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

Elektromagnetische Induktion - Physik

Einleitung

Die elektromagnetische Induktion verbindet Magnetismus und Elektrizität: Ändert sich der magnetische Fluss durch eine Leiterschleife oder Spule, entsteht eine elektrische Spannung. Ist der Stromkreis geschlossen, kann außerdem ein Induktionsstrom fließen.

Das Prinzip steckt in Generatoren, Transformatoren, Fahrraddynamos, Induktionskochfeldern, Wirbelstrombremsen und kabellosen Ladegeräten.

In diesem aiMOOC lernst Du:

wie eine Induktionsspannung entsteht,
was der magnetische Fluss beschreibt,
wie das Faradaysche Induktionsgesetz angewendet wird,
wie die Lenzsche Regel die Stromrichtung erklärt,
wie Generator, Transformator und Wirbelstrombremse funktionieren.

Grundidee der Induktion

Ein einfacher Versuch besteht aus einem Stabmagneten, einer Spule und einem empfindlichen Spannungsmessgerät.

Bewegst Du den Magneten in die Spule hinein, zeigt das Messgerät eine Spannung an.
Hältst Du den Magneten still, fällt die Anzeige auf null.
Ziehst Du den Magneten heraus, kehrt sich die Richtung der Spannung um.
Bewegst Du den Magneten schneller, wird die Spannung größer.

Entscheidend ist also nicht allein ein Magnetfeld. Entscheidend ist die Änderung des magnetischen Flusses durch die Spule.

Spannung und Strom unterscheiden

Bei einer Flussänderung entsteht zunächst eine Induktionsspannung.

Ein Induktionsstrom fließt nur, wenn der Stromkreis geschlossen ist. Bei einer offenen Spule kann daher eine Spannung messbar sein, obwohl kein dauerhafter Strom fließt.

Historischer Hintergrund

Michael Faraday veröffentlichte 1831 grundlegende Experimente zur elektromagnetischen Induktion. Auch der US-amerikanische Physiker Joseph Henry beobachtete das Phänomen unabhängig davon. Faradays Arbeiten machten deutlich, dass nicht ein unverändertes Magnetfeld, sondern seine Änderung für die Induktion entscheidend ist.

Magnetischer Fluss

Der magnetische Fluss beschreibt vereinfacht, wie stark ein Magnetfeld eine Fläche durchsetzt. Sein Formelzeichen ist $Φ$ .

Für ein gleichmäßiges Magnetfeld gilt:

$Φ = B \cdot A \cdot \cos (α)$

Dabei bedeuten:

$B$ : magnetische Flussdichte,
$A$ : Fläche der Leiterschleife,
$α$ : Winkel zwischen dem Magnetfeld und der senkrechten Richtung zur Fläche.

Der magnetische Fluss kann sich auf drei wichtige Arten ändern:

Die magnetische Flussdichte $B$ ändert sich.
Die vom Feld durchsetzte Fläche $A$ ändert sich.
Der Winkel $α$ zwischen Fläche und Magnetfeld ändert sich.

Beispiele für Flussänderungen

Magnetbewegung: Ein Magnet wird in eine Spule hinein- oder aus ihr herausbewegt.

Drehung: Eine Leiterschleife dreht sich in einem Magnetfeld. Dieses Prinzip nutzt ein Generator.

Magnetfeldänderung: Der Strom in einer benachbarten Spule wird ein- oder ausgeschaltet. Dadurch verändert sich deren Magnetfeld.

Flächenänderung: Eine Leiterschleife wird so bewegt oder verformt, dass sich die vom Magnetfeld durchsetzte Fläche ändert.

Faradaysches Induktionsgesetz

Das Faradaysche Induktionsgesetz beschreibt die Größe der Induktionsspannung:

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

Dabei bedeuten:

$U_{i n d}$ : Induktionsspannung,
$N$ : Windungszahl der Spule,
$Δ Φ$ : Änderung des magnetischen Flusses,
$Δ t$ : Zeit, in der die Änderung stattfindet.

Die Induktionsspannung wird größer, wenn:

die Spule mehr Windungen besitzt,
sich der magnetische Fluss stärker ändert,
die Änderung in kürzerer Zeit geschieht.

Einfaches Rechenbeispiel

Eine Spule mit $N = 200$ Windungen erfährt in $0,10 s$ eine Flussänderung von $0,002 W b$ pro Windung.

Für den Betrag der Spannung gilt:

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

$| U_{i n d} | = 200 \cdot \frac{0,002 W b}{0,10 s} = 4 V$

Die Induktionsspannung beträgt dem Betrag nach $4 V$ .

Lenzsche Regel

Die Lenzsche Regel erklärt die Richtung des Induktionsstroms:

Der Induktionsstrom ist so gerichtet, dass sein eigenes Magnetfeld der verursachenden Änderung des magnetischen Flusses entgegenwirkt.

Das Minuszeichen im Induktionsgesetz steht für diesen Zusammenhang.

Beispiel: Ein Nordpol nähert sich einer Spule. Der entstehende Induktionsstrom erzeugt an der zugewandten Seite ebenfalls einen Nordpol. Dadurch wird die Annäherung gebremst. Beim Entfernen des Magneten kehrt sich die Stromrichtung um. Die Spule versucht nun, die Abnahme des magnetischen Flusses zu vermindern.

Die Lenzsche Regel ist eine Folge der Energieerhaltung. Ohne die Gegenwirkung könnte elektrische Energie ohne mechanische Arbeit entstehen.

Technische Anwendungen

Generator

Ein Generator wandelt mechanische Energie in elektrische Energie um. Dazu wird eine Spule in einem Magnetfeld gedreht oder ein Magnet gegenüber einer Spule bewegt. Der magnetische Fluss ändert sich fortlaufend. Dadurch entsteht meist eine Wechselspannung.

Beispiele sind Kraftwerksgeneratoren, Fahrraddynamos und handbetriebene Kurbelgeneratoren.

Transformator

Ein Transformator besteht aus einer Primärspule, einer Sekundärspule und meist einem gemeinsamen Eisenkern. Wechselstrom in der Primärspule erzeugt ein veränderliches Magnetfeld. Dieses Feld durchsetzt die Sekundärspule und induziert dort eine Spannung.

Für einen idealen Transformator gilt näherungsweise:

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

Mehr Windungen auf der Sekundärseite führen zu einer höheren Spannung. Weniger Windungen führen zu einer niedrigeren Spannung. Ein Transformator benötigt ein veränderliches Magnetfeld und funktioniert deshalb nicht dauerhaft mit unverändertem Gleichstrom.

Wirbelströme und Wirbelstrombremse

In ausgedehnten Metallkörpern können geschlossene Induktionsströme entstehen. Sie heißen Wirbelströme. Nach der Lenzschen Regel wirken ihre Magnetfelder der verursachenden Bewegung entgegen.

Wirbelstrombremsen arbeiten berührungslos und verschleißarm. Sie werden beispielsweise in Prüfständen, Fahrgeschäften und manchen Schienenfahrzeugen eingesetzt.

Ein Magnet fällt durch ein Kupfer- oder Aluminiumrohr deutlich langsamer als durch ein Kunststoffrohr. Die im Metall erzeugten Wirbelströme bremsen den Magneten.

Induktionskochfeld

Unter der Kochfläche erzeugt eine Spule ein schnell wechselndes Magnetfeld. Im geeigneten Topfboden entstehen Wirbelströme. Der elektrische Widerstand des Materials wandelt elektrische Energie in Wärme um.

Kabelloses Laden

Beim induktiven Laden erzeugt eine Sendespule ein wechselndes Magnetfeld. In der Empfängerspule des Geräts wird eine Spannung induziert. Die Energieübertragung funktioniert besonders gut, wenn beide Spulen nahe beieinander liegen und passend ausgerichtet sind.

Typische Fehlvorstellungen

Ein Magnet erzeugt immer Strom. Das stimmt nicht. Ein ruhender Magnet in einer ruhenden Spule erzeugt keine dauerhafte Induktionsspannung.

Nur Bewegung verursacht Induktion. Auch eine Änderung der Feldstärke, der Fläche oder des Winkels kann den magnetischen Fluss ändern.

Induktion erzeugt automatisch Strom. Zunächst entsteht eine Spannung. Strom fließt nur in einem geschlossenen Stromkreis.

Die Lenzsche Regel verhindert Induktion. Sie verhindert die Induktion nicht, sondern bestimmt die Richtung ihrer Wirkung.

Sicherheit bei Experimenten

Nutze im Unterricht nur geeignete Kleinspannungsgeräte. Führe keine selbst gebauten Versuche am Stromnetz durch. Starke Magnete können Finger einklemmen, elektronische Geräte beeinflussen und für Menschen mit bestimmten medizinischen Implantaten gefährlich sein. Beachte deshalb immer die Hinweise Deiner Lehrkraft.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Wann entsteht in einer Spule eine Induktionsspannung? (Wenn sich der magnetische Fluss ändert) (!Wenn ein Magnet nur neben der Spule liegt) (!Wenn die Spule aus Kunststoff besteht) (!Wenn der Stromkreis dauerhaft unverändert bleibt)

Welche Veränderung kann die Induktionsspannung vergrößern? (Eine schnellere Änderung des magnetischen Flusses) (!Eine kleinere Windungszahl) (!Ein dauerhaft unveränderter magnetischer Fluss) (!Eine langsamere Bewegung bei sonst gleichen Bedingungen)

Welches Formelzeichen steht für den magnetischen Fluss? (Phi) (!Omega) (!Rho) (!Lambda)

Was beschreibt das Minuszeichen im Induktionsgesetz? (Die Lenzsche Regel) (!Den elektrischen Widerstand) (!Die Masse der Spule) (!Die Temperatur des Magneten)

Was zeigt ein Spannungsmessgerät bei einem ruhenden Magneten in einer ruhenden Spule? (Keine dauerhafte Induktionsspannung) (!Eine ständig steigende Spannung) (!Immer genau zwölf Volt) (!Eine Spannung nur wegen der Erdanziehung)

Welche Energieumwandlung findet im Generator statt? (Mechanische Energie wird in elektrische Energie umgewandelt) (!Elektrische Energie wird nur in Licht umgewandelt) (!Wärmeenergie wird vollständig in Masse umgewandelt) (!Magnetische Energie wird ohne Arbeit erzeugt)

Warum benötigt ein Transformator Wechselstrom? (Weil ein veränderliches Magnetfeld benötigt wird) (!Weil Gleichstrom immer farblos ist) (!Weil Wechselstrom keinen Leiter benötigt) (!Weil die Windungszahl sonst null wird)

Wo entstehen Wirbelströme? (In ausgedehnten leitfähigen Körpern) (!Nur in vollkommenen Isolatoren) (!Nur in ruhenden Kunststoffteilen) (!Ausschließlich in Batterien)

In welcher Einheit wird die Induktionsspannung angegeben? (Volt) (!Tesla) (!Weber) (!Newton)

Wann ist der magnetische Fluss bei gleicher Fläche und Feldstärke besonders groß? (Wenn das Magnetfeld senkrecht durch die Fläche verläuft) (!Wenn kein Magnetfeld vorhanden ist) (!Wenn die Fläche vollständig außerhalb des Feldes liegt) (!Wenn die Fläche auf null verkleinert wird)

Memory

Magnetischer Fluss	Maß für das Magnetfeld durch eine Fläche
Faradaysches Gesetz	Zusammenhang zwischen Flussänderung und Spannung
Lenzsche Regel	Wirkung entgegen der verursachenden Änderung
Generator	Umwandlung von Bewegung in elektrische Energie
Transformator	Änderung einer Wechselspannung
Wirbelstrom	Kreisförmiger Strom in einem Metallkörper
Induktionsspannung	Spannung durch Änderung des magnetischen Flusses
Windungszahl	Anzahl der Schleifen einer Spule

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Beobachtung
Größere Induktionsspannung	Magnet wird schneller bewegt
Keine dauerhafte Induktionsspannung	Magnet und Spule ruhen
Umgekehrtes Spannungsvorzeichen	Bewegungsrichtung wird umgekehrt
Stärkerer Spannungsausschlag	Windungszahl wird erhöht
Induktionsstrom	Stromkreis wird geschlossen

Kreuzworträtsel

Faraday	Welcher Forscher veröffentlichte 1831 grundlegende Induktionsversuche?
Spule	Welches Bauteil besteht aus vielen Drahtwindungen?
Generator	Welches Gerät wandelt Bewegung in elektrische Energie um?
Lenzregel	Welche Regel bestimmt die Richtung des Induktionsstroms?
Magnetfluss	Welche Größe muss sich für eine Induktionsspannung ändern?
Wirbelstrom	Wie heißt ein kreisförmiger Induktionsstrom in Metall?

LearningApps

Lückentext

Offene Aufgaben

Leicht

Magnet-Spule-Versuch: Zeichne eine Spule, einen Stabmagneten und ein Spannungsmessgerät. Markiere, wann eine Spannung entsteht.
Beobachtungsprotokoll: Formuliere drei erwartete Beobachtungen für langsame, schnelle und fehlende Magnetbewegung.
Alltagsbeispiele: Fotografiere oder skizziere drei Geräte, die elektromagnetische Induktion nutzen, und erkläre ihre Funktion in je einem Satz.
Begriffsnetz: Erstelle ein Begriffsnetz aus Magnetfeld, Spule, Flussänderung, Spannung und Stromkreis.

Standard

Induktionsversuch: Führe unter Anleitung einen Versuch mit Magnet, Spule und Messgerät durch und dokumentiere Aufbau, Durchführung und Ergebnis.
Generator-Modell: Baue ein einfaches Modell eines Generators oder Dynamos und erkläre die Energieumwandlung.
Lenzsche Regel im Video: Produziere ein kurzes Erklärvideo, das die Gegenwirkung eines Induktionsstroms zeigt.
Transformator-Vergleich: Vergleiche zwei Spulen mit unterschiedlicher Windungszahl und leite eine Regel für die Spannungen ab.

Schwer

Messreihe zur Induktion: Untersuche, wie die maximale Induktionsspannung von der Bewegungsgeschwindigkeit abhängt, und stelle die Werte in einem Diagramm dar.
Wirbelstrombremse: Plane ein Experiment mit Magnet und Metallplatte oder Metallrohr und erkläre die Beobachtung mit der Lenzschen Regel.
Induktives Laden: Recherchiere Aufbau, Energieverluste und Ausrichtung der Spulen bei einem kabellosen Ladegerät und präsentiere die Ergebnisse.
Energieerhaltung: Begründe ausführlich, warum die Richtung des Induktionsstroms der verursachenden Flussänderung entgegenwirken muss.

Lernkontrolle

Versuchsdeutung: Ein Magnet wird zuerst langsam und danach schnell in dieselbe Spule bewegt. Erkläre den Unterschied der Messanzeigen mithilfe des Induktionsgesetzes.
Fehleranalyse: Eine Schülerin behauptet, ein starker ruhender Magnet müsse immer einen Strom in einer Spule erzeugen. Widerlege die Aussage fachlich.
Generator und Motor: Vergleiche die Energieumwandlung eines Generators mit der eines Elektromotors und arbeite Gemeinsamkeiten sowie Unterschiede heraus.
Transformatorproblem: Entwickle eine geeignete Windungsanordnung, um eine Wechselspannung zu verkleinern, und begründe Deine Entscheidung.
Lenzsche Regel: Erkläre, warum ein Magnet beim Fall durch ein Kupferrohr gebremst wird, obwohl Kupfer nicht dauerhaft magnetisch ist.
Anwendung bewerten: Beurteile Vorteile und Grenzen eines Induktionskochfelds gegenüber einer einfachen Widerstandsheizung aus physikalischer Sicht.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du:

die elektromagnetische Induktion als Folge einer Änderung des magnetischen Flusses erklären kannst,
Spannung und Strom sicher unterscheidest,
den magnetischen Fluss mit Feldstärke, Fläche und Winkel verknüpfen kannst,
das Faradaysche Induktionsgesetz auf einfache Aufgaben anwendest,
die Lenzsche Regel zur Bestimmung einer Wirkungsrichtung nutzt,
Generator, Transformator, Wirbelströme und induktives Laden erklären kannst,
Messwerte auswertest und physikalisch begründete Schlussfolgerungen formulierst,
Energieumwandlungen und Energieerhaltung in Anwendungen erkennst.

OERs zum Thema

Verknüpfte Lernbereiche

Elektromagnetische Induktion

aiMOOC-Projekte

Schulfach+

Prüfungsliteratur 2026
Bundesland	Bücher	Kurzbeschreibung
Baden-Württemberg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Mittlere Reife Der Markisenmann - Jan Weiler oder Als die Welt uns gehörte - Liz Kessler Ein Schatten wie ein Leopard - Myron Levoy oder Pampa Blues - Rolf Lappert	Abitur Dorfrichter-Komödie über Wahrheit/Schuld; Roman über einen Ort und deutsche Geschichte. Mittlere Reife Wahllektüren (Roadtrip-Vater-Sohn / Jugendroman im NS-Kontext / Coming-of-age / Provinzroman).
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.