Stabmagnet hat einen Nord- und Südpol, die magnetischen Kräfte wirken zwischen diesen beiden Polen. Diese Kraft beeinflusst die Atome bzw. wirkt auf die magnetischen Momente verursacht durch die Elektronen innerhalb der Spule bzw. in dessen Leiter. Durch deren Bewegung erzeugt das ein noch größeres Gegenfeld und aufgrund der Spulenanordnung, werden deren Felder verstärkt. In Summe steht dem Magnetfeld des Stabmagneten ein verstärktes Magnetfeld der Spule, die aufgrund ihrer Polung sich abstoßen.
Nur zur Klarstellung: Die Kraftwirkung hat nichts mit der Induktionsspannung zu tun. Denn die Kraft ist auch dann noch vorhanden, wenn sich nichts bewegt. Hier sind wir noch in der Magnetostatik.
Die Induktionsspannung entsteht, weil sich das magnetische Fluss durch die Spule ändert. Der magnetische Fluss ist definiert als die Anzahl der Magnetfeldlinien, die eine Fläche durchsetzen. Wenn sich das Magnetfeld ändert, ändert sich auch der magnetische Fluss.
Die Induktionsspannung ist proportional zur Änderung des magnetischen Flusses. Je schneller sich der magnetische Fluss ändert, desto größer ist die Induktionsspannung.
Wenn der Stabmagnet auf die Spule zubewegt wird, nimmt der magnetische Fluss durch die Spule zu. Dadurch entsteht in der Spule eine Induktionsspannung. Diese Induktionsspannung erzeugt einen Strom in der Spule.
Der Strom in der Spule erzeugt wiederum ein Magnetfeld. Dieses Magnetfeld ist entgegengesetzt gerichtet zum Magnetfeld des Stabmagneten.
Die beiden Magnetfelder stoßen sich gegenseitig ab. Das führt dazu, dass die Spule in die entgegengesetzte Richtung abgestoßen wird.
Auf molekularer Ebene kann man sich das so vorstellen:
Die Elektronen in den Atomen der Spule sind durch das Magnetfeld des Stabmagneten beeinflusst. Sie bewegen sich in eine Richtung, die dem Magnetfeld des Stabmagneten entspricht.
Wenn sich der Stabmagnet auf die Spule zubewegt, wird das Magnetfeld in der Spule stärker. Dadurch werden die Elektronen in den Atomen der Spule noch stärker beeinflusst. Sie bewegen sich noch schneller in die Richtung des Magnetfelds des Stabmagneten.
Diese Bewegung der Elektronen erzeugt einen Strom in der Spule. Der Strom in der Spule erzeugt wiederum ein Magnetfeld. Dieses Magnetfeld ist entgegengesetzt gerichtet zum Magnetfeld des Stabmagneten.
Die beiden Magnetfelder stoßen sich gegenseitig ab. Das führt dazu, dass die Spule in die entgegengesetzte Richtung abgestoßen wird.
Lorentzkraft, Lenzsche Regel