Asynchronmotor

Induktion und Kraftwirkung

Im Kapitel zur Induktion haben wir gesehen, dass in einer Spule ein Strom erzeugt wird, wenn diese einem wechselnden Magnetfeld ausgesetzt wird. Im Kapitel zur Selbstinduktion haben wir dann gesehen, dass der induzierte Strom dem wechselnden Magnetfeld entgegenwirkt. Wie interagieren nun zwei Spulen, wenn in der einen durch Anlegen einer Spannung ein Stromfluss erzeugt wird und sich die zweite Spule in dem Magnetfeld der ersten Spule befindet?
Nun, es laufen die Prozesse ab, die im Kapitel Wirbelströme bereits beschrieben wurden. Hatten wir dort (zumindest in den Abbildungen) einen Permanentmagneten als den Verursacher eines wechselnden magnetischen Flusses durch die Leiterschleife einer Spule verwendet, wollen wir hier zwei wechselwirkende Spulen betrachten:

Abbildung 1:
Leiterschleife im wechselnden Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule:
Im oberen Teil der Abbildung wird die Spule an eine Spannungsquelle angeschlossen. In der Spule beginnt ein Strom zu fließen wie im Kapitel Schaltvorgänge beschrieben. Es baut sich ein Magnetfeld auf, bei dem der magnetische Südpol links in der Zeichnung liegt. Links von der Spule befindet sich eine zweite Spule. Diese besteht aus nur einer einzigen Leiterschleife. Der magnetische Fluss durch die Leiterschleife erhöht sich und der Lenz'schen Regel folgend wird ein Stromfluss in der Leiterschleife induziert, der dem sich aufbauenden Magnetfeld entgegenwirkt. Der magnetische Südpol der Leiterschleife zeigt folglich nach rechts und somit stehen sich zwei gleichnamige Pole gegenüber. Es wirkt eine abstoßende Kraft zwischen den beiden Spulen.

Nun verringern wir die an der rechten Spule anliegende Spannung auf Null, wodurch sich das von ihr hervorgerufene Magnetfeld langsam abschwächt. Der magnetische Fluss durch die linke Leiterschleife wird reduziert, wodurch in dieser ein Strom zu fließen beginnt, der den magnetischen Fluss wieder erhöht. Folglich befindet sich nun der magnetische Nordpol der Leiterschleife auf der rechten Seite. Die beiden Spulen ziehen sich nun an, da sich ihre gegennamigen Pole gegenüberliegen.

In den Animationen zu den verschiedenen Elektromotoren der vorherigen Kapitel haben wir gesehen, dass sich dabei die Magnete bzw. Spulen eher seitwärts aneinander vorbei bewegt haben als dass diese aufeinander zu oder weg bewegt wurden. In welche Richtung wirken dabei die durch Induktion hervorgerufenen Magnetfelder?

Abbildung 2:
Eine von einem konstanten Strom durchflossene Spule (alternativ kann auch ein Permanentmagnet verwendet werden) wird von links nach rechts an einer Leiterschleife vorbei bewegt. Der magnetische Südpol befindet sich unten an der Spule. Bewegt sich die Spule auf die Leiterschleife zu, wird ein Magnetfeld induziert, das der Zunahme des magnetischen Flusses durch die Leiterschleife entgegenwirkt. Der magnetische Südpol der Leiterschleife befindet sich folglich oben. Die gleichnamigen Pole von Spule und Leiterschleife stoßen sich ab, es wirkt eine nach rechts gerichtete Kraft auf die Leiterschleife (die Kraftkomponente senkrecht dazu wird in der Animation vernachlässigt). Hat die Spule die Stelle der Leiterschleife erreicht und bewegt sich nun nach rechts von dieser fort, so verringert sich ab diesem Zeitpunkt der magnetische Fluss durch die Leiterschleife. Als Folge davon wird in der Leiterschleife nun ein Strom induziert, welcher der Abschwächung des magnetischen Flusses entgegenwirkt. Nun befindet sich der magnetische Nordpol auf der oberen Seite der Leiterschleife. Die Leiterschleife wird daher von der Spule angezogen, während sich diese nach rechts entfernt.
Die horizontale Kraftkomponente auf die Leiterschleife wirkt immer in Bewegungsrichtung des Elektromagneten! Dabei ist es nicht von Bedeutung, ob der Elektromagnet von links nach rechts oder in umgekehrter Richtung an der Leiterschleife vorbei bewegt wird. Auch der zugewandte Pol (Nord- oder Südpol) ändert an diesem Sachverhalt nichts! Von Bedeutung ist allerdings die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen Spule und Leiterschleife. Je höher die Geschwindigkeitsdifferenz, um so stärker ist die Kraftwirkung.
Zu beachten ist, dass die oben gemachten Aussagen nur auf eine reale, mit ohmschem Widerstand behaftete Leiterschleife zutreffen. In supraleitenden Spulen bleibt die abstoßende Wirkung erhalten, wenn sich die Spule von der Leiterschleife entfernt, der Stromfluss durch diese wird dabei lediglich wieder auf Null verringert. Wird die Energie des durch die Schleife fließenden Strom allerdings aufgrund des ohmschen Widerstandes in Wärmeenergie verwandelt, findet tatsächlich eine Stromumkehr statt, wenn sich die Spule von der Leiterschleife entfernt.

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