Lenz im Alltag

Die Wirbelströme im Topfboden haben eine Richtung — und die ist kein Zufall. Aus dem Kapitel zur Lenzschen Regel kennst du den Satz: Der Induktionsstrom ist stets so gerichtet, dass er der Ursache seiner Entstehung entgegenwirkt. Viele merken sich daraus „das induzierte Feld ist dem äußeren Feld entgegengesetzt". Klingt fast gleich — ist aber falsch, und der folgende Versuch trennt die beiden Sätze, weil sie für ihn Gegenteiliges vorhersagen.

Ein leichter Metallring hängt drehbar vor dem Nordpol eines Stabmagneten. Das Feld $B$ des Magneten (blau) zeigt am Ring immer vom Nordpol weg, nach links. Der Chip $\dot{\Phi }$ zeigt, wie schnell sich der Fluss durch den Ring ändert, der rote Pfeil $B_i$ das Feld des Induktionsstroms, der orange Pfeil F die Kraft auf den Ring.

Beim Annähern wächst der Fluss ($\dot{\Phi }>0$), $B_i$ zeigt gegen $B$, und der Ring wird weggedrückt. Beim Wegziehen schrumpft der Fluss ($\dot{\Phi }<0$): $B_i$ zeigt jetzt parallel zu $B$, und der Ring folgt dem Magneten. Wäre das induzierte Feld immer dem äußeren entgegengesetzt, müsste er auch jetzt zurückweichen. Die Lenzsche Regel heißt also: der Änderung des Flusses entgegen — nicht der Feldrichtung. Warum sie so herum gelten muss, sagt die Energieerhaltung: Würde der Induktionsstrom die Änderung verstärken, zöge der Ring den heranfliegenden Magneten noch schneller an sich, und aus dem Nichts entstünde Bewegungsenergie. Wer den Fluss ändert, muss gegen die Kraft F Arbeit verrichten — genau diese Arbeit landet als elektrische Energie im Ring.

Jetzt ein Rennen. Ein starker Magnet fällt durch zwei gleiche, 1 m lange Kupferrohre — eines ist geschlossen, in das andere ist der Länge nach ein Schlitz gefräst. Sage voraus: Wer kommt zuerst unten an, und wie deutlich?

Magnet 2 ist nach 0,44 s unten, im freien Fall mit bis zu 4,3 m/s. Magnet 1 sinkt mit 0,10 m/s und braucht 9,4 s. Im geschlossenen Rohr sieht jeder Rohrabschnitt den Fluss des herannahenden Magneten wachsen und den des davonfallenden schrumpfen; vor dem Magneten stemmen sich die Wirbelströme gegen die Zunahme, hinter ihm gegen die Abnahme. Beides bremst die Bewegung, und je schneller der Magnet fällt, desto stärker — bis die Bremskraft so groß ist wie sein Gewicht und er mit konstanter Geschwindigkeit sinkt. Im geschlitzten Rohr können sich die Kreisströme nicht schließen, und der Magnet fällt fast frei. Dasselbe zeigt das Waltenhofensche Pendel: Eine massive Metallscheibe bleibt zwischen den Polen eines Elektromagneten fast stehen, eine geschlitzte pendelt weiter.

Diese Bremse fährt Zug: Die Wirbelstrombremse des ICE 3 senkt Elektromagnete dicht über die Schiene; die Flussänderung induziert Wirbelströme in der Schiene, deren Feld die Bewegung hemmt. Ohne Kontakt, ohne Verschleiß, stufenlos — aber die Flussänderung ist proportional zur Geschwindigkeit, und bei niedrigem Tempo ist es auch die Bremskraft: Bei halbem Tempo bremst sie nur noch halb so stark, im Stand gar nicht. Die letzten Meter übernimmt die Reibungsbremse.

Und der Herd? Im Topfboden ändert sich der Fluss 25 000-mal pro Sekunde, und die Wirbelströme stemmen sich in jedem Augenblick gegen diese Änderung. Ihr Feld wirkt der Änderung des Spulenfelds entgegen — in der untersten Schicht des Bodens, wo das Spulenfeld zuerst ankommt, fängt es einen großen Teil davon ab. Wie tief kommt das Feld dann überhaupt noch in den Boden?