Induktion (Elektrotechnik)

Unter elektromagnetischer Induktion versteht man das Entstehen einer elektrischen Spannung in einem Leiter (Draht), den ein veränderliches Magnetfeld umschließt. Man spricht auch davon, dass in einem Leiter eine elektrische Spannung entsteht, wenn er von einem Magnetfeld "geschnitten" wird. Dies ist der Fall, wenn ein Leiter quer durch ein Magnetfeld bewegt wird, oder sich um ihn herum ein Magnetfeld auf- oder abbaut. center|Prinzip der Induktion der Bewegung

Die Induktion wurde von Michael Faraday entdeckt bei dem Bemühen, die Funktionsweise eines Elektromagneten („Strom erzeugt Magnetfeld“) umzukehren („Magnetfeld erzeugt Strom“).

Die Induktionswirkung wird technisch vor allem in der Stromerzeugung (Generator) und für Transformatoren genutzt.

Inhaltsverzeichnis

1 Induktion

1.1 Induktionsstrom durch Bewegen eines Leiters in einem Magnetfeld
1.2 Induktionsstrom durch Ändern des Magnetfeldes

2 Selbstinduktion

2.1 Gesetz der Selbstinduktion

3 Anwendung

4 Siehe auch

Induktion

Induktionsstrom durch Bewegen eines Leiters in einem Magnetfeld

Wenn ein Leiter relativ zum Magnetfeld bewegt wird, entsteht ein Induktionsstrom. Man erreicht eine maximale Spannung, wenn man den Leiter senkrecht zum Magnetfeld bewegt.

Induktionsstrom durch Ändern des Magnetfeldes

Nach dem Induktionsgesetz ruft eine zeitliche Stromänderung dI/dt in einer Spule eine Induktionsspannung U_ind hervor, die zu ihr proportional ist, aber nach der Lenzschen Regel so gepolt, dass sie der Änderung des Stroms entgegen wirkt. Den Proportionalitätsfaktor nennt man die Induktivität L der Spule.

Es gilt:

$U_{ind} = - L \cdot \frac{\mathrm{d}I}{\mathrm{d}t}.$

Dieser Zusammenhang zeigt auch, dass sich der in einer Spule fließende Strom nicht sprungförmig ändern kann. Ein Abschalten des Spulenstroms führt zu hohen Spannungsspitzen. Mit Gleichstrom betriebene Spulen werden daher oft durch eine Freilaufdiode geschützt.

Selbstinduktion

Leiter oder Spulen, die durch den Stromfluss ein Magnetfeld aussenden (Elektromagnetismus) können durch diesen Vorgang auch in sich selbst wieder eine Spannung induzieren. Dieser Vorgang wird Selbstinduktion genannt. Die Polarität der selbst-induzierten Spannung ist dabei der Erregerspannung genau entgegengerichtet. Technisch wird die Selbstinduktion in vielfacher Weise benutzt.
Störende oder gefährliche Spannungsveränderungen in der Leitung, zum Beispiel durch Ab- oder Zuschalten großer Verbraucher oder durch Blitzeinschlag, können durch Einbau einer Drossel abgedämpft werden. Bei Wechselströmen wächst das Maß der Selbstinduktion und der bremsenden Gegenspannung mit dem Maß der Frequenz, da mit deren Zunehmen auch eine Zunahme der Magnetfeldveränderung einhergeht. Daher lässt sich die Selbstinduktion zur Konstruktion von Frequenzweichen für Musikanlagen nutzen. Die Selbstinduktion wird auch genutzt, um mit einer Zündspule den Zündfunken bei Ottomotoren oder die erforderliche hohe Zündspannung bei Leuchtstofflampen zu erzeugen. Die Wirkung entsteht, wenn der Stromfluss durch die Zündspule übergangslos unterbrochen wird. Das dann abrupt zusammenbrechende Magnetfeld erzeugt eine hohe Gegenspannung.

Gesetz der Selbstinduktion

In einer Spule der Länge l mit n Windungen, in der ein elektrischer Strom I fließt, entsteht das Magnetfeld mit der Feldstärke H

$H = I \cdot \frac{n}{l}$

und die Flussdichte B ergibt sich mit den vom Spulenkern abhängigen Materialkonstanten μ_r und der magnetischen Feldkonstanten μ₀ = 4·π · 10^-7 H/m.

$B = \mu_r \cdot \mu_0 \cdot H$

$= \mu_r \cdot \mu_0 \cdot I \cdot \frac{n}{l}$ ,

Wegen Φ = B · A folgt dann

$U_{ind} = - n \cdot \frac{\mathrm{d}\Phi}{\mathrm{d}t}$

$= - n \cdot \mu_r \cdot \mu_0 \cdot \frac{\mathrm{d}I}{\mathrm{d}t} \cdot A \cdot \frac{n}{l}$

$= - (\mu_r \cdot \mu_0 \cdot A \cdot \frac{n^2}{l}) \cdot \frac{\mathrm{d}I}{\mathrm{d}t}$ .

Die erste Klammer enthält nur Maße und (Material-)Konstanten der Spule und wird als ihre Induktivität L bezeichnet, d. h.

$U_{ind} = - L \cdot \frac{\mathrm{d}I}{\mathrm{d}t}$ .

Die Änderung des Stroms in einer Spule induziert also in der Spule selbst eine Spannung.

Anwendung

Um eine Spannung zu induzieren, muss sich der magnetische Fluss ändern. Da er das Produkt aus Flussdichte und Fläche ist, kann sich dazu entweder die Flussdichte B oder die Fläche A ändern.

Eine Änderung der Fläche wird erreicht, indem man die Spule in einem konstanten Magnetfeld dreht (die vom Magnetfeld durchsetzte Fläche ist null, wenn die Spule quer zum Magnetfeld steht, sie ist maximal, wenn das Feld die Spule axial durchsetzt) oder einen Magneten in einer Spule. Nach diesem Prinzip wird in einem Generator (Dynamomaschine) Strom erzeugt.

Eine Änderung der Flussdichte erreicht man durch ein veränderliches Magnetfeld. Nach diesem Prinzip wird in der Sekundärwicklung eines Transformators eine Spannung induziert.

Das Induktionsgesetz ist die Grundlage für die induktive Erwärmung von Werkstoffen. ] werden vorwiegend in der Industrie zum härten, löten, schmelzen usw. eingesetzt. Aber diese Technik kommt aber auch immer mehr in der privaten Anwendung zum Gebrauch: In der Küche, als Induktionsherd.