Strom gegen sich selbst
Bisher entstand die Flussänderung durch einen Magneten oder eine zweite Spule. Eine Spule erzeugt aber selbst ein Magnetfeld – ändert sich ihr Strom, ändert sich auch ihr eigener Fluss.
- Selbstinduktion:Ändert sich die Stromstärke in einer Spule, wird in derselben Spule eine Spannung induziert – die Selbstinduktionsspannung.
- Einschaltversuch:Zwei gleiche Lampen liegen parallel an einer Quelle, vor der einen eine Spule mit Eisenkern, vor der anderen ein Widerstand gleichen Werts. Nach dem Schließen leuchtet die Lampe an der Spule erst verzögert voll auf.
- Ausschaltversuch:Parallel zur Spule liegt eine Glimmlampe, die erst ab etwa 100 V leuchtet. Obwohl die Quelle nur 6 V liefert, blitzt sie beim Öffnen des Schalters kurz auf.
- Deutung nach Lenz:Die Selbstinduktionsspannung wirkt jeder Stromänderung entgegen: Beim Einschalten bremst sie den Anstieg, beim Ausschalten treibt sie den Strom noch kurz weiter.
- Konstanter Strom:Bleibt die Stromstärke gleich, wird nichts induziert; die Spule wirkt dann nur über den Widerstand ihres Drahtes.
Legen Sie mit ▶ den Schalter um und beobachten Sie beide Lampen und den Verlauf der Stromstärken. Ein zweiter Klick öffnet den Schalter wieder. Vergleichen Sie anschließend Spulen mit und ohne Eisenkern sowie mit verschiedenen Windungszahlen.
Halte fest: Die Spule verzögert jede Änderung ihres eigenen Stroms – mit Eisenkern und mehr Windungen deutlich stärker. Beim Öffnen fließt ihr Strom noch kurz weiter, und zwar rückwärts durch die zweite Lampe.
Selbstinduktion: Jede Änderung der Stromstärke in einer Spule induziert in ihr selbst eine Spannung, die dieser Änderung entgegenwirkt.
Einschalten: Der Strom steigt verzögert auf seinen Endwert.
Ausschalten: Der Strom fließt kurz weiter; dabei kann die Spannung an der Spule weit über der Quellspannung liegen.
Induktivität und Energie
Wie stark sich eine Spule gegen Stromänderungen wehrt, hängt nur von ihrem Bau ab. Diese Eigenschaft heißt Induktivität \(L\).
- Eigener Fluss:In einer langen Spule gilt \(B=\mu_0\,\mu_r\,\dfrac{N}{l}\,I\); der Fluss \(\Phi=B\,A\) durch jede Windung ist also proportional zur Stromstärke.
- Induktivität:\(L\) fasst alle Baugrößen der Spule zu einer Konstanten zusammen; Einheit \(1\,\mathrm{H}=1\,\tfrac{\mathrm{V\cdot s}}{\mathrm{A}}\) (Henry).
- Windungszahl:\(N\) geht quadratisch ein: Mehr Windungen verstärken das Feld und greifen zugleich mehr Spannung ab.
- Änderungsrate:\(\dfrac{dI}{dt}\) ist die momentane Änderungsrate der Stromstärke; ändert sich \(I\) gleichmäßig, ist sie gleich \(\dfrac{\Delta I}{\Delta t}\).
Herleitung:
Energie im Magnetfeld
Beim Einschalten muss die Quelle gegen die Selbstinduktionsspannung Energie aufbringen. Sie steckt danach im Magnetfeld der Spule und wird beim Ausschalten wieder frei – etwa als Lichtblitz der Glimmlampe.
Herleitung:
Induktivität der langen Spule:
\(L=\mu_0\,\mu_r\,\dfrac{N^2 A}{l}\)
Selbstinduktionsspannung:
\(U_{ind}=-L\,\dfrac{dI}{dt}\)
Energie im Magnetfeld:
\(W=\tfrac12\,L\,I^2\)
Einheit: \(1\,\mathrm{H}=1\,\tfrac{\mathrm{V\cdot s}}{\mathrm{A}}\)
Allgemeine Hinweise
Änderung, nicht Strom
Die Selbstinduktionsspannung hängt nur davon ab, wie schnell sich die Stromstärke ändert, nicht von ihrer Größe. Bei konstantem Gleichstrom ist sie null, auch wenn ein großer Strom fließt.
N zählt doppelt
Doppelte Windungszahl bei gleicher Länge vervierfacht die Induktivität. Ein Eisenkern vergrößert sie zusätzlich um den Faktor \(\mu_r\).
Funken beim Abschalten
Wird der Strom einer großen Spule schlagartig unterbrochen, entsteht eine sehr hohe Spannung, die am Schalter einen Funken erzeugen kann. Deshalb gibt man der Spule über ein parallel geschaltetes Bauteil einen Weg, auf dem der Strom langsam abklingen kann.
