Induktion

Definition

Das Wort Induktion und seine Bedeutung kommen von dem lateinischen Wort "inductio" was so viel wie "(Her-)Einführung" bedeutet sowie von dem Verb "inducere" (hereinführen, induzieren).

Als Induktion bezeichnet man die Wechselwirkung von bewegten geladenen Teilchen, die magnetisch sind, und einem Magnetfeld.

Das Prinzip der Induktion finden wir z.B. bei einem Generator.

Die Induktion lässt sich aber auch in der Natur finden, z.B. bei der Entstehung von Polarlichtern.

Elektromagnetische Induktion

Als eine elektromagnetische Induktion bezeichnet man das Entstehen elektrischen Spannung in einer Spule (Leiterschleife) durch eine Veränderung des magnetischen Feldes. Diese entsteht durch mechanische Bewegung eines Dauermagneten in einer Spule. Durch diese Bewegung ändert sich das Magnetfeld andauernd. In der Spule entsteht dadurch Wechselstrom. Die entstehende Spannung heißt induzierte Spannung.

Versuch

Induktion einer elektrischen Spannung in einer Spule

Versuchsprotokoll

Material:

• Spule (ca. 50 Windungen, Kupferlackdraht, 1mm² Querschnitt)

• Stabmagnet (5mm Durchmesser, 9,5cm Länge)

• Messinstrument (mikro Ampère)

Versuchsaufbau:

• Man verbindet die Zuleitungen des Messinstruments mit den Enden des Drahtes der Spule
• Man stellt das Messgerät auf die Einheit "mikro Ampère"

Skizze:

Durchführung:

• Man fährt mit dem Stabmagneten gleichmäßig durch die Spule, rein und raus.

Beobachtung:

• Sobald ich mit dem Magneten in die Spule reinfahre, steigt der Wert auf dem Messgerät. Sobald ich hinausfahre, sinkt der Wert in den negativen Bereich.
• (Sobald ich den Magneten umdrehe, dreht sich das Vorzeichen des induzierten Signals um.)

Auswertung:

• Magnetfelder sind durch Feldlinien gekennzeichnet. Man beschreibt das durch einen magnetischen Fluss, der durch eine Schleife greift. Wenn der magnetische Fluss, der durch die Schleife greift, sich zeitlich ändert, wird in der Leiterschleife eine elektrische Spannung induziert. Die Größe der induzierten Spannung hängt von der Größe der Flussänderung ab, die Polung der induzierten Spannung hängt von der Flussrichtung ab, und ob er zu- oder abnimmt.

Gesetze

1. Die Erkenntnisse zur elektromagnetischen Induktion sind im Induktionsgesetz zusammengefasst:

In einer Spule wird eine Spannung induziert, wenn sich das von der Spule umfasste Magnetfeld ändert.

Die Induktionsspannung ist umso größer,

• je schneller sich der räumliche Anteil des von der Spule umfassten Magnetfeldes ändert (je schneller man z. B. die Spule im Magnetfeld bewegt),
• je stärker sich das von der Spule umfasste Magnetfeld ändert,
• je schneller die Änderung der Stärke des Magnetfeldes erfolgt.

(Quelle: http://www.schuelerlexikon.de/SID/a1b57e67ba135989dc673c88da79b8bc/lexika/physik/cont/cont0000/cont0021/full.htm, Datum: 05.02.2010)

2. Lenzsche Gesetz

Der Induktionsstrom ist stets so gerichtet, dass er die Ursache seiner Entstehung zu hemmen sucht.

Das Bedeutet: Die Richtung des Induktionsstroms ist nicht zufällig, sondern wirkt der Ursache seiner Entstehung entgegen.

Das Gesetz wurde nach dem Physiker Heinrich Lenz benannt.

(Quelle:http://devserv.helliwood.de/sl_fullmobile_store/mobile_physik/Heinrich_Friedrich_Emil_Lenz.htm)

• Beweis und Versuch: Die Wirbelstrombremse (Siehe "Verwendung im Alltag").

Geschichte

Der englische Physiker Michael Faraday (1791-1867) endeckte 1831 die elektrische Induktion und das Induktionsgesetz.

Vorher gab es Vermutungen, dass es einen Zusammenhang zwischen Elektrizität und Magnetismus gibt. Der Physiker Hans Christian Ørsted (14.08.1777-09.03.1851) bemerkte in einem Versuch, dass eine Magnetnadel in der Nähe eines elektrischen Leiters abgelenkt wird, wenn man den Strom einschaltet. André-Marie Ampère (20.01.1775-10.06.1836) und Michael Faraday entwickelten die Versuche weiter bis Faraday die elektromagnetische Induktion fand.

Verwendung im Alltag

Induktion wird in vielen Bereichen genutzt. Die wichtigsten Anwendungen der elektromagnetischen Induktion sind Generatoren und Transformatoren.

• Induktionskochplatten, die ihr Magnetfeld so aufbauen, dass ein Widerstand (Topfboden) erhitzt wird, weil Strom durch ihn hindurchfließt
• Datenspeicherung: ID-Karten, Karten zu Erkennung einer Person (Firmenpass, Skiausweis etc.)
• Transformatoren (in Handys, Netzteilen etc.)
• Induktionsschleifen: in Straßen (zur Verkehrsüberwachung)
• in Mikrofonen (z.B. Telefonhörer), Lautsprecher
• in Tonbandgeräten
• Wirbelstrombremse (siehe Lenzsche Gesetz)

Induktionskochherd

Unter der Kochfläche aus Glaskeramik erzeugen die Induktionsspulen rasch wechselnde Magnetfelder. Wenn man nun den Topf auf die Kochplatte stellt, enstehen Wirbelströme durch die magnetischen Wechselfelder. So entsteht die Wärmeentwicklung direkt im Boden des Topfes. Deshalb funktioniert dieser Herd nur bei magnetischen Topfböden. Wenn man den Topf von der Kochplatte nimmt, bricht die Energiezufuhr sofort ab.

Bild: [1]

Fahrraddynamo

Allgemein

Offiziell ist das Fahrraddynamo bekannt als Fahrradlichtmaschine. Es regelt während der Fahrt Stromversorgung für die Fahrradlampe. Es hat die Bauweise eines elektrischen Generators. [2] Dadurch, dass ein Magnet in der Spule rotiert entsteht eine Wechselspannung. So erklären sich die meisten Menschen die Funktion. Das ist jedoch sehr ungenau. Die Spule ist in einem Eisenkäfig und dieser ist sehr wichtig. Wenn der Eisenkäfig nicht da wäre und nur der Magnet in der Spule wäre, gäbe es fast keine Spannung. [3] Die Drehbewegung der Räder bringt den Permanentmagnet zum rotieren. Wenn das Rad sich also schnell dreht wird die Spannung stärker. Problem: Wenn der Frontscheinwerfer defekt ist, geht die ganze Spannung über auf die Rücklichtlampe, die deshalb durchbrennen kann.

Aufbau

In der Induktionsspule befindet sich ein Kern aus Weicheisen, an dessen Unterseite sich zwei sich kreuzende Eisenstreifen befinden, die außen an vier Seiten nach oben gebogen sind. Der um die Spule gewickelte Draht, dessen eines Ende mit dem Dynamogehäuse verbunden ist, geht in den Kabelanschluss zum Scheinwerfer über. Auf der Oberseite der Spule ist ein weiterer etwas kleinerer Weicheisenkäfig vorhanden, dessen Eisenstreifen versetzt zu denen des anderen nach oben gebogen sind.

Funktionsweise

Durch die Rotation des Magneten, beeinflussen die Pole die Eisenstreifen und es entsteht ein Gegenpol in dem Streifen, an dem sie gerade vorbeirotieren. Dies nennt man Influenz. Wenn im unteren Käfig zum Beispiel gerade ein Südpol entstanden ist, so ist im oberen ein Nordpol entstanden. Es ändert sich also ständig die Richtung des Magnetfeldes und in der Spule wird eine Wechselspannung induziert.

Seitenläuferdynamo

Der Seitenläuferdynamo wird seitlich am Fahrradreifen befestigt. Durch eine Feder, kann er an- und ausgeschaltet werden indem er an den Reifen geschwenkt wird. Die Energie, um Licht herzustellen, wird mithilfe eines rotierenden Permanentmagneten und einer feststehenden Induktionsspule erzeugt. Es entsteht eine Wechselspannung (Elektrische Spannung, dessen Polarität in regelmäßigen Abständen wechselt).

Nabendynamo

Dieser ist in die sogenannte Nabe eingebaut, welches das Zentrum des Rades ist. Durch die Drehung des Rades entsteht mithilfe von Permanentmagneten ein rotierendes Magnetfeld, welches in der Statorwicklung eine elektrische Spannung induziert. (Diese ist im stationären Teil der Nabe installiert.) Das Licht kann nun über einen Schalter im Scheinwerfer angeschaltet werden. [4]

Felgendynamo

Das Felgendynamo ist nicht wie das Seitenläuferdynamo an der Reifenflanke befestigt, sondern an der Felgenflanke [5], damit auch an Mountainbikes mit Geländereifen ein Dynamo verwendet werden kann.

Rollendynamo/Walzendynamo

Das Rollendynamo verläuft an der Lauffläche des Reifens. [6] Es ist an der Stelle des Ständers befestigt.

Nachteil: Es ist wetterabhängig, bei Schnee zum Beispiel, verrostet das Dynamo.

Teilweise lässt sich das Rollendynamo vom Lenker aus einschalten. Dies hängt jedoch von der Bauart ab.

Hochfrequenzerwärmung

Mit einem Hochfrequenzgenerator, der zur Erzeugung von Hochfrequenzspannungen bzw. -schwingungen genutzt wird, wird die Energie eines hochfrequenten elektromagnetischen Feldes umgewandelt. Elektrisch gut leitende Stoffe wie z.B.Metalle werden bei induktiver Erwärmung (z.B. beim Glühen, Schmelzen, Härten oder Schweißen) durch induzierte Wirbelströme stark erhitzt.

Induktionsschleifen

Die häufigste Methode zur Erkennung von Fahrzeugen ist die Induktionsschleife.

Definition

Wie aus der Bezeichnung hervorgeht, handelt es sich bei Induktionsschleifen um eine größere Schleife, bestehend aus mehreren Drähten, die in Räumen und Hallen sowie unter Fahrbahnen und Autobahnauffahrten verlegt sind. Induktionsschleifen sind in der Akustik Teil von Beschallungsanlagen und können Hörgerätebenutzer mit akustischen Informationen versorgen. In der Verkehrstechnik werden Induktionsschleifen für Verkehrsflussmessungen sowie zur Steuerung von Ampeln oder Schranken von Parkhäusern benutzt. Die Schleife/Spule wird von einem konstanten Gleichstrom durchflossen. Tritt ein Metallkörper in das statische Magnetfeld, ändert sich dieses, wobei sich eine messbare Änderung des Spulenstroms (Induktionsstroms) ergibt.

Nutzfunktionen

Ampelsteuerung:

Die häufigste Methode zur Erkennung von Fahrzeugen ist die Induktionsschleife. Eine Induktionsschleife besteht aus mehreren Drahtwindungen. Man nennt es sie auch Spule oder Schleife. Diese wird in einer schmalen Lücke unter dem Asphalt verlegt. Die Spule steht ständig unter Strom, sie reagiert auf Metallmasse. Befindet sich ein Fahrzeug (=Metallmasse) darüber bzw kommt ein Fahrzeug in den Schwingkreis, verändert sich der Schwingkreis und die Induktivität der Spule steigt. Dies kann dann der daran angeschlossene Detektor erkennen und die Ampel schaltet um.

Schwingkreis: Ein Schwingkreis ist eine elektrische Schaltung aus einer Spule und einem Kondensator (speichert elektrische Ladung und Energie), die elektrische Schwingungen ausführen kann.

Induktivität: Induktivität ist eine elektrische Spannung, die entsteht, wenn der magnetische Fluss verändert wird. In diesem Fall also wenn ein Auto in den Schwingkreis fährt.

Auf dem ersten Bild sieht man ,bei der Ampelsteuerung, den Zustand des Schwingkreises, wenn kein Auto in der Nähe ist und im zweiten Bild ist der Zustand abgebildet, wenn ein Auto in den Schwingkreis fährt.

Schienenverkehr: Auch im Schienenverkehr werden Induktionsschleifen verwendet. Dort werden sie zur Datenübertragung bei Zugsicherungs- und Zugsteuerungssysthemen verwendet.Das heißt die jeweiligen Züge werden benachrichtigt wenn sich auf ihrem Gleis ein Problem ergibt.(Fahrzeuge und/oder Gegenstände behindern den Gleisübergang,Gleise enden...)

Was ist das? Beispiel: Schranke im Parkhaus

Eine Induktionsschleife besteht aus mehreren Drahtwindungen, die in einem schmalen Schlitz im jeweiligen Untergrund (Asphalt,Beton...) verlegt wurden.Wird diese Spule nun von Strom durchflossen, entsteht ein magnetisches Feld. Werden die Linien des Feldes verändert, verringert sich die Induktivität und das angeschlossene Gerät erkennt diese Veränderung. Der Detektor betätigt nun das Relais der Schranke so das diese entweder öffnet oder als sicherheit die Schließung verhindert.

Auch in Hörgeräten, Beleuchtungssteuerungen oder Torsteuerungen werden Induktionsschleifen verwendet. --> Alle arbeiten nach dem selben Prinzip.

RFID

Die Abkürzung RFID steht für "radio-frequency identification" und bedeutet soviel wie "Funkerkennung". RFID ermöglicht es, Daten berührungslos und ohne Sichtkontakt zu übermitteln. Dies geschieht über elektromagnetische Wellen. Um die Übertragung von Informationen zu gewähren benötigt man einen Transponder (auch RFID-Tag genannt), welcher an einem beliebigen Gegenstand angebracht wird (Lebensmittelverpackung, Pass, Kleidung, ...) und ein sogenanntes Lesegerät zum Auslesen der Daten. Die RFID-Technik soll in Zukunft den Barcode ersetzen.

Aufbau

Das Lesegerät besteht aus einem Sender und Empfänger, einem Controller und einer Spule (Kopplungselement). Oft hat es auch eine Schnittstelle, damit man es an einen Computer anschließen und die Daten weiterverarbeiten kann. [7]

Die grundlegenden Bestandteile des Transponders (Kunstwort,"transmit" and "response") sind ein Mikrochip, der als Datenspeicher dient und ein Kopplungselement (Spule). Jedes per RFID gekennzeichnete Objekt besitzt seine eigene EPC-Nummer, sodass es weltweit identifizierbar ist. [8]

Der erste Transponder Die einfachste Variante eines RFID-Tags wurde in den 60-ern entwickelt. Er besitzt eine Datenmenge von 1 Bit, sodass die Anwendungsbereiche beschränkt sind. Genutzt wurde er zur Diebstahlsicherung in Warenhäusern. Damit, wenn sich die Ware und somit der Transponder rechtmäßig außerhalb des elektromagnetischen Wechselfeldes befindet, kein Alarm ausgelöst wird, entschärft man den Tag an der Kasse. Durch zu starke Magnetisierung wird der Kondensator zerstört und der Schwingkreis verstimmt.

Funktion

Das Lesegerät erzeugt ein elektromagnetisches Wechselfeld. Befindet sich der Transponder außerhalb dieses Bereiches, so verhält er sich passiv. Im Bereich des Wechselfeldes können die Daten vom Lesegerät erfasst werden.

Energieversorgung

Man unterscheidet zwischen aktiven und passiven Transpondern, die sich entweder durch eine eigene Stromquelle versorgen oder auf induktive Kopplung angewiesen sind. Bei Letzterem befindet sich im Transponder ein Schwingkreis, welcher auf dieselbe Frequenz abgeglichen ist, wie auch das elektromagnetische Feld des Lesegeräts. Über die Spule wird Energie in den Schwingkreis gekoppelt, die den Mikrochip in Betrieb hält. Bei genügend Energiezufuhr werden die Daten über eine Sendeelektronik im Transponder an das Lesegerät geleitet.

Bauformen der Transponder

Die Bauform eines RFID-Transponders variiert je nach Anwendungsbereich. Die gängigsten Formen sind wie folgt:

• Disktransponder: eignen sich für ein weites Anwendungsspektrum [9]
• Transponder in Glasgehäuse: speziell für Tieridentifikation entwickelt, wird unter die Haut injiziert [10]
• Transponder in Plastikgehäuse: hohe Belastungsfähigkeit gegenüber Umwelteinflüssen, wird in der Automobilproduktion eingesetzt [11]
• Smart Labels: ähneln normalen Selbstklebeetiketten, lassen sich leicht an Waren,Paketen etc. anbringen [12]

Vor- und Nachteile der Technik

Vorteile

• Einsparung von Zeit und Geld durch genaue Inventur
• Warenrückverfolgung möglich, z.B bei Umweltverschmutzung
• Keine Komplikationen beim Versand, da die Ware "weiß", wo sie hin muss
• Effektivere Waren- und Lagerplanung: Was muss nachbestellt werden? Was wünschen die Kunden?
• Keine Warteschlangen in Geschäften durch schnelles Auslesen der Waren (Fließband überflüssig)
• Einzigartige Seriennummer
• Effektive Diebstahlsicherungen
• Neue Zahlungsmöglichkeit
• Stadtbibliotheken automatisieren (Beispiel: Münchener Stadtbibliothek)
• Hilfe für Blinde bei der Identifikation von Gegenständen
• Das Risiko Medikamente falsch zu verabreichen ist geringer (menschliches Versagen ausgeschlossen)
• Tieridentifikation: Wem gehört das Tier, aus welchem Land kommt es und welche Impfungen hat es?

Nachteile

• Datenschutz nicht mehr gewährleistet
• Unbefugte könnten die Daten auslesen
• Diebstahl durch Datenklau ist schwerer auszumachen
• Elektrosmog

Lexikon

• Kopplung: entsteht durch die Wechselwirkung von mindestens zwei physikalischen Systemen. Erfolgt z.B. durch Energieaustausch
• 1 Bit Information: Ein Informationsträger, der sich in bloß zwei Zuständen befinden kann stellt die Datenmenge 1 Bit dar. Beim RFID-Tag im Warenhaus z.B. wären diese beiden Zustände "vorhanden" und "nicht vorhanden", um zu erkennen, ob etwas gestohlen wurde.

Interesse an diesem Thema?

• Dokumentarfilm "RFID - Wie ein Chip die Welt verändert" Link zu Part 1 [13]

Versuch

Wir bewegen einen Elektromagnet vor einer Spule. Das Messgerät zeigt wieder eine Spannung an, gleichgültig, ob der Elektromagnet oder die Spule bewegt wird.

Die Spannung wird größer durch

• eine größere Geschwindigkeit beim Bewegen,
• eine höhere Windungszahl bei der Spule,
• ein stärkeres Magnetfeld des Elektromagneten
• eine größere Querschnittsfläche der Spule
• einer Spule mit EisenkernLink-Text