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.