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.

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:

• Induktion ist - bei Wahl geeigneter Kurven bzw. von geeigneten Bezugssystemen - die Entstehung eines elektrischen Wirbelfelds, wenn sich innerhalb einer geschlossenen Kurve C der magnetische Fluss ändert. Es gilt die "Flussregel". Alle Varianten der Induktion lassen sich so gleichartig beschreiben, auch in den Fällen, bei denen dies manchmal abgestritten wird. Die Änderung des magnetischen Flusses wird immer von der gewählten Kurve C aus betrachtet.
  

• Eine Induktionsspannung ist begrifflich keine Potenzialdifferenz, sondern eine Ringspannung (Umlaufspannung). Wenn kein Induktionsstrom fließt, kann zusätzlich zur Ringspannung eine Potenzialdifferenz von gleichem Betrag wie die primär erzeugte Ringspannung entstehen.
  

• Weil die Induktionsspannung eine Ringspannung ist, ist die Spannung zwischen 2 Punkten nicht eindeutig, sondern wegabhängig, je nachdem, wie oft der sich ändernde magnetische Fluss umschlungen wird.
  

• Alle Beispiele zeigen bei geeigneter Wahl der Kurve C: Keine Induktion ohne Änderung des magnetischen Flusses - keine Änderung des magnetischen Flusses ohne Induktion. Keine Induktion ohne elektrisches Wirbelfeld. Die Bedingungen für die Wahl der geeigneten Kurve C werden untersucht.
  

• "Induktion im bewegten Leiter" und "Induktion im ruhenden Leiter" sind unsinnige Bezeichnungsweisen, da - je nach Bezugssystem - jeder Leiter ruht und zugleich jeder Leiter in Bewegung ist. Tatsächlich findet die Induktion ohne einen Leiter statt.
  

• Führt man in der Schule zuerst die Induktion als Folge der Lorentz-Kraft ein, baut man m.E. Lernhindernisse auf, die ein Verständnis des Wesens der Induktion, also der Entstehung des elektrischen Wirbelfelds, verhindern.
  

• Zu den damit aufgebauten Lernschwierigkeiten gehört es auch, dass suggeriert wird, Induktion sei ein lokaler Effekt, der allein vom Magnetfeld an der Stelle des "bewegten" Leiters (und dessen Länge und Geschwindigkeit) abhänge. Dann müssten Schüler erwarten, dass keine Induktion stattfindet, wenn das Magnetfeld an der Stelle des Leiters völlig abgeschirmt wird, oder auf andere Weise dort auf 0 gehalten wird. Experiment und das allgemeine Induktionsgesetz zeigen das Gegenteil ( "Induktion ohne Magnetfeld"; esoterischer Hooper-Monstein-Effekt ).
  

• Einige der in der Schule behandelten Erscheinungen der Induktion (im Zusammenhang mit dem homogenen Magnetfeld des Hufeisens und einer Leiterschleife) lassen sich - streng genommen - nach dem üblichen Weg der Schule nicht verstehen. Sie sind sehr einfach verständlich mit Hilfe des allgemeinen Induktionsgesetzes (s. oben) und der Kenntnis über das Magnetfeld in den Schenkeln des Hufeisenmagneten, die Schülern üblicherweise vorenthalten wird.
  

• Das "Stachel-Modell" oder das "Igel-Modell" des Magnetfelds, nach dem magnetische Feldlinien wie Stacheln an einem Magneten befestigt seien, wird in der Schule manchmal herangezogen, wenn konzise Bedingungen für das Entstehen der Induktion angegeben werden sollen ("beim Schneiden der Feldlinien"), oder wenn im Laborsystem der Magnet bewegt ist und die Leiterschleife ruht. Das Modell darf nicht als quasi kausale Erklärung der Induktion missverstanden werden. Es ist nicht haltbar und kann zu falschen Vorhersagen führen.

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

Vgl. auch:

Für Schülerinnen und Schüler: Induktion

Das Flugzeug im Magnetfeld - ein Paradebeispiel für die Induktion?

Induktion verstehen: Unipolar-Induktion