- Induktion beschreiben
- einen Trafo erklären
- Spannungen berechnen
- ein Alltagsgerät erklären
1 · Bewegung wird zu Spannung
Induktion bedeutet: Ein sich änderndes Magnetfeld erzeugt in einer Spule eine elektrische Spannung.
Die violetten Linien zeigen das Magnetfeld. Schiebe den Magneten durch die Spule und beobachte das Messgerät.
Zusatz Spannungsverlauf als Kurve
Die Kurve zeigt die letzten 6 Sekunden. Oberhalb der Mittellinie ist die Spannung positiv, unterhalb negativ.
Dein Messplatz
Der Magnet steht: keine induzierte Spannung.
Magnet steht still → keine Spannung.
Schneller bewegen: Die Spannung wird größer. Andersherum bewegen oder Pole tauschen: Die Spannung kann ihre Richtung wechseln.
Hier ist nur ein Spannungsmessgerät angeschlossen. Es fließt praktisch kein Strom — deshalb zeigen wir keine Strompfeile. Eine Spannung allein ist noch kein Strom!
Dein 3-Schritte-Versuch
- Bewege den Magneten langsam, dann schnell.
- Halte ihn mitten in der Spule an.
- Bewege ihn wieder aus der Spule heraus.
Erkläre: Wann ist die Spannung groß? Wann ist sie null?
Ergebnis prüfen
Je schneller sich das Magnetfeld in der Spule ändert, desto größer ist die Spannung. Beim Stillstand ist sie null. Bei umgekehrter Bewegung wechselt die angezeigte Richtung der Spannung.
Zusatz Magnetischer Fluss und Induktionsgesetz
Der magnetische Fluss Φ beschreibt vereinfacht, wie viel Magnetfeld durch die Spule geht.
Für den Grundkurs reicht: Je schneller sich das Feld ändert, desto größer ist die Induktionsspannung.
2 · Dein Transformator-Labor
Ein Transformator verändert Wechselspannungen. Er besteht aus Primärspule, Sekundärspule und Eisenkern. Die beiden Stromkreise sind nicht mit einem Draht verbunden.
Die Pfeile wechseln ihre Richtung. So erkennst du den Wechselstrom und das sich ändernde Magnetfeld.
Ausgangsspannung
Dann doppelt so viel Spannung!
Vertiefung: Strom, Leistung und Messwerte
P₁ = U₁ · I₁ = U₂ · I₂ = P₂
Die Stromübersetzung gilt bei angeschlossener Last und I₁ ≠ 0. Leistung P bedeutet übertragene Energie pro Sekunde. Ein idealer Trafo erzeugt keine zusätzliche Energie.
Die großen Messwerte sind Effektivwerte: Sie beschreiben die Heizwirkung des Wechselstroms. Die Momentaufnahme darüber zeigt dagegen den Wert zu einem einzelnen Zeitpunkt. Der größte Betrag ist √2-mal der Effektivwert.
Das Magnetfeld ist hier proportional zu −cos(Phase), die Spannung zu sin(Phase). Das passt zum Induktionsgesetz: Die Spannung ist am größten, wenn sich der Fluss am schnellsten ändert. Die Strompfeile gelten für eine Widerstandslast; die Richtung hängt auch vom Wicklungssinn und den gewählten Anschlüssen ab.
Du bist am Regler!
Untersuche die Windungszahl
Halbiere und verdopple N₂. Was passiert mit U₂?
Nur virtuell experimentieren! Hohe Spannungen und große Ströme sind gefährlich. Auch kleine Spannungen können bei großen Strömen starke Erwärmung verursachen.
Was das ideale Modell weglässt
Keine Kupfer- und Kernverluste, kein Streufluss, keine Sättigung und kein Magnetisierungsstrom. Deshalb kann das Modell mathematisch extreme Leistungen liefern. Reale Transformatoren sind durch Nennleistung, Isolierung, Erwärmung und Kernsättigung begrenzt. Mehr Windungen bedeuten nicht mehr verfügbare Energie.
Bei Gleichspannung zeigen wir nur den stationären Zustand: kein veränderlicher Fluss, daher keine dauerhafte Sekundärspannung. Ein- und Ausschaltimpulse werden nicht simuliert. Der Primärstrom ist dann in diesem idealen Modell nicht sinnvoll berechenbar; reale Spulen können überhitzen.
Laborauftrag: 12 V treffen
Stelle bei U₁ = 120 V und N₁ = 500 eine Sekundärspannung von 12 V ein. Die Last darf beliebig sein.
Alltag: Warum haben Überlandleitungen hohe Spannungen?
Bei gleicher transportierter Leistung braucht man weniger Strom. Dadurch erwärmen sich die Leitungen weniger. Ihre Wärmeverluste sind PVerlust = I² · RLeitung. Halber Strom bedeutet nur ein Viertel der Wärmeverluste.
3 · Induktion im Alltag
Dasselbe Grundprinzip, unterschiedliche Aufgaben: Energie berührungslos übertragen oder direkt Wärme erzeugen.
Induktionsherd · Der Topf wird zur Heizung
Orange Kreispfeile: Wirbelströme im Topfboden, schematisch von oben angedeutet. Violette Feldlinien: das wechselnde Magnetfeld. Ohne geeigneten Topf bleibt die Heizung in diesem Modell aus.
Das wechselnde Magnetfeld erzeugt im Topfboden Wirbelströme: Ströme, die im Kreis fließen. Der elektrische Widerstand des Topfes wandelt ihre Energie in Wärme um.
Zusätzlicher Wärmeeffekt
Bei magnetischen Materialien kann auch das ständige Ummagnetisieren zur Erwärmung beitragen.
Elektrische Zahnbürste · Laden ohne Metallkontakte
Violett: wechselndes Feld zwischen den Spulen. Orange Pfeile zum Akku: Strom mit gleichbleibender Richtung nach der Ladeelektronik — keine direkte Drahtverbindung zur Station.
Eine Spule steckt in der Station, die andere in der Bürste. Das Magnetfeld überträgt Energie durch das Kunststoffgehäuse. Die Ladeelektronik macht aus der Wechselspannung eine passende Gleichspannung und steuert das Laden des Akkus.
Warum Gleichspannung für den Akku?
Beim Laden braucht der Akku eine feste Polarität, also eine gleichbleibende Zuordnung von Plus und Minus. Ein Gleichrichter in der Elektronik wandelt die Wechselspannung entsprechend um.