Labor zum Induktionsgesetz — Magnet, Spule und Galvanometer
Ein Stabmagnet, eine Spule aus Kupferdraht und ein Galvanometer mit Nullpunkt in der Mitte auf einem Tisch: Faradays Experiment in drei Schritten. Schiebe den Magneten hinein, und der Zeiger schlägt aus; lass ihn ruhig in der Spule, und der Zeiger fällt auf null zurück, obwohl der Fluss jetzt am größten ist; zieh ihn heraus, und der Zeiger schlägt zur anderen Seite aus. Vier Vergleiche per Klick messen anschließend, wovon die Größe des Ausschlags abhängt.
So benutzt du diese Simulation
- Experiment starten: Der einzige Hauptknopf spielt die drei Schritte der Reihe nach ab – hinein, festhalten, heraus.
- Jeder Schritt-Knopf führt seinen Schritt allein aus, und das Feld neben der Szene sagt, was gerade passiert und worauf du als Nächstes achten solltest.
- Zwei Bewegungen vergleichen: Vier Knöpfe führen je ein gemessenes Versuchspaar aus – doppelt so schnell, doppelte Windungszahl, umgedrehter Magnet und bewegte Spule statt bewegtem Magnet.
- Zieh den Magneten oder die Spule selbst entlang der Achse, und tippe auf den Messerschalter auf dem Tisch, um den Stromkreis zu öffnen oder zu schließen.
- „Aufbau einstellen“ enthält die Geschwindigkeit, eine Dauerbewegung rein und raus oder durch die Spule hindurch, die Windungszahl, die Stärke des Magneten, den Widerstand des Stromkreises und den Messbereich; „Weitere Messwerte“ ergänzt Live-Diagramme von Φ und ε und einen Datenexport.
Worauf du achten solltest
- Der Zeiger bewegt sich nur, solange sich etwas bewegt: Ruht der Magnet in der Spule, ist der Fluss am größten und der Strom null.
- Hineinschieben und Herausziehen lenken den Zeiger in entgegengesetzte Richtungen aus.
- Das dem Magneten zugewandte Spulenende wird zum gleichen Pol wie der herannahende Magnetpol und zum entgegengesetzten, wenn er sich entfernt – die Gegenwirkung der lenzschen Regel.
- Doppelte Geschwindigkeit oder doppelte Windungszahl ergeben den doppelten Spitzenstrom; ein umgedrehter Magnet gibt denselben Ausschlag zur anderen Seite.
- Bei offenem Schalter wird weiterhin eine Spannung induziert, aber es fließt kein Strom.
Die Physik dahinter
Nach dem Induktionsgesetz ist die in einer Spule induzierte Spannung gleich der Änderungsrate des Flusses durch sie: ε = −N ΔΦ/Δt. Das Labor berechnet den Fluss durch jede Windung einzeln, für einen Magneten, der als Linie winziger Dipole modelliert ist, summiert die Windungen zum verketteten Fluss NΦ und leitet ab – jeder Messwert ist also berechnet, nicht animiert. Ein ruhender Magnet liefert den größten Fluss und gar keine Spannung. Dieselbe Bewegung doppelt so schnell verdoppelt die Änderungsrate und damit den Spitzenstrom; doppelt so viele Windungen verdoppeln die Spannung. Die lenzsche Regel legt die Richtung fest: Der induzierte Strom wirkt der Änderung stets entgegen, deshalb trifft ein herannahender Nordpol auf einen Nordpol an der Spule und wird abgestoßen, während ein sich entfernender von einem Südpol zurückgehalten wird. Es zählt nur die Relativbewegung: Die Spule auf einen festen Magneten zu schieben, ergibt genau denselben Ausschlag.