Lenzsche Regel und Energieerhaltung
Wie lautet die Lenzsche Regel korrekt?
Erklärung: Die Regel spricht von der URSACHE — also der Änderung des Flusses —, nicht von der Feldrichtung. Die verbreitete Kurzfassung "entgegen dem Feld" ist eine Fehlvorstellung.
Das Magnetfeld des Induktionsstroms ist immer dem äußeren Magnetfeld entgegengesetzt.
Erklärung: Der Induktionsstrom wirkt der ÄNDERUNG des Flusses entgegen. Nimmt der Fluss ab, stützt sein Feld das äußere Feld sogar — nur bei wachsendem Fluss ist es ihm entgegengerichtet.
Ein Erfinder will eine Spule bauen, deren Induktionsstrom einen hineinfallenden Magneten zusätzlich anzieht – so soll ohne Antrieb Strom entstehen. Wie beurteilst du die Idee?
Erklärung: Würde der Induktionsstrom den Magneten anziehen, würde der Magnet immer schneller, der Strom immer größer – elektrische und Bewegungsenergie entstünden aus dem Nichts, ein Perpetuum mobile. Das verbietet die Energieerhaltung, egal wie stark der Magnet oder wie gut die Spule leitet. Darum muss der Induktionsstrom seiner Ursache entgegenwirken (Lenzsche Regel): Er bremst den Magneten.
Ein Aluminiumring schwingt in ein homogenes Magnetfeld hinein und wird dabei abgebremst. Wie erklärt die Lenzsche Regel diese Beobachtung?
Erklärung: Beim Eintauchen wächst der Fluss durch den Ring. Der induzierte Strom ist so gerichtet, dass er dieser Änderung — also der Bewegung als ihrer Ursache — entgegenwirkt. Aluminium ist dabei nicht ferromagnetisch.
Ein starker Magnet fällt einmal durch ein Plastikrohr, einmal durch ein gleich langes Kupferrohr. Was beobachtet man?
Erklärung: Der fallende Magnet ändert den Fluss durch die Kupferwand und induziert dort Wirbelströme, die nach Lenz den Fall hemmen. Kupfer ist nicht ferromagnetisch — es geht allein um Induktion.
Auch im Plastikrohr wird der fallende Magnet durch Wirbelströme gebremst.
Erklärung: Plastik leitet nicht, also können keine Wirbelströme fließen — der Magnet fällt praktisch frei. Der Vergleich der beiden Rohre isoliert die Wirbelströme als Ursache der Bremsung.
Würde der Induktionsstrom seine Ursache verstärken, hätte man ein ___ mobile gebaut.
Erklärung: Ein sich selbst verstärkender Induktionsvorgang würde Energie aus dem Nichts erzeugen. Genau dieser Widerspruch zur Energieerhaltung begründet die Lenzsche Regel.
Wie erwärmt ein Induktionsherd den Topf?
Erklärung: Nur der Topfboden wird erwärmt, die Platte bleibt kalt — daher die kurzen Vorwärmzeiten und die Energieersparnis. Ohne passenden (ferromagnetischen) Topf entsteht keine Wärme.
Das Waltenhofen-Pendel — eine Metallscheibe, die zwischen Magnetpolen schwingt — kommt auffallend schnell zur Ruhe. Welche technische Anwendung nutzt dieselbe Wirkung?
Erklärung: In der bewegten Scheibe induzierte Wirbelströme wirken nach Lenz der Bewegung entgegen und dämpfen sie. Wirbelstrombremsen nutzen das verschleißfrei, z. B. bei Schienenfahrzeugen.
Nähert man den Nordpol eines Stabmagneten einer Leiterschleife, so fließt der Induktionsstrom so, dass die dem Magneten zugewandte Seite der Schleife ebenfalls ein Nordpol wird.
Erklärung: Der wachsende Fluss muss nach Lenz gehemmt werden. Die Schleife stößt den sich nähernden Magneten ab — gleichnamige Pole stoßen sich ab, also wird die zugewandte Seite zum Nordpol.
Der Stabmagnet wird nun von der Leiterschleife wegbewegt. Wie reagiert der Induktionsstrom?
Erklärung: Jetzt nimmt der Fluss ab, also versucht der Induktionsstrom, ihn zu erhalten — die Schleife hält den Magneten fest. Die Stromrichtung ist gegenüber der Annäherung umgekehrt.
Die Lenzsche Regel steckt im Induktionsgesetz als ___ vor dem Term N·dΦ/dt.
Erklärung: Das Minuszeichen drückt aus, dass die induzierte Spannung der Flussänderung entgegenwirkt. Es ist die formale Kurzschrift der Energieerhaltung im Induktionsgesetz.
Solange sich der magnetische Fluss durch eine Leiterschleife nicht ändert, fließt auch kein Induktionsstrom — es gibt nichts, dem er entgegenwirken könnte.
Erklärung: Der Induktionsstrom antwortet auf die Änderung des Flusses, nicht auf den Fluss selbst. Ein noch so starkes konstantes Feld induziert nichts.