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Physik – Verknüpfung von elektrischen und magnetischen Feldern

Induktion

Induktion

Durch magnetische Wechselfelder induzierte elektrische Wirbelfelder. Die Drehrichtung des elektrischen Wirbelfeldes entspricht der technischen Stromrichtung; siehe "Feld, Feldstärke, Feldlinie". Quelle: FSM

Induktion ist ein eigenständiges Phänomen, das nicht auf andere (elementarere) elektrische oder magnetische Phänomene bzw. Wirkungen und Kräfte zurückgeführt werden kann: ein sich in seiner Stärke veränderndes Magnetfeld generiert ein elektrisches Feld. Präziser ausgedrückt: Wenn sich die Flussdichte eines Magnetfeldes verändert, dann bewirkt diese Änderung ein elektrisches Wirbelfeld, das senkrecht auf der magnetischen Flussrichtung steht (Figur). 

Der Begriff "Fluss"

Änderungen des Flusses. Quelle: FSM

Im Unterschied zum Begriff „Feld“ bezieht sich der Begriff „Fluss“ immer auf eine (bestimmte / ausgewählte) Fläche. Der magnetische Fluss gibt die „Menge“ an Magnetfeld an (magnetisches Vektorfeld), die durch eine Fläche tritt. Die Einheit des magnetischen Flusses ist das Weber (Wb). Der Flussbegriff bezieht sich immer auf eine Fläche. Der Feldstärkebegriff dagegen bezieht sich immer auf einen bestimmten / ausgewählten Punkt. Für das Phänomen der Induktion ist der magnetische Fluss die relevante Grösse. Der Begriff "Flussdichte" ist mit dem Begriff "Fluss" eng verknüpft. Die magnetische Flussdichte (physikalische Einheit: Tesla, Symbol: T) ist nichts anderes als der magnetische Fluss geteilt durch Bezugsfläche (Einheit: 1 T = 1 Wb/m2). Magnetfeldmessungen werden meist als Messungen der Flussdichte durchgeführt und mit der Einheit Tesla versehen. Weil Tesla eine sehr grosse Einheit ist, werden Messungen der Alltagsexposition meist in der Einheit Mikrotesla (µT = 1 Millionstel Tesla) kommuniziert.

Die magnetische Flussdichte wird kleiner, wenn bei gegebener Fläche der Fluss abnimmt (Grafik oben) oder wenn bei konstantem Fluss die Fläche verkleinert wird, entweder durch eine andere Lage im Raum (Grafik Mitte) oder durch reale Verkleinerung der in ihrer Raumlage unveränderten Fläche (Grafik unten). Analoges gilt für eine Vergrösserung des Flusses.

Wirbelfeld, Wirbelstrom

Eine elektrische Ladung erfährt in einem elektrischen Wirbelfeld eine Kraft (elektromotorische Kraft), welche die Ladung auf einer geschlossenen Linie „kreisen“ lässt. Dabei gibt es keine Ladungstrennung wie bei einer elektrostatischen (oder Potenzial-) Spannung. Die hypothetische Spannung, welche die Ladung antreibt, nennt man „Ringspannung“. Befindet sich elektrisch leitfähiges Material in einem Wirbelfeld, so beobachtet man einen realen und messbaren kreisförmigen Ladungs- bzw. Stromfluss (Wirbelstrom, Kreisstrom), "angetrieben" durch die Ringspannung des elektrischen Wirbelfeldes.

Das elektrische Wirbelfeld existiert immer, unabhängig davon ob leitfähiges Material vorhanden ist oder nicht; der "reale" elektrische Strom kommt aber nur in leitfähigem Material zu Stande. In elektrisch nicht leitfähigen Materialien spricht man deshalb von "Verschiebungsstrom", heute würde man vielleicht von "virtuellem" Strom sprechen. Falls ein Material nicht homogen leitfähig ist, sondern stärker und schwächer leitfähige Bereiche aufweist (wie z.B. der menschliche Körper), dann wird der Wirbelstrom vornehmlich entlang der leitfähigen Bereiche fliessen.

Magnetischer Fluss

Um die Induktionswirkung zu beurteilen, muss man stets auf den magnetischen Fluss bzw. die Veränderung des magnetischen Flusses achten. Dabei spielt es keine Rolle, wie die Flussänderung zu Stande kommt, ob durch Bewegung der Feldquelle (z.B. Annäherung oder Entfernung einer konstanten Feldquelle, etwa eines Stabmagneten, an eine Leiterschlaufe) oder durch Bewegung des leitfähigen Materials (Annäherung oder Entfernung der Schlaufe an das statische Magnetfeld), oder durch direkte Veränderung des magnetischen Flusses wie im Fall von Wechselstrom (er ändert Stromstärke und Richtung periodisch, was zu einem periodisch schwankenden Magnetfeld führt).

Wellenausbreitung

Durch ein elektrisches Wechselfeld induziertes magnetisches Wirbelfeld. Quelle: FSM

Ergänzend muss gesagt werden, dass auch das umgekehrte Phänomen existiert: ein sich verändernder elektrischer Fluss induziert ein magnetisches Wirbelfeld (Figur; am Beispiel eines an Stärke zunehmenden elektrischen Feldes dargestellt). So gesehen bauen sich elektrische und magnetische Wirbelfelder gegenseitig auf und ab. Diese Eigenschaft wird technisch genutzt, um Schwingungskreise zu erzeugen (siehe "Antennen").

Ein Wirbelfeld kann sich frei im 3-dimensionalen Raum ausbreiten. Dabei erzeugt es via Induktion automatisch sein "Geschwister-Wirbelfeld", und dieses wiederum sein "komplementäres" Feld, etc. Solche sich gegenseitig bedingenden / erzeugenden magnetischen und elektrischen Felder, die sich im Raum mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, entsprechen nichts anderem als einer elektromagnetischen Welle (siehe die schematische 3-D-Visualisierung in der Figur unten; die Grafik darf nicht als eine physikalisch korrekte Darstellung verstanden werden. Sie ist eine blosse Vorstellungshilfe. Am besten stellt man sich dabei die elektromagnetische Welle als eine stehende Welle vor, die sich von einem Punkt aus - eine idealisierte Antenne - in alle Raumrichtungen ausbreitet. Die eingezeichneten Feldlinien sind die Zonen um die Maxima (punktierte und blasse Linien) bzw. Minima (normale Linien). Im oberen Teil sind die Feldstärken der Wirbelfelder (bzw. der elektromagnetischen Welle) eingezeichnet.

Elektromagnetische Wellenausbreitung. Oben: Darstellung der Feldstärkewerte; unten: Darstellung der Wirbelfelder. Quelle: FSM
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