Induktion

In einem der letzten Artikel wurden Transformatoren vorgestellt, die in Kraftwerken, Umspannanlagen und vielen strombetriebenen Haushaltsgeräten vereinfacht ausgedrückt eine Eingangs- in eine (größere oder kleinere) Ausgangsspannung umwandeln und somit der Erzeugung bzw. Umformung von Wechselspannung dienen. Die Funktionsweise dieser elektrotechnischen Bauteile beruht auf dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion, unter der die Erzeugung eines elektrischen Feldes und damit einer messbaren elektrischen Spannung durch die Änderung des zugrundeliegenden magnetischen Flusses zu verstehen ist. Die Induktionswirkung soll in diesem Beitrag anhand des angeprochenen Umspanners als eine ihrer primären technischen Anwendungen skizziert werden.

Ein Transformator besteht – wie im oben genannten Artikel dargestellt – in der Regel aus zwei Spulen bzw. Wicklungen, die zum Zwecke ihrer elektrischen Leitfähigkeit meist aus isoliertem Kupferdraht gefertigt und durch einen gemeinsamen Magnetkern aus Eisen, auf dem sie fest verbaut sind, miteinander verbunden sind. Schematisch betrachtet liegen hier zwei voneinander abhängige Schaltkreise vor: im ersten Zyklus fließt, hervorgerufen durch die anliegende Inputspannung, ein Primärstrom durch die erste Wicklung, im zweiten Kreis ensteht durch den erzeugten, die andere Spule durchlaufenden Sekundärstrom die abgehende Outputspannung.

Die elektromagnetische Induktion beschreibt nun einen Vorgang, bei dem durch die Bewegung eines elektrischen Leiters in einem Magnetfeld eine elektrische Spannung und somit ein Stromfluss erzeugt (induziert, von lateinisch inducere: „hineinführen“) werden. Dies kann auch durch die Änderung eines Magnetfeldes geschehen, das von einem solchen elektrischen Leiter umschlossen ist. Bewegt man beispielsweise einen Permanentmagneten in einer Spule, so entsteht ein magnetisches Feld, das wiederum den Fluss eines Stroms sowie das Entstehen einer Spannung zur Folge hat. Dieses Phänomen wird entsprechend durch das zugrundeliegende Induktionsgesetz von Michael Faraday aus dem Jahr 1831 beschrieben und kann am Beispiel des bereits vorgestellten Transformators etwas anschaulicher erläutert werden.

Durch Anlegen einer Eingangsspannung an den Transformator fließt ein Strom durch die Windungen der Primärspule, wodurch ein sich veränderndes Magnetfeld erzeugt wird. Die hierbei entstehenden Feldlinien wirken wiederum auch in der gegenüberliegenden und durch seinen geschlossenen Eisenkern mit dieser verbundenen Sekundärwicklung, so dass dort ein zweiter Strom entsteht und die sogenannte Sekundärspannung aufbaut, die nun an den Ausgangsklemmen des Transformators zur weiteren Verwendung abgegriffen werden kann. Wie im ersten Artikel beschrieben, hängt die Höhe des erzeugten Stroms und der umgeformten Spannung von der Anzahl der Wicklungen beider Spulen ab: Das Verhältnis von Eingangs- und Ausgangsspannung entspricht der Relation der Windungsanzahlen der beiden Spulen, das Verhältnis von Eingangs- und Ausgangsstrom hingegen der umgekehrten Relation der Windungsanzahlen der Primär- und der Sekundärwicklung.

Unterstellt man zu Anschauungszwecken ein ideales, also verlustfreies und somit in der Praxis nicht realisierbares Verhalten der Bauteile, so ist die Spannung demnach direkt proportional zur Windungszahl der Wicklungen. In der Realität treten allerdings verschiedene Verluste wie zum Beispiel Widerstände bzw. Leitungs-, Ummagnetisierungs- oder Wirbelstromverluste während des Vorgangs auf. Ausschlaggebend für die Induzierung eines elektrischen Stroms im Sekundärzyklus ist grundsätzlich das Anlegen einer Wechselspannung auf der Primärseite und somit eine regelmäßig wechselnde Polarität. Nach dem gleichen Prinzip arbeiten auch andere elektrische Maschinen wie zum Beispiel (Elektro-)Motoren oder Generatoren. Neben der elektromagnetischen Induktion geht auch der sogenannte Faraday’sche Käfig, der als elektrische Abschirmung im Artikel „Der elektromagnetische (Im-)Puls (EMP)“ angesprochen wurde, auf den oben genannten Entdecker zurück.