Bist Du schon einmal mit einem neueren ICE gefahren? Dabei hast Du vielleicht bemerkt, dass beim Bremsen in hoher Geschwindigkeit keine Bremsgeräusche zu hören sind. Im Gegensatz dazu hörst Du bei vor allem älteren Zügen und Regionalbahnen oftmals ein lautes Quietschen der Bremsen. Der Grund dafür, dass Du beim ICE nichts hörst, ist die dort benutzte Wirbelstrombremse. Sie nutzt elektromagnetische Induktion und speziell die Lenzsche Regel für ein reibungsloses Bremsen.
Elektromagnetische Induktion Definition
Damit es zur elektromagnetischen Induktion kommt, benötigst Du einen elektrischen Leiter und ein Magnetfeld, das diesen durchsetzt. Veränderst Du dieses Magnetfeld, wird im Leiter eine elektrische Spannung induziert.
Ein Leiter wird von einem Magnetfeld durchsetzt. Veränderst Du dieses Magnetfeld, wirkt eine Lorentzkraft auf die Ladungen im Leiter. Dadurch kommt es zu einer Ladungstrennung. Eine Ladungstrennung bedeutet ein elektrisches Feld und somit eine elektrische Spannung, die sogenannte Induktionsspannung. Das Phänomen bezeichnest Du als elektromagnetische Induktion.
Die Erklärungen zur Induktion und Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters geben Dir zusätzliche Auskunft darüber, wie genau das funktioniert.
Die Veränderung eines Magnetfeldes führt also dazu, dass ein elektrisches Feld entsteht. Um das Magnetfeld durch einen Leiter zu verändern, hast Du grundsätzlich zwei Möglichkeiten:
Du kannst den Stromfluss durch den Leiter verändern. Dadurch veränderst Du auch gleichzeitig das vom Leiter aufgebaute Magnetfeld.
Befindet sich der Leiter in einem äußeren Magnetfeld, z. B. eines Elektromagneten, kannst Du dieses ändern. Auch hier wird im Leiter eine Spannung induziert.
Das bedeutet, Du kannst das Magnetfeld einer Spule ändern, indem Du dem Feld z. B. die Energie für das Laden eines Kondensators entziehst, richtig? Dabei erhöht sich wegen der Induktion auch noch die Spannung in der Spule, oder? Größere Spannung bedeutet stärkerer Stromfluss und somit noch mehr Energie?
Falsch!
Das wäre cool, oder? Leider funktioniert das so nicht. Ansonsten hättest Du alle Energieprobleme der Welt gelöst. Warum das so ist, hängt mit der Lenzschen Regel und der Energieerhaltung zusammen.
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.
Schau Dir zusammen mit der Abbildung 1 die folgenden Momente beim Einschalten eines Stromkreises an.
Im Schritt 1 hast Du einen Leiter, durch den kein Strom fließt. Somit bildet dieser auch kein eigenes Magnetfeld aus.
Schaltest Du den Stromkreis an (Schritt 2), fließt ein Strom I1 durch den Leiter. Das Magnetfeld B1 wird nicht sofort aufgebaut, sondern benötigt ein wenig Zeit. Da sich zu dieser Zeit das Magnetfeld ändert, kommt es zur elektromagnetischen Induktion im Leiter. Dem Stromfluss wird dabei Energie entnommen, um das Magnetfeld aufzubauen. Das resultiert in einem "Ausbremsen" des ansteigenden Stromes.
In Schritt 3 hat sich das Magnetfeld B2 vollständig aufgebaut. Dem Stromfluss wird somit auch keine Energie mehr entnommen. Der jetzige Strom I2 wird nicht mehr gebremst und ist größer als der Strom I1 direkt nach dem Einschalten.
Die elektromagnetische Induktion wirkt also aufgrund der Energien gegen das Einschalten des Stromes.
Wie sieht das beim Ausschalten aus? Schau Dir zu den folgenden Schritten die Abbildung 2 an.
Der erste Moment ist hier jetzt, dass ein konstanter Stromfluss I2 zum vollständig aufgebauten Magnetfeld B2 führt. Alles so wie in Schritt 3 oben.
Schaltest Du den Stromkreis ab (Schritt 4), wird das Magnetfeld B nicht mehr durch den Stromfluss aufrechterhalten. Das Magnetfeld B3 baut sich ab. Das geschieht aber nicht sofort. In dieser Zeit gibt es eine Änderung des Magnetfeldes und im Leiter findet somit elektromagnetische Induktion statt.
Aufgrund der Energieerhaltung muss die Feldenergie irgendwo hin, und kann nicht einfach verschwinden. Das Feld gibt dabei dessen Energie an den Stromfluss I3 im Leiter ab. Der eigentlich schwindende Strom wird "beschleunigt".
Der Energieerhaltungssatz (kurz EES) besagt, dass Energie weder neu erschaffen noch vernichtet werden kann.
Ist das Feld wie in Schritt 5 vollständig abgebaut und der Leiter von der Versorgung getrennt, fließt kein Strom mehr. Du bist wieder bei der Ausgangssituation 1 angelangt.
Die Ursache der Magnetfeldänderung war hier der plötzlich schnell kleiner werdende Stromfluss, der teilweise aufrechterhalten wurde, bis das Feld abgebaut war.
Im hier besprochenen Beispiel tritt ein besonderer Fall der elektromagnetischen Induktion auf. Mehr darüber erfährst Du in der Erklärung zur sogenannten Selbstinduktion.
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.
Die Veränderung am Stromfluss durch elektromagnetische Induktion ist der Induktionsstrom.
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).
Die Bezeichnungen "positiv" und "negativ" bezeichnen hier die Vorzeichen beziehungsweise die Richtung der jeweiligen Ursache und Wirkung. Ob das für eine Anwendung "gut" oder "schlecht" ist, kommt auf das Gerät an.
Genau dieses Verhalten von Ursache und Wirkung bei elektromagnetischer Induktion beschreibt die Lenzsche Regel:
Die Lenzsche Regel besagt, dass die Wirkung einer elektromagnetischen Induktion stets entgegen ihrer Ursache gerichtet ist. Die Wirkung äußert sich über den Induktionsstrom bzw. die Induktionsspannung und dem daraus resultierenden elektromagnetischen Feld.
Benannt wurde die Lenzsche Regel übrigens nach dem Physiker Emil Lenz. Nach Lenz wurde auch das Formelzeichen der Induktivität L gewählt.
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 IL stark in der Spule induziert. Das bedeutet, dass sich ein Magnetfeld BL 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 BL. Somit bildet sich aufgrund der Induktion in der Dose ein entgegengesetztes Magnetfeld BW aus.
Das Magnetfeld kann sich aber nur bilden, wenn auch sogenannte Wirbelströme IW durch die Dose fließen können. Denke daran, dass ein vom Strom durchsetzter Leiter ein Magnetfeld um sich bildet. Kein Stromfluss IW würde hier kein Magnetfeld BW 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 IL durch die Spule induziert und das Magnetfeld BL 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 IW können jetzt, aufgrund der Unterbrechung in der Dose, nicht alle in die gleiche kreisförmige Richtung fließen. Das Magnetfeld BW 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 IL durch die Spule L. Ein Magnetfeld BL entsteht.
Aufgrund der Bewegung verändert sich zwar nicht das Magnetfeld BL 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 BL, dass in der Schiene induziert wird.
Warum genau eine Bewegung zur Induktion führen kann, erfährst Du in der Erklärung Elektromagnetische Induktion.
Die Induktion in der Schiene bedeutet, dass sich Wirbelströme IW bilden. Laut der Lenzschen Regel ist die Wirkung der Induktion entgegengesetzt zur Ursache. Da die Ursache hier die Bewegung des Zuges bzw. des Magnetfeldes BL ist, bremst die Induktion den Zug aus.
Die Wirkung kannst Du Dir auch über die Energieerhaltung herleiten: Das ständige Aufbauen neuer Magnetfelder BW und Bildung der Wirbelströme IW 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.
Die Bewegungsenergie ist eine Form der mechanischen Energie. Dazu erfährst Du mehr in der Erklärung Kinetische Energie.
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.
Bei einer solchen Induktion, bei der Ursache und Wirkung im gleichen Stromkreis sind, sprichst Du von Selbstinduktion.
Die Erklärung zur Selbstinduktion beinhaltet alles Wichtige über diese Form der elektromagnetischen Induktion.
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.
Mehr zum Einschaltvorgang und Ausschaltvorgang von Spulen erfährst Du in den Erklärungen zur Selbstinduktion und Induktivität.
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.
Lenzsche Regel - Das Wichtigste
- Die Lenzsche Regel besagt, dass eine elektromagnetische Induktion stets entgegen ihrer Ursache wirkt.
- Du kannst sie als Energieerhaltung bei elektromagnetischer Induktion sehen.
- Beim Ringversuch wird in einem Ring / einer Dose induziert. Aufgrund der Lenzschen Regel entwickelt sich dort ein neues Magnetfeld in entgegengesetzter Richtungzum Magnetfeld der Spule. Der Ring / die Dose wird dabei von der Spule weggeschleudert.
- Sogenannte Wirbelströme, die im Ring induziert werden, sorgen dafür, dass sich das Magnetfeld um den Ring bildet. Diese können nur entstehen, wenn der Ring bzw. die Dose einen geschlossenen Kreis bildet.
- Beim offenen Ring / aufgeschnittener Dose können die Wirbelströme nicht im Kreis fließen. Das dabei entstehende Magnetfeld ist nicht stark genug, um Ring / Dose wegzuschleudern.
- Eine Wirbelstrombremse, wie sie oft beim modernen ICE zu finden ist, nutzt die Lenzsche Regel aus. Die Energie aus der Zugbewegung wird dabei über das Magnetfeld eines Elektromagneten in die Schienen übertragen. Dort wird induziert und die entstehenden Wirbelströme und Magnetfelder entziehen der Bewegung Energie. Der Zug bremst.
- In einer Spule wird bei einer Stromänderung selbstinduziert. Die beiden häufigsten Vorgänge sind das Ein- bzw. Ausschalten. Dabei sorgt die Lenzsche Regel dafür, dass Ursache und Wirkung der Selbstinduktion stets entgegengesetzt sind.
- Einschaltvorgang: Die positive Stromänderung durch die Spule bewirkt das Aufbauen eines Magnetfeldes. Energie wird dem Stromfluss entnommen, wodurch dieser kurzzeitig ausgebremst wird, bis das Magnetfeld vollständig aufgebaut ist.
- Ausschaltvorgang: Sinkt der Stromfluss durch eine Spule, baut sich ihr Magnetfeld ab. Die Energie aus dem Feld wird dabei dem Stromfluss zugeführt und somit kurzzeitig aufrechterhalten.
Nachweise
- schule-bw.de: Die lenzsche Regel. (08.06:2022)
- schule-bw.de: Induktion und Energieerhaltung. (08.06:2022)
- schule-bw.de: Die Wirbelstrombremse. (08.06:2022)
- Sächsisches Staatsministerium für Kultus (2019). Lehrplan Gymnasium Physik. lpdb.schule-sachsen.de. (08.06.2022)
Schule 
Studium 
Ausbildung 
Karteikarten Erstelle und finde die besten Karteikarten.
Notizen Erstelle Notizen schneller als je zuvor.
Lernsets Alles was du brauchst an einem Ort.
Lernpläne Wöchentliche Ziele, Lern-Reminder, und mehr.
Spaced Repetition Nachhaltiger lernen.
AI powered learning Mithilfe unserer KI zum Lernerfolg
Blog 
