Der Versuch mit dem Aluring.

Dieser häufige Versuch ist in sehr vielen Physikbüchern beschrieben und kann mit geringem Aufwand durchgeführt werden.

Das Foto zeigt den Versuchsaufbau. Eine Trafospule hat in ihrem Inneren einen Trafokern über den ein geschlossener Aluring bifilar aufgehängt ist. Damit sich das Feld möglichst stark ändern kann und ein guter Effekt auftritt, hat sich bewährt, eine Spule mit wenigen Windungen (z.B. 300 Windungen) und geringem Innenwiderstand zu verwenden.

1) Das Versuchsvideo

2) Der Verlauf des Magnetfeldes.

	Die nebenstehende Skizze zeigt einen Blick auf den Aufbau. An den Enden des Eisenkerns ist das Feld inhomogen, d.h. die Feldlinien krümmen sich hier, sie bilden den typischen Feldverlauf eines Stabmagneten. Wir betrachten zunächst die Situation vom Punkt P aus. Wir blicken also von vorn auf den Eisenkern und auf einen Nordpol - denn von dort gehen die Feldlinien aus.
	Das Bild links zeigt einen Blick auf den Feldverlauf auf das rechte Ende des Eisenkerns von oben. Der inhomogene Feldlinienverlauf von Bges krümmt sich hier nach außen. Wir beschränken uns zunächst auf die senkrechte Feldlinienkomponente Bs, die (von P aus gesehen) auf uns zu zeigt. Den Einfluss der zur Kante des Eisenkerns parallelen Feldlinienkomponente Bp betrachten wir erst später.

3) Der Einschaltvorgang.

Wird der Schalter geschlossen, so baut sich in der Spule und im Eisenkern ein Magnetfeld auf. Dieses (genauer, die senkrechten Feldlinienkomponenten Bs) ist in der Skizze blau gezeichnet. Die blauen Feldlinien werden dabei immer mehr und immer dichter. Dieser sich ändernde magnetische Fluss durchsetzt auch den (roten) Aluring und induziert in ihm eine Spannung. Da der Aluring in sich geschlossen ist, kann nun im Ring ein Strom fließen - ein sogenannter Ringstrom. In welche Richtung fließt der Ringstrom - im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn? Hier hilft die Lenzsche Regel weiter! Vor dem Einschalten gab es keinen Strom in der Spule, also auch kein Magnetfeld. Beim Einschalten baut sich ein Magnetfeld auf. In einem Magnetfeld steckt aber Energie. Die Energie im System Spule-Aluring nimmt also plötzlich zu. Das ist ein "Angriff" auf den Energieerhaltungssatz! Es gilt die Gesamtenergie des Systems möglichst konstant zu halten. Der Induktionsstrom im Aluring muss also ein zweites Magnetfeld (rot) erzeugen, das dem Anwachsen des für die Induktion verantwortlichen Magnetfeldes (blau) entgegenwirkt. Die Elektronen müssen sich also im Gegenuhrzeigersinn bewegen. Die Größe des Pfeils im Stromkreis ist ein Maß für die Stärke des Ringstroms. Beachte, dass das (rote) Magnetfeld des Ringstroms immer gerade versucht das (blaue) äußere Magnetfeld zu kompensieren: die Zahlen der roten und blauen Feldlinien sind gleich.

4) Der Ausschaltvorgang

Wird der Schalter geöffnet, so hört der Stromfluss durch die Spule auf und das (blaue) Magnetfeld möchte sich abbauen. Vorher war also Energie in der Spule, die nun plötzlich abgebaut werden soll. Dies gilt es wieder möglichst zu verhindern! Im Aluring wird diesmal der Induktionsstrom so gepolt sein, dass das von ihm erzeugte Magnetfeld (rot) die Abnahme des für die Induktion verantwortlichen Feldes (blau) möglichst verhindert, er verläuft also nun im Uhrzeigersinn. Beide Felder sind diesmal in die gleiche Richtung gepolt. Beachte, dass die Zahl und Richtung der Feldlinien zunächst nahezu gleich bleibt, lediglich versucht das rote Magnetfeld des Induktionsstroms mehr und mehr die Rolle des blauen Magnetfelds zu übernehmen (was letztlich nicht unendlich lang gelingen kann).

5) Warum wird der Ring beim Einschalten angezogen und beim Ausschalten abgestoßen?

Nun kommt noch der Einfluss der vorher nicht betrachteten, parallelen Feldlinienkomponenten B_p hinzu.
Wir blicken wieder vom Punkt P aus auf die Anordnung. Hier ist jetzt aber nur der Ringstrom und die parallele Feldlinienkomponente gezeichnet.

Einschaltvorgang : Der Induktionsstrom war hier im Gegenuhrzeigersinn (vgl. Bild). Die parallelen Komponenten des B-Feldes zeigen radial nach außen. Mit der 3-Finger-Regel kann man in allen vier Bereichen zeigen, dass der abgespreizte Mittelfinger auf den Betrachter zu zeigt. (Am einfachsten geht dies rechts oder unten) Also bewegt sich der ganze Aluring auf den Betrachter zu - nach vorn..

Ausschaltvorgang : Der Induktionsstrom war hier im Uhrzeigersinn (vgl. Bild). Die parallelen Komponenten des B-Feldes zeigen radial nach außen. Mit der 3-Finger-Regel kann man in allen vier Bereichen zeigen, dass der abgespreizte Mittelfinger vom Betrachter weg zeigt. (Am einfachsten geht dies links oder oben) Also bewegt sich der ganze Aluring vom Betrachter weg - nach hinten..

6)Was passiert, wenn man die Polung an der Feldspule umkehrt?

Beim Magnetismus erwartet man meist, dass beim Umpolen alles genau anders herum verläuft, also dass dann der Aluring diesmal beim Einschalten angezogen und beim Ausschalten abgestoßen wird.

Dem ist aber nicht so!

Die Polung kehrt sich um, am betrachteten Ende war vorher ein Nordpol (Feldlinien gehen von dort aus) und ist nun ein Südpol (Feldlinien münden hier ein).

Die Polungsgrichtung der blauen Magnetfeldlinien aus Punkt 3) und 4) müssten dann ebenfalls umgedreht werden: jetzt ist überall statt einem Punkt ein Kreuz in der Mitte.

Deshalb kehrt sich auch die Polungsrichtung der Induktionsströme um(beim Einschalten nun im Uhrzeigersinn und beim Ausschalten nun im Gegenuhrzeigersinn). Aber die Richtung der Parallelkomponenten des Magnetfelds sind jetzt auch anders orientiert: sie zeigen nach innen (vgl. Bild)! Das gleicht sich gerade aus! Die Richtung der Lorentzkraft bleibt dadurch dieselbe: beim Einschalten von der Spule weg, beim Ausschalten zur Spule hin.

Bei etwa der Hälfte des Videos wird die Polung an der Spule umgedreht und der Versuch wiederholt. Einfach das Video noch einmal genau ansehen!!

Einen Vergleich zwischen drei verwandten Versuchen findet man hier: Vergleich dreier Versuche

Sie können den Film auch hier herunterladen: aluringversuch.flv (FLV Format 1,0 MB).
(Rechter Mausklick und "Ziel speichern unter")
Zur Wiedergabe eignet sich z.B. der kostenlose VLC-Player http://www.videolan.org/vlc/

Grüninger, Landesbildungsserver, 2011