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Warum wirkt der Induktionsstrom seiner Ursache entgegen?
 
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PhysikNeuling123



Anmeldungsdatum: 08.01.2016
Beiträge: 9

Beitrag PhysikNeuling123 Verfasst am: 08. Jan 2016 14:17    Titel: Warum wirkt der Induktionsstrom seiner Ursache entgegen? Antworten mit Zitat

Hallo, ich habe eine Frage bezüglich der Induktion. Tritt eine Leiterschleife in ein Magnetfeld ein und die Feldlinien des Magnetfeldes verlaufen senkrecht zur Bewegungsrichtung wirkt auf die Ladungsträger eine Kraft. In der Schule haben wir nun im Rahmen eines Experiments eine Leiterschleife mit und ohne Schlitz durch ein solches homogenes Magnetfeld schwingen lassen und festgestellt, dass die Leiterschleife ohne Schlitz aufhörte zu schwingen und demnach eine Kraft entgegen der Bewegungsrichtung (Ursache) wirkte. Allerdings verstehe ich nicht wirklich, weshalb diese Kraft eine andere Richtung als die Lorentzkraft aufweist. Gelernt haben wir, dass der Induktionsstrom immer seiner Ursache entgegen wirkt. Mit der Rechte-Hand-Regel haben wir zuerst die Richtung der Lorentzkraft bestimmt und anschließend diese Richtung der Kraft als Ursache "genommen" und ein weiteres mal die Rechte-Hand-Regel angewendet und diese Kraftrichtung als die bezeichnet, die auf die Leiterschleife wirkt.
Nur warum?
Meine Erklärung wäre, dass die Elektronen durch die Lorentzkraft in eine bestimmte Richtung beschleunigt werden und dann ein weiteres mal durch die Lorentzkraft in eine andere Richtung beschleunigt werden. Das Problem hierbei ist aber, dass diese Erklärung auch auf eine Leiterschleife mit Schlitz zutreffen würde, für die Richtung der Kraft die auf sie wirkt aber nur einmal die Linke-Hand-Regel angewendet wird. grübelnd grübelnd grübelnd

Des Weiteren würde mich interessieren, was passiert, wenn eine Stromdurchflossene Leiterschleife/Leiter in eine Magnetfeld bewegt wird. Wobei sowohl die Bewegung als auch die Richtung in die der Strom fließt senkrecht zu den Feldlinien sind. Meine Theorie hierzu ist, dass bei der Bewegung eine Lorentzkraft wirkt und durch den Stromfluss eine weitere Lorentzkraft. Die Richtung der Kraft liegt zwischen den beiden Einzelkräften, wobei die Geschwindigkeit der beiden Bewegungen verantwortlich sind wie stark die jeweilige Kraft ist, was für die Richtung der Kraft sehr entscheidend ist.
Über Antworten würde ich mich sehr freuen. Beachtet bitte, dass ich erst in der neunten Klasse bin und deshalb zum Magnetfeld und Induktionsstrom noch keine Formeln gelernt habe.
ML



Anmeldungsdatum: 17.04.2013
Beiträge: 3411

Beitrag ML Verfasst am: 08. Jan 2016 21:07    Titel: Re: Warum wirkt der Induktionsstrom seiner Ursache entgegen? Antworten mit Zitat

Hallo,

PhysikNeuling123 hat Folgendes geschrieben:

Allerdings verstehe ich nicht wirklich, weshalb diese Kraft eine andere Richtung als die Lorentzkraft aufweist.


hast Du daran gedacht, dass Elektronen negativ geladen sind? Wenn Du die Kraftrichtung der Lorentzkraft auf Elektronen wissen willst, verwendest Du i.A. die linke Handregel (oder lässt den zugehörigen Finger der rechten in die umgekehrte Richtung der Elektronengeschwindigkeit zeigen).

Du kannst die Anwendung an diesem Beispiel testen:
https://de.wikipedia.org/wiki/Lorentzkraft#Definition_der_Ma.C3.9Feinheit_Ampere

Bei gleicher Stromrichtung ziehen sich die Leiter an.



Viele Grüße
Michael
Jayk



Anmeldungsdatum: 22.08.2008
Beiträge: 1450

Beitrag Jayk Verfasst am: 08. Jan 2016 23:37    Titel: Antworten mit Zitat

In der Schule habe ich diese Argumentation gehaßt, aber ich sag's jetzt trotzdem: Wäre der Induktionsstrom nicht seiner Ursache entgegengerichtet, sondern so, daß er seine Ursache verstärkt, wäre damit der Energieerhaltungssatz verletzt!

Ich mag die Argumentation deshalb nicht, weil man so denken könnte, daß man den Energieerhaltungssatz braucht, um die Lenzsche Regel und das Induktionsgesetz herzuleiten. Das ist nicht der Fall: Beides ist eine Folgerung aus den Maxwell-Gleichungen. Ohne Maxwell-Gleichungen kann man sie nicht herleiten, und mit Maxwell-Gleichungen braucht man nicht noch zusätzlich den Energieerhaltungssatz.

Die Lorentzkraft hat mit dem Induktionsgesetz überhaupt nichts zu tun. Vergiß das am besten wieder, falls man Dir gesagt hat, daß es da einen Zusammenhang gäbe.
ML



Anmeldungsdatum: 17.04.2013
Beiträge: 3411

Beitrag ML Verfasst am: 09. Jan 2016 01:19    Titel: Antworten mit Zitat

Hallo,

Jayk hat Folgendes geschrieben:
In der Schule habe ich diese Argumentation gehaßt, aber ich sag's jetzt trotzdem: ...

Mensch, ich hab's mir absichtlich verkniffen, und Du sabottierst mich einfach so. Big Laugh

Ich mag die Erklärung auch vor allem deshalb nicht, weil sie so tut, als wäre das Vorzeichen im Induktionsgesetz ein ganz besonders wichtiges Vorzeichen -- quasi so, als hätte das mutwillige Vertauschen von Vorzeichen in anderen physikalischen Gleichungen weniger gravierende Auswirkungen.


Zitat:

Die Lorentzkraft hat mit dem Induktionsgesetz überhaupt nichts zu tun. Vergiß das am besten wieder, falls man Dir gesagt hat, daß es da einen Zusammenhang gäbe.

"Falls man Dir gesagt hat..." ist ein sehr frommer Wunsch. Das hat man ihm ganz sicher gesagt, und wenn nicht, wird man es ihm in den nächsten Jahren sagen. Spätestens zum Beginn des Studiums kann er es dann im Gerthsen in einem eigenen Kapitel zum Thema: "Das Induktionsgesetz als Folge der Lorentzkraft" nachlesen.

Das hat ein bisschen was von "Stille Post". Irgendwer hat mal mit (wahrscheinlich anfangs recht guten) Erklärungen zum Induktionsgesetz angefangen. Diese Erklärungen wurden dann immer wieder abgeschrieben und vereinfacht, und letztlich kommt dann so ein Stuss heraus wie "Das Induktionsgesetz als Folge der Lorentzkraft".

Ich glaube, man sollte hier aber zum besseren Verständnis des Fragestellers noch ein paar Sätze ergänzen:

- In der Schule wird unter "Induktionsgesetz" normalerweise das verstanden, was Feynman als "Flux rule" bezeichnet hat. Die "Flux Rule" oder "Flussregel" ist im Wesentlichen eine Gleichung, die beschreibt, welche Spannung man mit einem im Laborsystem ruhenden Oszilloskop zwischen den Enden einer (ruhenden oder sich im B-Feld bewegenden) Leiterschleife misst.
Die Ursache für die am Oszilloskop angezeigte Spannung kann einerseits die Bewegung des Leiters im B-Feld sein oder eine zeitliche Änderung des B-Feldes (oder beides). Im Falle eines im B-Feld bewegten Leiters ergeben die üblichen Argumentationen mit der Lorentzkraft dabei durchaus Sinn. Im Falle einer Spannung, die durch eine zeitliche Änderung des B-Feldes entsteht, allerdings nicht.

Das Problem ist, dass nicht wenige Lehrer grundsätzlich bei allen derartigen "Induktionsexperimenten" Lorentzkräfte im Leiter für die Oszilloskopanzeige verantwortlich machen, auch wenn diese für die Spannung am Oszilloskop nicht verantwortlich sind (z. B. dann, wenn die Anordnung in Ruhe ist). Das ist ein Teil des Missverständnisses zum Induktionsgesetz.


- Der andere Teil des Missverständnisses: Das, was in der Schule als Induktionsgesetz bezeichnet wird, ist nicht das echte Induktionsgesetz.
Das "echte" Induktionsgesetz trifft nämlich keine Aussage zu einem bestimmten Experiment mit Magneten, Drähten und Oszilloskopen, sondern es handelt sich um eine im Rahmen der Maxwellschen Feldtheorie allgemeingültige Aussage über einen Zusammenhang zwischen B-Feld und E-Feld. Man hat in der Vergangenheit -- durch Experimente motiviert -- die Vektorfelder E und B eingeführt (elektrische Feldstärke und magnetische Flussdichte) und stellte dann irgendwann fest, dass diese immer im Sinne der Gleichung miteinander verknüpft sind*. Das ist das Induktionsgesetz. Um diesen Zusammenhang auszudrücken, braucht man keine Flächen und Randlinien und erst recht keine Drähte und Messgeräte.

Wenn Du an einem Beispiel nachvollziehen willst, weshalb das Induktionsgesetz nichts mit der Lorentzkraft zu tun hat, stell Dir vor, dass Du eine Radiowelle in den Raum aussendest. Es ist klar, dass Du im Empfangsbereich problemlos B- und E-Felder nachweisen kannst, denn genau diese Felder willst Du ja mit der Radiowelle erzeugen. Es ist auch klar, dass diese Felder sich entsprechend den Maxwellgleichungen -- und somit auch entsprechend dem Induktionsgesetz -- verhalten. Bloß: Die Felder tun das auch, ohne dass im Raum Ladungen vorhanden sind. Da es ohne Ladungen auch keine Lorentzkräfte gibt, ist klar, dass die Lorentzkraft nicht die "eigentliche Ursache" für das Induktionsgesetz sein kann, wie vielfach irrtümlich suggeriert wird.


Viele Grüße
Michael



* Die Formulierung "miteinander verknüpft" ist sprachlich vielleicht nicht die schönste Formulierung. Ich will aber auf jeden Fall eine Formulierung mit dem Wort "erzeugt", also beispielsweise "B-Feld erzeugt E-Feld" vermeiden, da hier kein Ursache-Wirkungs-Mechanismus vorliegt.
PhysikNeuling123



Anmeldungsdatum: 08.01.2016
Beiträge: 9

Beitrag PhysikNeuling123 Verfasst am: 09. Jan 2016 11:44    Titel: Antworten mit Zitat

Erst einmal danke für eure ausführlichen Antworten. Leider ist mein Wissen nach ca 1,5 Jahren Physik noch nicht auf dem Stand, dass ich z.B. das Beispiel mit der Radiowelle verstehen könnte. Im Unterricht ist bisher nicht einmal der Ausdruck B-Feld gefallen... unglücklich
Kurzgesagt ist also die Lorentzkraft nicht für die Induktion verantwortlich.

Ich habe zur Übung des Weiteren ein Quiz bearbeitet. http://www.leifiphysik.de/themenbereiche/elektromagnetische-induktion/lb/quiz-induktion-bewegter-leiter-0

Bei Aufgabe 4 kommt es nicht zur Induktionsspannung, so die Lösung, weil die Lorentzkraft die Elektronen nicht nach A oder B verschiebt, sodass auf keiner Seite ein Pol entstehen kann. Ist das dann falsch?

Danke smile
ML



Anmeldungsdatum: 17.04.2013
Beiträge: 3411

Beitrag ML Verfasst am: 09. Jan 2016 12:41    Titel: Antworten mit Zitat

Hallo,

PhysikNeuling123 hat Folgendes geschrieben:

Bei Aufgabe 4 kommt es nicht zur Induktionsspannung, so die Lösung, weil die Lorentzkraft die Elektronen nicht nach A oder B verschiebt, sodass auf keiner Seite ein Pol entstehen kann. Ist das dann falsch?
Danke smile


Die angegebene Lösung ist richtig. Die Lorentzkraft verschiebt die Ladungen nicht in Längsrichtung des Stabes, sondern (in Zylinderkoordinaten gesehen) von 0° auf 180°.

Die Fragestellung "Induktion oder nicht" will weder die Wirksamkeit der Lorentzkraft infragestellen, noch stellt sie infrage, dass durch die Lorentzkraft Spannungen erzeugt werden können. Das ist alles unstrittig.

Es geht darum, ob man Spannungen, die durch die Lorentzkraft entstehen, vernünftigerweise Induktionsspannungen nennen sollte. In der Schule wirst Du das so machen. Falls Du Dich später genauer mit Elektrodynamik beschäftigst, solltest Du im Hinterkopf behalten, dass eine solche Begriffsgebung für das weitere Verständnis eher schädlich ist.


Viele Grüße
Michael
PhysikNeuling123



Anmeldungsdatum: 08.01.2016
Beiträge: 9

Beitrag PhysikNeuling123 Verfasst am: 09. Jan 2016 12:59    Titel: Antworten mit Zitat

Gut, denn auf diese Lösung bin ich auch gekommen. Augenzwinkern
Dennoch bin ich nun sehr verwirrt...
Wenn der Leiter nun einen vollständigen Stromkreis bilden würde, (also so, dass es zum Stromfluss kommen kann) würde also trotzdem nicht zu einer Induktionsspannung durch die Lorentzkraft kommen. Dennoch würde Induktionsstrom induziert, richtig?
ML



Anmeldungsdatum: 17.04.2013
Beiträge: 3411

Beitrag ML Verfasst am: 09. Jan 2016 13:24    Titel: Antworten mit Zitat

Hallo,

PhysikNeuling123 hat Folgendes geschrieben:
Gut, denn auf diese Lösung bin ich auch gekommen. Augenzwinkern


Zitat:

Dennoch bin ich nun sehr verwirrt...
Wenn der Leiter nun einen vollständigen Stromkreis bilden würde, (also so, dass es zum Stromfluss kommen kann) würde also trotzdem nicht zu einer Induktionsspannung durch die Lorentzkraft kommen.

- Wenn Du eine geschlossene Leiterschleife im homogenen Magnetfeld bewegst (Leiterschleife soll nicht rotieren, sondern nur bewegt werden), dann lädt sich evtl. die eine Seite des Leiters gegen die andere Seite auf. Es fließt aber kein Strom.
- Zu einem Stromfluss kommt es bei einer solchen Leiterschleife, wenn Du sie so im B-Feld bewegst, dass sich der (durch das externe Magnetfeld hervorgerufene) magnetische Fluss, der durch eine von der Leiterschleife aufgespannte Fläche hindurchstößt, mit der Zeit ändert. Das kann beispielsweise dadurch geschehen, dass Du die Leiterschleife um ihre eigene Achse drehst oder während Du sie "aus dem Magnetfeld hinausbewegst".

Vorsicht bei diesem Beispiel im Bezug auf den Begriff "Flussänderung". In einer (ideal) gut leitenden Drahtschleife wird gerade genau so viel Strom fließen, dass sich der Gesamtfluss durch die Fläche (hervorgerufen durch das externe Magnetfeld und das durch den Leiterstrom erzeugte Magnetfeld) gerade nicht ändert. Die Beispiele diskutieren sich bei offenen Leiterschleifen (ohne Stromfluss) in der Regel deutlich leichter.


Viele Grüße
Michael
PhysikNeuling123



Anmeldungsdatum: 08.01.2016
Beiträge: 9

Beitrag PhysikNeuling123 Verfasst am: 09. Jan 2016 13:31    Titel: Antworten mit Zitat

Danke, aber Induktionsstrom wird doch induziert, sobald sich das Magnetfeld um die Leiterschleife ändert. Wenn ich nun die Leiterschleife ins Magnetfeld bewege, ergibt sich folglich eine Änderung des Magnetfeldes um die Leiterschleife.
ML



Anmeldungsdatum: 17.04.2013
Beiträge: 3411

Beitrag ML Verfasst am: 09. Jan 2016 14:02    Titel: Antworten mit Zitat

Hallo,

PhysikNeuling123 hat Folgendes geschrieben:
Danke, aber Induktionsstrom wird doch induziert, sobald sich das Magnetfeld um die Leiterschleife ändert. Wenn ich nun die Leiterschleife ins Magnetfeld bewege, ergibt sich folglich eine Änderung des Magnetfeldes um die Leiterschleife.


"Magnetfeld um die Leiterschleife": Du meinst wohl das "Magnetfeld durch eine von der Leiterschleife berandete Fläche"

Wenn Du eine Leiterschleife (Leiterschleife geschlossen, 0 < Widerstand < oo) in ein Magnetfeld hineinbewegst und darauf achtest, dass die Magnetfeldlinien senkrecht zur von der Leiterschleife aufgespannten Fläche stehen, so wirst Du damit zunächst den magnetischen Fluss durch die von der Leiterschleife aufgespannte Fläche erhöhen.

ABER: Durch die Bewegung wird in der Leiterschleife ein Strom entstehen. Dieser ist so gerichtet, dass er seiner Ursache (Ursache=Änderung des Flusses) entgegenwirkt. D. h. der "induzierte" Strom hat um sich herum ein B-Feld, das die Änderung des magn. Flusses verringert.

Im Grenzfall* einer ideal gut leitenden Leiterschleife wird der "induzierte" Strom gerade so groß werden, dass sich der Fluss durch die von der Leiterschleife aufgespannte Fläche nicht ändert.



Viele Grüße
Michael


* Ob ein Supraleiter in allen Aspekten ein solcher Grenzfall ist, wäre zu diskutieren.
schnudl
Moderator


Anmeldungsdatum: 15.11.2005
Beiträge: 6979
Wohnort: Wien

Beitrag schnudl Verfasst am: 10. Jan 2016 12:27    Titel: Antworten mit Zitat

ML hat Folgendes geschrieben:
Das ist das Induktionsgesetz. Um diesen Zusammenhang auszudrücken, braucht man keine Flächen und Randlinien und erst recht keine Drähte und Messgeräte .

Gut, dass das mal jemand sagt !
Thumbs up!
Die Rückführung der Induktion auf die Lorentzkraft ist im Schulunterricht weit verbreitet und gehört entsorgt...

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