Lenzsche Regel

Lenzsche Regel einfach erklärt mit der Energieerhaltung

Grundsätzlich ist es so, dass elektromagnetische Felder eine Feldenergie besitzen. Je nachdem, wie das Feld geändert wird, muss dementsprechend Energie zu- oder abgeführt werden. Das kannst Du Dir am gewöhnlichsten Fall einer Magnetfeldänderung überlegen.

In beiden Fällen hat die elektromagnetische Induktion also entgegen die Änderung, sprich ihre Ursache, gewirkt. Das klingt doch schon fast nach einer Definition, oder?

Lenzsche Regel Definition

Veränderst Du das Magnetfeld durch einen Leiter, wird im Leiter induziert. Eine Magnetfeldänderung bedeutet auch immer eine Änderung der Feldenergie. Diese Energie kann laut der Energieerhaltung nicht aus dem Nichts entstehen oder einfach verschwinden. Je nach Richtung der Änderung wird die Energie entweder einem Stromfluss entnommen oder zugeführt.

Wird ein Magnetfeld stärker, also steigt dessen Energie, kommt diese zusätzliche Energie von einem Strom. Der Stromfluss wird dabei abgebremst, also ist der Induktionsstrom negativ. Eine positive Magnetfeldänderung (Ursache) führt somit zu einer negativen Auswirkung auf den Stromfluss (Wirkung).

Sinkt die Energie des Magnetfeldes stattdessen, also das Feld wird schwächer, gibt es die Energie als zusätzlichen Stromfluss ab. Der Induktionsstrom ist positiv. Einem Stromkreis wird somit Energie zugeführt. Die negative Magnetfeldänderung (Ursache) hat also eine positive Auswirkung auf den Stromfluss (Wirkung).

Genau dieses Verhalten von Ursache und Wirkung bei elektromagnetischer Induktion beschreibt die Lenzsche Regel:

Die Lenzsche Regel ist der Grund, warum bei den Formeln zur elektromagnetischen Induktion, die Du in den Erklärungen zur Induktion, Selbstinduktion und Induktion in einer Leiterschleife finden kannst, stets ein Minuszeichen bei Induktionsstrom sowie Induktionsspannung steht.

Dass sich die elektromagnetische Induktion tatsächlich so auswirkt, kannst Du mithilfe eines Versuches nachweisen.

Lenzsche Regel Versuch

Ein oft gezeigter Versuch zur Lenzschen Regel ist der sogenannte Thomsonsche Ringversuch. Falls Du den Versuch noch nie gesehen hast, frag doch bei Deinem / Deiner Physiklehrer*in nach. Die für den Aufbau notwendigen Geräte und Bauteile findest Du nämlich wahrscheinlich nicht bei Dir zu Hause.

Lenzsche Regel Ringversuch Aufbau

Der Name des "Ringversuchs" verrät Dir schon ein wichtiges Teil. Anstatt eines Aluminiumrings kannst Du auch eine leere Getränkedose aus Aluminium verwenden. Wenn möglich, sollte der Versuch auch zweimal durchgeführt werden. Einmal mit einem geschlossenen Ring / einer ganzen Dose und das zweite Mal mit einem offenen Ring / einer von unten nach oben aufgeschnittenen Dose.

Wir besprechen hier den Versuch mit einer Dose. Boden und Deckel müssen dabei entfernt werden, sodass Du im Prinzip einen offenen Zylinder aus Aluminium hast. Die Dose stülpst Du dann auf einen langen Eisenkern, der auch gleichzeitig durch eine Spule geht. Getrennt durch einen Schalter, der zunächst offen ist, schließt Du eine Gleichspannungsversorgung U an die Schaltung und daher auch an die Spule an. Der Schalter sollte dabei möglichst weit von der Spule entfernt sein.

Jetzt ist der Versuch bereit für die Durchführung.

Lenzsche Regel Ringversuch Durchführung & Beobachtung

Der Schalter ist zunächst offen und der Stromkreis somit getrennt. Das heißt, es gibt selbst bei eingeschaltetem Spannungsversorgungsgerät keinen Stromfluss durch die Spule.

Achtung! Beim Versuch kann die Dose stark nach oben geschleudert werden! Sorge also vor der Durchführung für eine sichere Umgebung.

Durchführung mit geschlossener Dose als zylinderförmiger Ring

In der ersten Durchführung benutzt Du die Dose, die einen nach oben und unten offenen Zylinder bildet und an den Seiten geschlossen ist. Jetzt schließt Du für einen kurzen Moment den Schalter und öffnest ihn gleich danach wieder. Du kannst dabei beobachten, dass die Dose nach oben geworfen wird. Vielleicht sogar so weit, dass sie sich vom Eisenkern löst und durch den Raum fliegt.

Beim Einschalten des Stromkreises wird durch die sehr starke Stromänderung des Spulenstroms I_L stark in der Spule induziert. Das bedeutet, dass sich ein Magnetfeld B_L um die Spule bildet, das sich durch den Eisenkern auch auf die Dose ausweitet. Somit wird gleichzeitig das, die Dose umgebende, Magnetfeld stark verändert. Das wiederum führt zur Induktion in der Dose.

An dieser Stelle kommt die Lenzsche Regel ins Spiel: Die Induktion in der Dose wirkt entgegen ihrer Ursache. Die Ursache ist hier die Magnetfeldänderung des Feldes B_L. Somit bildet sich aufgrund der Induktion in der Dose ein entgegengesetztes Magnetfeld B_W aus.

Das Magnetfeld kann sich aber nur bilden, wenn auch sogenannte Wirbelströme I_W durch die Dose fließen können. Denke daran, dass ein vom Strom durchsetzter Leiter ein Magnetfeld um sich bildet. Kein Stromfluss I_W würde hier kein Magnetfeld B_W bedeuten. Damit der Strom die Dose vollständig umrunden und somit ein starkes Magnetfeld bilden kann, muss die Dose einen offenen Zylinder bilden.

Am oberen Ende der Spule sowie am unteren Ende der Dose befinden sich jetzt die gleichnamigen Pole beider Magnetfelder (die Magnetfeldlinien gehen in entgegengesetzte Richtungen). Das resultiert in einer starken Abstoßung und kann die Dose durch die Luft katapultieren.

Durchführung mit aufgetrennter Dose als zylinderförmigen aufgetrennten Ring

Für die zweite Durchführung benötigst Du entweder eine zweite Dose, oder Du schneidest die erste Dose der Länge nach (von oben nach unten) auf. Sie soll in der Draufsicht jetzt also einen unterbrochenen Ring bilden.

Hier gehst Du nun vor, wie bei der ersten Durchführung. Du stülpst die Dose über den Eisenkern und schaltest den Stromkreis für einen kurzen Moment an und dann wieder aus.

Dabei kannst Du erkennen, dass sich die Dose kaum, wenn überhaupt, nach oben bewegt.

Wie beim ersten Versuch wird auch hier beim Einschalten des Stromkreises aufgrund der Stromänderung von I_L durch die Spule induziert und das Magnetfeld B_L bildet sich. Das Feld breitet sich über den Eisenkern durch die Dose aus. In der Dose wird jetzt aber nur schwach induziert.

Die in der Dose entstehenden Wirbelströme I_W können jetzt, aufgrund der Unterbrechung in der Dose, nicht alle in die gleiche kreisförmige Richtung fließen. Das Magnetfeld B_W ist dadurch nur sehr schwach. Daraus folgt, dass auch die Abstoßung aufgrund beider Magnetfelder schwach oder zu klein ist, um die Dose zu bewegen.

Mit diesem Versuch hast Du also die Lenzsche Regel bewiesen. Die Induktion wirkt tatsächlich entgegen ihrer Ursache. Sie findet zusammen mit den Wirbelströmen auch Anwendung im Alltag.

Lenzsche Regel Beispiel Wirbelstrombremse

Das mysteriöse fehlende Geräusch beim Bremsen des ICEs bei hohen Geschwindigkeiten liegt an der Benutzung von sogenannten Wirbelstrombremsen. Diese bestehen, ganz einfach erklärt, aus einem Elektromagneten (Spule L), der an der Unterseite des Zuges sehr nah an den Schienen angebracht wird. Während der Fahrt bewegt sich der Magnet mit einer gewissen Geschwindigkeit v über die Schienen hinweg.

Soll nicht gebremst werden, wird der Elektromagnet bzw. die Spule L nicht mit Strom versorgt.

Wird hingegen gebremst, dann wird der Magnet aktiviert. Je nach gewünschter Bremsleistung fließt jetzt ein Strom I_L durch die Spule L. Ein Magnetfeld B_L entsteht.

Aufgrund der Bewegung verändert sich zwar nicht das Magnetfeld B_L an sich, jedoch ständig der jeweilige Teil der Schiene, der vom Magnetfeld durchsetzt wird. Effektiv bedeutet das, je nach Geschwindigkeit v und Stärke des Magnetfeldes B_L, dass in der Schiene induziert wird.

Die Induktion in der Schiene bedeutet, dass sich Wirbelströme I_W bilden. Laut der Lenzschen Regel ist die Wirkung der Induktion entgegengesetzt zur Ursache. Da die Ursache hier die Bewegung des Zuges bzw. des Magnetfeldes B_L ist, bremst die Induktion den Zug aus.

Die Wirkung kannst Du Dir auch über die Energieerhaltung herleiten: Das ständige Aufbauen neuer Magnetfelder B_W und Bildung der Wirbelströme I_W benötigt eine Menge Energie. Diese Energie kommt aus der Bewegung des Zuges über die Schienen. Die Bewegungsenergie des Zuges wird somit über das Magnetfeld an die Schienen abgegeben. Der ICE bremst.

Da dabei keine Bauteile aneinander reiben, hörst Du davon nichts. Außerdem ist der Verschleiß einer solchen Bremse deswegen extrem gering.

Ein Nachteil ist jedoch, dass die Effektivität der Bremse mit sinkender Geschwindigkeit abnimmt. Fährt der ICE in den Bahnsteig ein, kannst Du trotzdem das typische Quietschen und Knirschen normaler Bremsen hören. Auch die Wärmeentwicklung in den Schienen durch die Wirbelströme kann sich negativ auswirken.

In der Wirbelstrombremse und im Versuch waren Spulen zentrale Bestandteile für die Anwendung. Dabei hat die Lenzsche Regel eine Auswirkung auf das Verhalten von Spulen an sich.

Lenzsche Regel Spule

Im Experiment weiter oben in der Erklärung hast Du die Spule schnell an- und ausgeschaltet. Bei diesen Vorgängen wurde in der Spule stark induziert. Das hat nicht nur Auswirkung auf ihr eigenes Magnetfeld, sondern auch gleichzeitig auf ihren eigenen Stromkreis.

Beim Einschaltvorgang an einer Spule steigt in dieser der Stromfluss rasant an. Das bedeutet, dass sich auch ein Magnetfeld bildet und es somit zur Selbstinduktion kommt. Nach der Lenzschen Regel wirkt sie entgegen ihrer Ursache. Schaltest Du also den Stromkreis durch eine Spule ein, wird der Stromfluss durch die Spule aufgrund der Selbstinduktion gebremst.

Sinkt hingegen der Stromfluss durch die Spule beim Ausschaltvorgang stark, wird der Stromfluss kurzzeitig aufrechterhalten. Die Selbstinduktion wirkt entsprechend der Lenzschen Regel gegen das Ausschalten.

Die Lenzsche Regel sorgt also dafür, dass der Energieerhaltungssatz eingehalten wird. Ohne sie würde einem elektromagnetischen Perpetuum Mobile nichts entgegenstehen. Auch wenn sie manchmal störend wirkt, wird die Lenzsche Regel auch bewusst ausgenutzt. Das Wichtigste zur Regel von Lenz findest Du hier noch einmal zusammengefasst.