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© Horst Hübel Würzburg 2005 - 2013

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Was ist elektromagnetische Induktion?

Eine physikalisch-didaktische Analyse

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Download:  Was ist elektromagnetische Induktion ? (PDF-Datei, 754 kB) Weitere Links siehe unten

Der Text entspricht in etwa einem Vortrag, den ich 2002 auf der Seminarlehrertagung Physik in Dillingen gehalten habe, selbstverständlich ohne die formalen Teile.

Vgl. auch: Spannung und Ringspannung bei der Induktion - eine Gegendarstellung zum Wikipedia-Artikel "Elektromagnetische Induktion"

Zusammenfassung

Die übliche Behandlung der Induktion in der Schule wird kritisch untersucht und mit den Aussagen der "offiziellen" Physik verglichen. Dabei stellt sich heraus, dass der Weg der Schulphysik unklar, - wenn auch nur in Details - inkorrekt und unnötig kompliziert ist. Ausgehend von einer rigorosen Behandlung der Induktion, die es erlaubt, die verschiedenen Erscheinungen der Induktion unter einem einheitlichen Gesichtspunkt zu sehen, wird ein Weg zur Behandlung der Induktion in der Schule vorgeschlagen, der konsistent ist mit der "offiziellen" Auffassung der Induktion, der für die Schüler durchsichtiger ist und unnötige Klimmzüge und Scheinerklärungen vermeidet.

Abstract

The standard treatment of electromagnetic induction in physics lessons at high schools is critically analyzed and compared with statements of "official physics". It turns out that the concepts of school physics concerning electromagnetic induction are unclear, in a few details incorrect and unnecessarily sophisticated. Starting with a rigorous treatment of induction which allows to consider all phenomena of induction from a unique point of view, a way is proposed that is consistent with the "official" view of induction and that is clearly understandable for students and avoids unnecessary tricks and apparent explanations.

Video zu einem Experiment mit einem Dreiecksstrom, d.h. bei einem zeitlich linear wachsenden und fallenden magnetischen Fluss

Oben: Spulenstrom (magnetischer Fluss: Dreiecksstrom), unten: Induktionsspannung

Das Experiment erfordert möglichst trägheitslose Anzeige. Hier werden die Messwerte eines Messinterfaces analog auf dem Bildschirm mittels Zeigerinstrumenten dargestellt (Programm: URI des Autors).

Vgl. Abbildung unten

Einige der diskutierten Thesen:

Für die Schule werden folgende Formeln vorgeschlagen:

SekII:

Induktion ist die Entstehung eines elektrischen Wirbelfeldes längs eines geschlossenen Weges C, der häufig mit einer Induktionsschleife zusammenfällt, wenn sich innerhalb des geschlossenen Weges C der magnetische Fluss ändert, der die von C umfasste Fläche senkrecht durchsetzt.

SekI:

Induktion ist die Entstehung einer (Ring-)Spannung längs einer geschlossenen Leiterschleife oder Spule, wenn sich innerhalb der Schleife oder Spulenfläche das magnetische Feld ändert, das die Leiterschleife oder die Spulenfläche senkrecht durchsetzt. Die Folge der (Ring-)Spannung ist ein Induktionsstrom, der mit der (Ring-)Spannung über das ohmsche Gesetz zusammenhängt.

In dieser etwas vageren Definition soll "Änderung des Magnetfelds" die Änderung seiner Größe und Richtung, aber auch der "Menge an Magnetfeld" umfassen. Gemeint ist also doch der magnetische Fluss.

Wenn  "Spannung" gemäß DIN 1324 durch die Verschiebungs-Arbeit eingeführt wird (und nicht durch den  nur im Spezialfall der Elektrostatik gültigen Zusammenhang mit einer Potenzialdifferenz), kann man speziell in der SI auf die Unterscheidung von Ringspannung und Spannung im Sinne einer Potenzialdifferenz verzichten.

Die Änderung des magnetischen Flusses wird immer von der gewählten Kurve C (also in der Regel der Leiterschleife) aus betrachtet.

2 typische Fälle der Induktion, die den Kern des Induktionsgesetzes experimentell zeigen:

Experiment "Ringentladung":

Induktion ist die Entstehung eines elektrischen Wirbelfelds, wenn sich der magnetische Fluss ändert.

Das gilt aus der Sicht der Induktionsspule auch dann, wenn das Magnetfeld nicht explizit zeitabhängig ist.

Experiment: magnetischer Fluss (gemessen über den Spulenstrom, weiß) und Induktionsspannung (Ringspannung, blau) sind durch die Zeitableitung miteinander veknüpft.

Da eine Induktionsspule mit 12 000 Windungen verwendet wurde, ist das Signal stark verrauscht (Netzbrumm und Hochfrequenz). Mit einem parallelgeschalteten 47 µF-Kondensator hätten sich die Kurven glätten lassen.

Vgl. auch:

Für Schülerinnen und Schüler: Induktion

Spannung und Ringspannung - eine Analyse

Das Flugzeug im Magnetfeld - ein Paradebeispiel für die Induktion?

Induktion verstehen: eine Unipolar-Induktionsmaschine - Das Hering'sche Paradoxon

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