Dieses Quiz als Battle spielen: Deutsch, Klasse 9-10, G-Niveau

Das Induktionsgesetz - Physik

Einleitung

Das Induktionsgesetz beschreibt, wie durch eine Änderung des magnetischen Flusses eine elektrische Spannung entsteht. Dieses Prinzip heißt elektromagnetische Induktion. Es steckt unter anderem in Generatoren, Transformatoren, Fahrraddynamos, dynamischen Mikrofonen, Induktionskochfeldern und kabellosen Ladegeräten.

Der englische Naturforscher Michael Faraday wies die elektromagnetische Induktion im Jahr 1831 experimentell nach. Unabhängig davon untersuchte auch Joseph Henry ähnliche Effekte.^[1]

Zentrale Idee: Nicht ein Magnetfeld allein erzeugt dauerhaft eine Induktionsspannung. Entscheidend ist, dass sich der magnetische Fluss durch eine Leiterschleife oder Spule ändert.

Lernziele

Nach diesem aiMOOC kannst Du erklären, wann eine Induktionsspannung entsteht. Du kannst den magnetischen Fluss beschreiben, das Induktionsgesetz anwenden, die Lenzsche Regel deuten und technische Anwendungen der Induktion untersuchen.

Faradays grundlegendes Experiment

Faraday verwendete Spulen, Eisenkerne, Batterien und empfindliche Strommessgeräte. Er stellte fest: Ein Strom wird in einer zweiten Spule nicht durch ein unverändertes Magnetfeld hervorgerufen. Eine Spannung tritt nur während einer Änderung auf, zum Beispiel beim Ein- oder Ausschalten des Stroms in der ersten Spule.

Ein besonders übersichtlicher Schulversuch besteht aus einer Spule, einem Stabmagneten und einem Messgerät:

Wird der Magnet in die Spule bewegt, schlägt der Zeiger aus.
Bleibt der Magnet in der Spule liegen, fällt die Anzeige auf null zurück.
Wird der Magnet herausgezogen, schlägt der Zeiger in die entgegengesetzte Richtung aus.
Eine schnellere Bewegung erzeugt eine größere Induktionsspannung.
Mehr Windungen führen unter gleichen Bedingungen zu einer größeren Spannung.

Der Versuch zeigt: Die Induktionswirkung hängt nicht nur davon ab, wie stark sich der magnetische Fluss ändert, sondern auch davon, wie schnell diese Änderung erfolgt.

Der magnetische Fluss

Der magnetische Fluss beschreibt vereinfacht, wie stark ein Magnetfeld eine Fläche durchsetzt. Für ein homogenes Magnetfeld und eine ebene Fläche gilt:

$Φ = B \cdot A \cdot \cos (α)$

Dabei bedeuten:

$Φ$ : magnetischer Fluss in Weber mit $1 W b = 1 V s$
$B$ : magnetische Flussdichte in Tesla
$A$ : vom Feld durchsetzte Fläche in Quadratmetern
$α$ : Winkel zwischen dem Magnetfeld und der Flächennormalen

Steht das Magnetfeld senkrecht auf der Fläche, ist $α = 0^{\circ}$ und der Fluss ist maximal. Verläuft das Magnetfeld parallel zur Fläche, ist $α = 9 0^{\circ}$ und der Fluss ist null.^[2]

Der magnetische Fluss kann sich ändern, wenn sich die Flussdichte $B$ , die wirksame Fläche $A$ , der Winkel $α$ oder die Lage einer Leiterschleife in einem ungleichmäßigen Magnetfeld verändert.

Das Induktionsgesetz

Für eine Spule mit $N$ Windungen lautet das Faradaysche Induktionsgesetz:

$U_{i n d} = - N \cdot \frac{d Φ}{d t}$

Für eine näherungsweise gleichmäßige Änderung in einem Zeitintervall kann geschrieben werden:

$U_{i n d} \approx - N \cdot \frac{Δ Φ}{Δ t}$

Der Betrag der Induktionsspannung wird größer, wenn die Windungszahl steigt, die Flussänderung größer wird oder dieselbe Änderung in kürzerer Zeit stattfindet.

Das Minuszeichen gibt die Richtung der Induktionsspannung an. Es verweist auf die Lenzsche Regel. Bei reinen Betragsrechnungen wird häufig geschrieben:

$| U_{i n d} | = N \cdot \frac{| Δ Φ |}{Δ t}$

Beispielrechnung

Eine Spule besitzt $N = 100$ Windungen. Der magnetische Fluss pro Windung ändert sich innerhalb von $0,10 s$ um $2,0 m W b$ .

$| U_{i n d} | = 100 \cdot \frac{2,0 \cdot 1 0^{- 3} W b}{0,10 s} = 2,0 V$

Die induzierte Spannung hat einen Betrag von $2,0 V$ . Ihre Richtung wird mit der Lenzschen Regel bestimmt.

Die Lenzsche Regel

Die Lenzsche Regel beschreibt die Richtung des Induktionsstroms:

Ein Induktionsstrom ist stets so gerichtet, dass sein eigenes Magnetfeld der Änderung entgegenwirkt, durch die er entstanden ist.

Nähert sich beispielsweise ein Nordpol einer Spule, erzeugt der Induktionsstrom an der zugewandten Seite ebenfalls einen Nordpol. Die Spule wirkt der Annäherung entgegen. Entfernt sich der Magnet, kehrt sich die Stromrichtung um und die Spule versucht, die Abnahme des magnetischen Flusses zu vermindern.

Die Lenzsche Regel ist eine Folge der Energieerhaltung. Würde der Induktionsstrom die verursachende Änderung verstärken, könnte ohne Energiezufuhr immer mehr elektrische und magnetische Energie entstehen.^[3]

Bewegungsinduktion und Ruheinduktion

Bei der Bewegungsinduktion bewegt sich ein Leiter durch ein Magnetfeld. Auf die bewegten Ladungen wirkt die Lorentzkraft, sodass positive und negative Ladungen getrennt werden. Für einen geraden Leiter der Länge $l$ , der sich senkrecht zu einem homogenen Magnetfeld bewegt, gilt im einfachen Fall:

$U_{i n d} = B \cdot l \cdot v$

Bei der Ruheinduktion bleibt der Leiter an seinem Ort, während sich das Magnetfeld zeitlich verändert. Dadurch entsteht ein elektrisches Wirbelfeld. Ein Transformator arbeitet nach diesem Prinzip.

Beide Fälle werden durch das allgemeine Induktionsgesetz zusammengefasst: Entscheidend ist die zeitliche Änderung des magnetischen Flusses.

Technische Anwendungen

Generator

Ein Generator wandelt mechanische Energie in elektrische Energie um. Wird eine Spule in einem Magnetfeld gedreht oder ein Magnet gegenüber einer Spule bewegt, ändert sich der magnetische Fluss periodisch. Dadurch entsteht meistens eine Wechselspannung.

In Kraftwerken wird die Drehbewegung beispielsweise durch Wasser, Wind, Dampf oder Verbrennungsmotoren erzeugt. Das Induktionsgesetz erklärt anschließend die Entstehung der elektrischen Spannung.

Transformator

Ein Transformator besteht im Grundmodell aus einer Primärspule, einer Sekundärspule und einem gemeinsamen Eisenkern. Ein Wechselstrom in der Primärspule erzeugt einen veränderlichen magnetischen Fluss. Dieser Fluss durchsetzt die Sekundärspule und induziert dort eine Spannung.

Für den idealen Transformator gilt:

$\frac{U_{2}}{U_{1}} = \frac{N_{2}}{N_{1}}$

Eine größere Windungszahl auf der Sekundärseite führt zu einer höheren Sekundärspannung. Ein Transformator benötigt eine veränderliche Stromstärke; mit konstantem Gleichstrom entsteht nach dem Einschaltvorgang keine dauerhafte Induktionsspannung.

Induktionskochfeld und Wirbelströme

Unter der Kochfläche eines Induktionskochfeldes befindet sich eine Spule. Ein schnell wechselnder Strom erzeugt ein veränderliches Magnetfeld. Im geeigneten Topfboden entstehen Wirbelströme, die ihn erwärmen. Bei ferromagnetischen Materialien kommen Ummagnetisierungsverluste hinzu.

Wirbelströme sind ringförmige Ströme in ausgedehnten Leitern. Nach der Lenzschen Regel wirken ihre Magnetfelder der verursachenden Änderung entgegen. Dieses Prinzip wird auch in Wirbelstrombremsen genutzt.

Kabellose Energieübertragung

Beim induktiven Laden erzeugt eine Sendespule ein veränderliches Magnetfeld. In einer Empfängerspule wird dadurch eine Spannung induziert. Das Prinzip ähnelt einem Transformator, dessen Spulen räumlich voneinander getrennt sind.

Dynamisches Mikrofon

In einem dynamischen Mikrofon bewegt der Schall eine Membran und eine daran befestigte Spule im Feld eines Permanentmagneten. Die Bewegung verändert den magnetischen Fluss. So entsteht eine Wechselspannung, deren zeitlicher Verlauf das Schallsignal abbildet.

Selbstinduktion

Ändert sich die Stromstärke in einer Spule, verändert sich auch ihr eigenes Magnetfeld. Dadurch wird in derselben Spule eine Spannung induziert. Dieser Vorgang heißt Selbstinduktion.

Die Selbstinduktionsspannung wirkt nach der Lenzschen Regel der Stromänderung entgegen:

$U_{i n d} = - L \cdot \frac{d I}{d t}$

Die Größe $L$ heißt Induktivität und wird in Henry gemessen. Beim Ausschalten größerer Spulen können hohe Spannungen entstehen. Schulversuche werden deshalb nur mit geeigneten Kleinspannungsquellen und nach Anleitung durchgeführt.

Typische Fehlvorstellungen

Ein Magnet in einer Spule erzeugt nicht automatisch eine dauerhafte Spannung. Bleiben Magnet, Spule und Magnetfeld unverändert, ist die Induktionsspannung null.

Die Aussage, ein Leiter müsse lediglich „Feldlinien schneiden“, ist nur ein anschauliches Hilfsbild für bestimmte Bewegungsfälle. Allgemein ist die Änderung des magnetischen Flusses entscheidend.

Auch eine offene Spule kann eine Induktionsspannung besitzen. Ein Induktionsstrom fließt jedoch nur, wenn der Stromkreis geschlossen ist.

Einzelnachweise

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Wann entsteht in einer Spule eine Induktionsspannung? (Wenn sich der magnetische Fluss durch die Spule ändert) (!Wenn ein Magnet unbewegt neben der Spule liegt) (!Wenn die Spule aus Kupfer besteht) (!Wenn die Spule vollständig abgekühlt ist)

Welche Größe wird in Weber gemessen? (Der magnetische Fluss) (!Die magnetische Flussdichte) (!Die elektrische Stromstärke) (!Die Windungszahl)

Was bewirkt eine schnellere Flussänderung bei sonst gleichen Bedingungen? (Eine größere Induktionsspannung) (!Eine kleinere Windungszahl) (!Ein schwächeres Magnetfeld) (!Eine unveränderte Spannung)

Welche Aussage beschreibt die Lenzsche Regel? (Der Induktionsstrom wirkt der verursachenden Änderung entgegen) (!Der Induktionsstrom verstärkt jede Flussänderung) (!Der Induktionsstrom fließt immer im Uhrzeigersinn) (!Der Induktionsstrom tritt nur bei Gleichstrom auf)

Was geschieht bei einem ruhenden Magneten in einer ruhenden Spule? (Die Induktionsspannung ist nach dem Einschwingen null) (!Die Spannung wächst ständig) (!Es fließt immer ein starker Wechselstrom) (!Die Windungszahl nimmt zu)

Welche Energieumwandlung findet in einem Generator statt? (Mechanische Energie wird in elektrische Energie umgewandelt) (!Elektrische Energie wird ausschließlich in Wärme umgewandelt) (!Chemische Energie wird direkt in Lageenergie umgewandelt) (!Magnetische Energie wird vollständig vernichtet)

Warum funktioniert ein Transformator mit Wechselspannung? (Weil dadurch ein veränderlicher magnetischer Fluss entsteht) (!Weil Wechselspannung keine Elektronen enthält) (!Weil der Eisenkern eine Batterie ersetzt) (!Weil die Sekundärspule immer mehr Windungen besitzt)

Was führt bei gleicher Flussänderung zu einer größeren Induktionsspannung? (Eine größere Windungszahl) (!Eine längere Änderungszeit) (!Eine kleinere Spulenfläche bei unverändertem Fluss) (!Ein geöffneter Stromkreis als alleinige Ursache)

Was sind Wirbelströme? (Ringförmige induzierte Ströme in ausgedehnten Leitern) (!Geradlinige Lichtstrahlen in einem Magneten) (!Mechanische Schwingungen eines Eisenkerns) (!Elektrische Ladungen ohne Bewegung)

Welche Aussage zur offenen Spule ist richtig? (Es kann eine Spannung entstehen, obwohl kein dauerhafter Strom fließt) (!Ohne geschlossenen Stromkreis kann niemals Spannung entstehen) (!Eine offene Spule besitzt immer die Spannung null) (!Eine offene Spule erzeugt ausschließlich Gleichstrom)

Memory

Faraday	Experimenteller Nachweis der elektromagnetischen Induktion
Magnetischer Fluss	Maß für die Durchsetzung einer Fläche durch ein Magnetfeld
Lenzsche Regel	Gegenwirkung zur verursachenden Änderung
Generator	Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie
Transformator	Veränderung einer Wechselspannung durch Windungsverhältnisse
Wirbelstrom	Ringförmige elektrische Strömung in einem Leiter
Induktivität	Eigenschaft einer Spule bei der Selbstinduktion

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Magnetischer Fluss	Produkt aus Flussdichte und wirksamer Fläche im einfachen Fall
Induktionsspannung	Elektrische Spannung infolge einer zeitlichen Flussänderung
Windungszahl	Verstärkt bei gleichen Bedingungen den Betrag der Spannung
Lenzsche Regel	Bestimmt die Richtung des induzierten Stroms
Generator	Nutzt Bewegung zur Erzeugung elektrischer Energie

Kreuzworträtsel

Faraday	Welcher Forscher wies die elektromagnetische Induktion im Jahr 1831 nach?
Spule	Welches Bauteil besteht aus vielen Drahtwindungen?
Weber	Wie heißt die Einheit des magnetischen Flusses?
Lenz	Nach wem ist die Regel zur Richtung des Induktionsstroms benannt?
Generator	Welches Gerät wandelt mechanische in elektrische Energie um?
Transformator	Welches Gerät verändert Wechselspannungen mithilfe zweier Spulen?

LearningApps

Lückentext

Die elektromagnetische Induktion wurde experimentell von

untersucht.

Eine Spannung entsteht, wenn sich der magnetische

durch eine Leiterschleife ändert.

Die Einheit des magnetischen Flusses heißt

.

Eine schnellere Änderung erzeugt bei sonst gleichen Bedingungen eine

Induktionsspannung.

Das Minuszeichen im Induktionsgesetz verweist auf die

Regel.

Der induzierte Strom wirkt der verursachenden

entgegen.

Ein Generator wandelt mechanische Energie in

Energie um.

Ein Transformator benötigt für den Dauerbetrieb einen veränderlichen

.

Ringförmige Ströme in ausgedehnten Leitern heißen

.

Die Induktion durch das eigene Magnetfeld einer Spule heißt

.

Offene Aufgaben

Leicht

Beobachtungsprotokoll: Bewege einen Stabmagneten unterschiedlich schnell in eine Spule und beschreibe die Anzeige des Messgeräts. Arbeite ausschließlich mit einer schulgeeigneten Kleinspannungsanordnung.
Skizze zum magnetischen Fluss: Zeichne eine Leiterschleife in drei verschiedenen Winkeln zu einem Magnetfeld und markiere, wann der Fluss groß, klein oder null ist.
Alltagsvergleich: Formuliere die Lenzsche Regel in eigenen Worten und entwickle einen passenden Vergleich aus dem Alltag.
Gerätesuche: Finde zu Hause oder in der Schule drei Geräte, die elektromagnetische Induktion nutzen, und begründe Deine Auswahl.

Standard

Messreihe: Untersuche experimentell, wie die Geschwindigkeit eines bewegten Magneten die maximale Induktionsspannung beeinflusst, und stelle die Ergebnisse in einem Diagramm dar.
Windungszahlvergleich: Vergleiche zwei Spulen mit unterschiedlicher Windungszahl und entwickle eine überprüfbare Hypothese zur Induktionsspannung.
Generator-Modell: Baue oder untersuche ein einfaches Handgenerator-Modell und erkläre die auftretenden Energieumwandlungen.
Erklärvideo zur Induktion: Produziere ein kurzes Video, in dem Du magnetischen Fluss, Induktionsgesetz und Lenzsche Regel mit einem Experiment erklärst.

Schwer

Transformator-Untersuchung: Ermittle bei einem sicheren Schultransformator das Verhältnis von Windungszahlen und Spannungen und bewerte Abweichungen vom idealen Modell.
Wirbelstrom-Projekt: Entwickle einen Versuch, mit dem die Bremswirkung von Wirbelströmen sichtbar gemacht wird, und erkläre die Beobachtung mithilfe der Energieerhaltung.
Technikanalyse: Recherchiere den Aufbau eines Induktionskochfeldes und vergleiche seine Energieübertragung mit der eines Transformators.
Fachinterview: Interviewe eine Elektrofachkraft, eine Physiklehrkraft oder eine Person aus der Energietechnik zur Bedeutung des Induktionsgesetzes und werte die Aussagen fachlich aus.

Lernkontrolle

Versuchsauswertung: Eine Messkurve zeigt beim Hineinschieben eines Magneten einen positiven und beim Herausziehen einen negativen Spannungspuls. Erkläre Verlauf, Vorzeichen und Abhängigkeit von der Bewegung.
Modellvergleich: Vergleiche zwei Spulen, bei denen Windungszahl, Fläche und Änderungszeit verschieden sind. Begründe ohne bloßes Einsetzen, welche Spule die größere Spannung liefert.
Energieargument: Erkläre, warum beim Annähern eines Magneten an eine geschlossene Spule eine bremsende Kraft auftreten muss.
Transfer zum Kraftwerk: Beschreibe die vollständige Energieumwandlung vom strömenden Wasser bis zur elektrischen Spannung eines Wasserkraftwerks.
Fehleranalyse: Beurteile die Aussage „Ein Transformator funktioniert mit jeder konstanten Gleichspannung dauerhaft“ und verbessere sie fachlich.
Anwendungsbewertung: Vergleiche Wirbelströme im Induktionskochfeld und in einer Wirbelstrombremse hinsichtlich gewünschter Wirkung und Energieumwandlung.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis zu diesem Thema ist wichtig, dass Du:

den magnetischen Fluss mit den Größen Flussdichte, Fläche und Winkel verknüpfen kannst,
die Bedingungen für das Entstehen einer Induktionsspannung erklärst,
das Induktionsgesetz für einfache Rechnungen sicher verwendest,
die Richtung eines Induktionsstroms mit der Lenzschen Regel begründest,
Experimente zur Induktion auswertest und Messwerte sinnvoll darstellst,
Generator, Transformator, Wirbelstrombremse und induktives Laden als Anwendungen erklärst,
Energieumwandlungen und Energieerhaltung in Induktionsvorgängen beurteilst,
zwischen Induktionsspannung und Induktionsstrom unterscheidest.

OERs zum Thema

Verknüpfte Lernbereiche

Das Induktionsgesetz - Physik

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Prüfungsliteratur 2026
Bundesland	Bücher	Kurzbeschreibung
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Bayern	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Lustspiel über Machtmissbrauch und Recht; Roman als Zeitschnitt deutscher Geschichte an einem Haus/Grundstück.
Berlin/Brandenburg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Der Biberpelz - Gerhart Hauptmann Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Gerichtskomödie; soziales Drama um Ausbeutung/Armut; Komödie/Satire um Diebstahl und Obrigkeit; Roman über Erinnerungsräume und Umbrüche.
Bremen	Abitur Nach Mitternacht - Irmgard Keun Mario und der Zauberer - Thomas Mann Emilia Galotti - Gotthold Ephraim Lessing oder Miss Sara Sampson - Gotthold Ephraim Lessing	Abitur Roman in der NS-Zeit (Alltag, Anpassung, Angst); Novelle über Verführung/Massenpsychologie; bürgerliche Trauerspiele (Moral, Macht, Stand).
Hamburg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Das kunstseidene Mädchen - Irmgard Keun	Abitur Justiz-/Machtkritik als Komödie; Großstadtroman der Weimarer Zeit (Rollenbilder, Aufstiegsträume, soziale Realität).
Hessen	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Der Prozess - Franz Kafka	Abitur Gerichtskomödie; Fragmentdrama über Gewalt/Entmenschlichung; Erinnerungsroman über deutsche Brüche; moderner Roman über Schuld, Macht und Bürokratie.
Niedersachsen	Abitur Der zerbrochene Krug - Heinrich von Kleist Das kunstseidene Mädchen - Irmgard Keun Die Marquise von O. - Heinrich von Kleist Über das Marionettentheater - Heinrich von Kleist	Abitur Schwerpunkt auf Drama/Roman sowie Kleist-Prosatext und Essay (Ehre, Gewalt, Unschuld; Ästhetik/„Anmut“).
Nordrhein-Westfalen	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Komödie über Wahrheit und Autorität; Roman als literarische „Geschichtsschichtung“ an einem Ort.
Saarland	Abitur Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Furor - Lutz Hübner und Sarah Nemitz Bahnwärter Thiel - Gerhart Hauptmann	Abitur Erinnerungsroman an einem Ort; zeitgenössisches Drama über Eskalation/Populismus; naturalistische Novelle (Pflicht/Überforderung/Abgrund).
Sachsen (berufliches Gymnasium)	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Irrungen, Wirrungen - Theodor Fontane Der gute Mensch von Sezuan - Bertolt Brecht Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Der Trafikant - Robert Seethaler	Abitur Mischung aus Klassiker-Drama, sozialem Drama, realistischem Roman, epischem Theater und Gegenwarts-/Erinnerungsroman; zusätzlich Coming-of-age im historischen Kontext.
Sachsen-Anhalt	Abitur (keine fest benannte landesweite Pflichtlektüre veröffentlicht; Themenfelder)	Abitur Schwerpunktsetzung über Themenfelder (u. a. Literatur um 1900; Sprache in politisch-gesellschaftlichen Kontexten), ohne feste Einzeltitel.
Schleswig-Holstein	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Recht/Gerechtigkeit und historische Tiefenschichten eines Ortes – umgesetzt über Drama und Gegenwartsroman.
Thüringen	Abitur (keine fest benannte landesweite Pflichtlektüre veröffentlicht; Orientierung am gemeinsamen Aufgabenpool)	Abitur In der Praxis häufig Orientierung am gemeinsamen Aufgabenpool; landesweite Einzeltitel je nach Vorgabe/Handreichung nicht einheitlich ausgewiesen.
Mecklenburg-Vorpommern	Abitur (Quelle aktuell technisch nicht abrufbar; Beteiligung am gemeinsamen Aufgabenpool bekannt)	Abitur Land beteiligt sich am länderübergreifenden Aufgabenpool; konkrete, veröffentlichte Einzeltitel konnten hier nicht ausgelesen werden.
Rheinland-Pfalz	Abitur (keine landesweit einheitliche Pflichtlektüre; schulische Auswahl)	Abitur Keine landesweite Einheitsliste; Auswahl kann schul-/kursbezogen erfolgen.