Lenzsche Regel

Das Lenzsche Gesetz ist eine gängige Methode, um zu verstehen, wie elektromagnetische Schaltkreise dem dritten Newtonschen Gesetz und der Energieerhaltung gehorchen. Das Lenzsche Gesetz ist nach Emil Lenz benannt, und es besagt

Eine induzierte elektromotorische Kraft (EMK) führt immer zu einem Strom, dessen Magnetfeld der Änderung des ursprünglichen Magnetflusses entgegenwirkt.

Das Lenzsche Gesetz ist mit dem negativen Vorzeichen im Faradayschen Induktionsgesetz dargestellt:

E = - ∂ Φ B ∂ t {\displaystyle {\mathcal {\mathcal {E}}=-{\frac {\partial {\partial \Phi _{\mathrm {B} teilweise t ${\mathcal {E}}=-{\frac {\partial \Phi _{\mathrm {B} }}{\partial t}}$ ,

was darauf hinweist, dass die induzierte EMK (ℰ) und die Änderung des magnetischen Flusses ₍∂ΦB) entgegengesetzte Vorzeichen haben.

Die induzierte EMK und der resultierende induzierte Strom sind gegen den Uhrzeigersinn, wenn B von der Seite nach außen gerichtet ist und die Fläche der Schaltung abnimmt. Der Fluss durch diesen Stromkreis nimmt nach außen hin ab. Nun erzeugt der induzierte Strom I ein eigenes Magnetfeld, und wir können die Richtung dieses Feldes mit Hilfe der Rechtsgriffregel berechnen. Das Ergebnis ist, dass das durch den induzierten Strom hervorgerufene Magnetfeld innerhalb des Kreises ebenfalls nach außen gerichtet ist. Es ist, als ob die Natur durch dieses induzierte Feld versuchte, die Verringerung des Flusses aufgrund des angelegten Feldes B zu kompensieren. Dies stellt sich experimentell als allgemeine Regel heraus, so dass wir sagen können
Die Richtung der induzierten EMK ist immer so, dass sie der sie erzeugenden Veränderung entgegengesetzt ist.
Das ist das Lenzsche Gesetz.

Ein weiteres Beispiel für die Anwendung des Lenzschen Gesetzes ist eine Spule aus Draht, an die plötzlich eine Batterie angeschlossen wird. Nehmen wir an, dass die Batterie einen Stromfluss im Uhrzeigersinn, wie vom Beobachter gesehen, in Gang setzt. Dieser Strom erzeugt ein Magnetfeld, dessen Linien sich durch die Spule ziehen und außerhalb der Spule wieder kreisen. Wenn sich also der durch die Batterie verursachte Strom aufbaut, gibt es einen wechselnden magnetischen Fluss durch die Spule, und dies muss zu einer induzierten EMK in der Spule führen. Welche Richtung hat diese induzierte EMK? Das Lenzsche Gesetz sagt uns sofort, dass sie gegen den Uhrzeigersinn verlaufen muss, um dem Aufbau des Stroms entgegenzuwirken. Wenn der Strom in einem Stromkreis unterbrochen wird, versucht die induzierte EMK, ein Abklingen des Stroms zu verhindern, und dies erklärt die Funkenbildung, die beim langsamen Öffnen von Schaltern beobachtet wird. Die induzierte EMK in einem Stromkreis, dessen Strom sich ändert, wird als Gegen-EMK bezeichnet, da sie sich immer der Stromänderung entgegensetzt. Sie entsteht durch Änderung des eigenen Magnetfeldes des Stromes, ein Effekt, der als Selbstinduktion bezeichnet wird.

Wäre das Lenzsche Gesetz nicht zutreffend, würde eine Erhöhung des Stroms in einer Spule zu einer EMK führen, die die angelegte Batterie unterstützt, wodurch der Strom weiter ansteigt, mehr EMK induziert wird und der Strom weiter ansteigt, bis ins Unendliche. Dies wäre eine instabile Situation, in der das Energieerhaltungsprinzip missachtet würde.
Diese Art der Argumentation kann auf andere Situationen ausgedehnt werden, in denen ein im Gleichgewicht befindliches System verdrängt wird und man zu folgendem Prinzip gelangt.

Wenn ein im Gleichgewicht befindliches System gestört wird, verschiebt sich das Gleichgewicht in die Richtung, die dazu neigt, die Auswirkungen der Störung rückgängig zu machen.
Diese Verallgemeinerung des Lenzschen Gesetzes wird als Le Chatelier'sches Prinzip
bezeichnet.

Lenz-Gesetz-Induktor

Fragen und Antworten

F: Was ist die Lenz'sche Regel?

A: Die Lenzsche Regel besagt, dass eine induzierte elektromotorische Kraft (EMK) immer zu einem Strom führt, dessen Magnetfeld der Änderung des ursprünglichen magnetischen Flusses entgegenwirkt.

Q: Wie wird die Lenz'sche Regel in Faradays Induktionsgesetz dargestellt?

A: In der Faraday'schen Induktionsregel wird die Lenz'sche Regel mit einem negativen Vorzeichen dargestellt, was bedeutet, dass die induzierte EMK und die Änderung des magnetischen Flusses entgegengesetzte Vorzeichen haben.

Q: In welche Richtung fließt der induzierte Strom, wenn B' von der Seite nach außen gerichtet ist und die Fläche des Stromkreises abnimmt?

A: Der induzierte Strom fließt gegen den Uhrzeigersinn, wenn B' von der Seite nach außen gerichtet ist und die Fläche des Stromkreises abnimmt.

F: Was versucht die Natur durch dieses induzierte Feld zu erreichen?

A: Die Natur versucht, eine Verringerung des Flusses aufgrund eines angelegten Feldes zu kompensieren, indem sie aufgrund eines induzierten Stroms ein nach außen gerichtetes Magnetfeld innerhalb eines Kreises erzeugt.

F: Was passiert, wenn eine Batterie plötzlich an eine Drahtspule angeschlossen wird?

A: Wenn eine Batterie plötzlich an eine Drahtspule angeschlossen wird, beginnt ein Strom zu fließen, der von einem Beobachter aus gesehen im Uhrzeigersinn fließt. Dies führt zu einer induzierten EMK, die gemäß der Lenz'schen Regel gegen den Uhrzeigersinn fließt und einer Erhöhung des Stroms durch den Anschluss entgegenwirkt.

F: Wie wirkt sich die Selbstinduktion auf Stromkreise mit wechselnden Strömen aus?

A: Die Selbstinduktivität bewirkt, dass ein Anstieg des Stroms in einer Spule zu einer EMK führt, die diesem Anstieg entgegenwirkt und so instabile Situationen verhindert, in denen die Energieerhaltung verletzt würde.

Q:Welches Prinzip lässt sich aus der Lenz'schen Regel ableiten?

A:Die Lenz'sche Regel kann zum Le Chatelier-Prinzip erweitert werden, das besagt, dass sich das Gleichgewicht in einem gestörten System so verschiebt, dass alle durch die Störung verursachten Effekte rückgängig gemacht werden.