Lenzsche Regel

Die lenzsche Regel (auch Regel von Lenz) ist ein 1834 durch Heinrich Lenz aufgestellter Zusammenhang, der besagt, dass Der Induktionsstrom stets so gerichtet ist, dass er der Ursache seiner Entstehung entgegenwirkt.

Erklärung

Bewegt sich ein Leiter durch eine äußere Kraft in einem Magnetfeld, kommt es zu einer Ladungstrennung im Leiter, es wird eine elektrische Spannung induziert.

Verbindet man nun die Enden des Leiters, z. B. durch ein niederohmiges Strommessgerät, erhält man eine geschlossene Leiterschleife und registriert einen Stromfluß, der versucht, die Ladungstrennung abzubauen. Dieser fließt immer in die Richtung des induzierten elektrischen Feldes und erzeugt nach der Korkenzieherregel sein eigenes konzentrisches Magnetfeld, welches mit dem ursächlichen Magnetfeld (statisches Magnetfeld) entgegenwirkt und so die Bewegung des Leiters zu verhindern sucht.

Die Ursache, gegen welche die Leiterschleife wirkt, ist in jedem Falle die Änderung des Magnetfeldes (genauer: des sie durchsetzenden magnetischen Flusses).

Anschaulich wird es, wenn man einen Metallring (seitlich) auf einen Stabmagneten fallen lässt (so, dass der Stabmagnet durch den Ring ragt): sein Fall wird durch das entgegengesetzte Magnetfeld (abhängig von der Stärke des Magneten) mehr oder weniger deutlich abgebremst, im Ring fließt dabei kurzgeschlossener Strom, der mit seinem Magnetfeld der Ursache (Fallbewegung = mechanische Energie $m\cdot g\cdot H$ bzw. $\frac{m\cdot v^2}{2}$ ) deutlich entgegengerichtet ist, ihn abbremst bis die Fallarbeit oder kinetische Energie im Ring zu Wärme abgebaut ist.

Das Gesetz besagt auch, dass an den Klemmen einer Spule eine Spannung induziert wird, sobald sich das Magnetfeld darin ändert (entweder im räumlichen Anteil oder in der Stärke). Die Spule wehrt sich gewissermaßen mit einer Gegenspannung gegen eine zeitliche Änderung des sie durchsetzenden Flusses.

Anwendung

Der Zusammenhang zwischen Kraft und Strom, den die Lenzsche Regel angibt, kann sowohl zum Erzeugen eines Stroms beim Generator als auch zum Erzeugen einer Bewegung beim Elektromotor genutzt werden.

Beim Generator wird die beschriebene Abstoßungskraft durch das Drehmoment der Antriebsmaschine überwunden, und es fließt Strom, solange sich der Generatorkern dreht. Aus dem Energieerhaltungssatz folgt, dass die Summe aus abgegebener elektrischer Energie und Abwärme der zum Betrieb des Generators nötigen Energie äquivalent ist.

Bei gleichem Magnetfeld und gleicher Stromrichtung wie vorhin, wird der Leiter ebenfalls in gleicher Richtung abgestoßen. Der Elektromotor läuft in Richtung der Abstoßkraft und gibt kinetische Energie ab, wenn er mit elektrischer Energie gespeist wird.

Weitere Anwendungsbereiche:

Klassische, mechanische Stromzähler.
Wirbelstrombremse: In einer drehenden Scheibe wird ein Kreisstrom induziert, die aus den zwei Magnetfeldern resultierende Lorentzkraft ist dann die Bremswirkung.
Zündanlagen für Benzinmotoren: Bei geschlossenem Unterbrecherkontakt fließt in der Primärspule der Zündspule ein Strom, der ein Magnetfeld aufbaut. Wenn der Unterbrecherkontakt geöffnet wird fließt durch die Primärspule kein Strom mehr und das Magnetfeld bricht zusammen. Entsprechend der Lenzschen Regel führt das zusammenbrechende Magnetfeld zu einer induzierten Hochspannung in der Sekundär- bzw. Hochspannungsspule des Zündtransformators, die dann über die Zündkerze entladen wird. Wichtig für die ordentliche Funktion der Zündanlage, z. B. an einem Moped, ist der korrekte Zündkontaktabstand und der korrekte Zündzeitpunkt. Ein zu großer Kontaktabstand führt zu einem zu schwachen Magnetfeld und dann zu einem zu schwachen Zündfunken, insbesondere bei höheren Drehzahlen. Ein zu kleiner Kontaktabstand führt zu erhöhtem Abbrand des Zündkontakts, da entsprechend der Lenzschen Regel, durch das zusammenbrechende Magnetfeld auch hier der Strom bei sich öffnenden Kontakt „weiterfließen“ will. Hier hilft dann auch der Zündkondensator zur Funkenunterdrückung nur begrenzt, die Kontakte brennen schneller als üblich ab. Entsprechend der Lenzschen Regel und anders als oft vermutet, entsteht der Zündfunke an der Zündkerze wenn der Zündkontakt geöffnet wird. Dies muss man wissen um den Zündzeitpunkt korrekt einzustellen. Beim Einstellen einer Zündanlage wird zunächst der Zündkontaktabstand eingestellt und dann der Zündzeitpunkt, da umgekehrt der zunächst eingestellte Zündzeitpunkt durch eine nachträgliche Änderung des Kontaktabstands wieder verstellt würde. In modernen Transistor- (TSZ) und Thyristor-Zündanlagen (HKZ = Hochspannungskondensatorzündung), die auch als elektronische Zündanlagen bezeichnet werden, wird der Zündkontakt nicht mehr mechanisch sondern „elektronisch“ geöffnet, so dass bei diesen Zündanlagen kein Kontaktabstand mehr eingestellt werden muss und die nicht vorhandenen mechanischen Kontakte natürlich auch nicht mehr abbrennen können. Das Signal zur „elektronischen“ Kontaktöffnung wird über Magnetsensoren, sogenannte Hall-Sensoren, gegeben.