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Physik – Verknüpfung von elektrischen und magnetischen Feldern

Erzeugung von Spannung und Strom durch Induktion

Induktion eines Stromes. Der satte rote Pfeil in der Schlaufenmitte stellt das Magnetfeld dar, welches der induzierte Strom verursacht. Es ist gegen das ursprüngliche Magnetfeld (blasse rote Pfeile) gerichtet. Quelle: FSM

Bewegt man einen Permanentmagneten auf eine Drahtschleife zu (siehe Grafik: die Annäherung des Stabmagneten an die Schlaufe ist mit dem Geschwindigkeitsvektor v dargestellt), so verändert sich der magnetische Fluss durch die Drahtschleife (er nimmt zu, je näher der Magnet kommt). Die Flussänderung induziert ein elektrisches Wirbelfeld bzw. einen Wirbelstrom im Draht. Die (technische) Stromrichtung (der Elektronenfluss verläuft umgekehrt) ist mit dem schwarzen Pfeil markiert. Bei einer Flussabnahme würde der Strom in die entgegengesetzte Richtung (also im Gegenuhrzeigersinn) fliessen. Der induzierte Strom baut seinerseits ein (sekundäres) Magnetfeld auf (dargestellt in Form von konzentrischen Ringen / Magnetfeldlinien um den Draht; das Gesamtmagnetfeld des Stroms innerhalb der Drahtschleife ist durch den satten roten Pfeil symbolisiert). Dieses sekundäre Magnetfeld ist immer gegen das den Wirbelstrom verursachende (primäre) Magnetfeld gerichtet (sog. Lenz’sche Regel).

Generator

Ein Generator macht sich das Induktionsprinzip zu Nutze. Statt sich einem Ringleiter (oder effizienter: einer Spule) anzunähern, rotiert der Permanentmagnet um seine Achse und die Spulen sind unbeweglich am Rand des Magneten positioniert. Durch die Drehung verändert sich der magnetische Fluss durch die Spulen periodisch, und induziert damit elektrische Wirbelfelder bzw. Wirbelströme (Figur). Eine Spannung kann abgegriffen werden, indem der Wirbelstromkreislauf unterbrochen wird. Am einen Leitungsende häufen sich dann Elektronen an, am anderen konstatiert man einen Mangel. Es entsteht ein Ladungsgefälle zwischen den Enden (im konkreten Fall: kein statisches Gefälle, sondern ein periodisch wechselndes: eine Wechselspannung). 

Induktionsprinzip im Stromgenerator. Quelle: wikimedia commons
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