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Selbstinduktion Zur Einführung in dieses Thema wollen wir
uns zunächst einmal einen Versuch anschauen. Den Versuchsaufbau sehen wir im Folgenden.
Der Versuchsaufbau besteht aus zwei
gleichen Glühlampen, die parallel verschaltet sind. In dem einen Strang (blau) befindet sich
zusätzlich zur Glühlampe noch eine Spule mit Eisenkern. Im anderen Strang
(rot) findet sich neben der Glühlampe noch ein veränderlicher Widerstand.
Dieser wird so eingestellt, dass die Glühlampen im Betrieb mit gleicher
Helligkeit aufleuchten. Der Widerstand ist notwendig, damit der Widerstand
der Spule von 150 Ohm ausgeglichen wird. Was passiert, wenn man den Schalter umlegt, sieht man in folgendem Video:
Man erkennt im Video
(siehe auch Titelbild), dass die Glühlampe im Strang mit Spule später
aufleuchtet als die Glühlampe mit dem reinen "ohmschen" Widerstand. Wie lässt sich dies
erklären? Im Strang mit Spule
ändert sich durch das Einschalten das Magnetfeld der Spule. Es baut sich ein
Magnetfeld auf. Es liegt also eine Änderung der Magnetfeldstärke B vor. Dies
führt aber nach dem Induktionsgesetz (s. dort) zu einer Induktionsspannung an
der Spule selber. Die Spule ist also Feldspule und Induktionsspule in einem.
Nach der Lenzschen Regel ist diese Spannung so
ausgerichtet, dass sie die eigene Entstehung behindert. Die Entstehung ist
aber auf den Stromfluss zurückzuführen, da das Magnetfeld ja von der
Stromstärke abhängt. Also wird der Aufbau der Stromstärke behindert. Dies
bedeutet letztendlich, dass die Induktionsspannung der angelegten äußeren
Spannung entgegenwirkt, also deren Aufbau verlangsamt, welches dann zu einer
Verlangsamung des Stromstärkeaufbaus führt. Wir merken uns.
Im Folgenden wird das
Ganze noch einmal mit Hilfe von Formeln untermauert und schließlich eine
Formel für die Selbstinduktionsspannung aufgestellt.
Zusammenfassung:
Selbstinduktion-Verlauf der Stromstärke (Einschalten)
Nachdem im ersten Kapitel
zunächst allgemeine Fragen geklärt wurden, wollen wir uns in diesem Kapitel
den Stromverlauf beim Einschalten einmal exakt ansehen. Auch hier erst der
Versuch und dann die Auswertung mit Hilfe einer Tabellenkalkulation (z. Bsp. Excel).
Versuchsaufbau: Der Aufbau ist sehr
einfach. Er besteht nur aus einem Spulenkomplex (zwei Spulen in Reihe auf
einem Ringeisenkern) in Reihe mit einem Amperemeter und einem Schalter. Wenn man den Schalter
umlegt, ergibt sich ein langsamer Anstieg der Stromstärke, wie man in dem
folgenden Video erkennen kann.
Man misst jetzt die
Stromstärke in Abhängigkeit von der Zeit. Es ergeben sich dann folgende
Tabelle und Diagramm (Excel):
Man erhält einen etwas
ungewöhnlicher Verlauf: ein zunächst rascher Anstieg, der dann immer mehr
abflacht und sich dem Wert 0,001 A nähert. Solche Diagrammverläufe werden als
Sättigungskurve bezeichnet. Die genaue Analyse des Funktionsterms, der diesen
Graphen wiedergibt, wird dem LK überlassen (Hinweis: noch in Arbeit). Übungsaufgabe zur inhaltlichen Vertiefung In der Übungsaufgabe wird
vor allem mit dem Diagramm gearbeitet. Deshalb benutzen wir jetzt einen
Idealverlauf der Sättigungskurve. Hieran soll vor allem der Lösungsweg
gezeigt werden.
Die Aufgabe soll darin
bestehen die Permeabilität µr des Ringeisenkerns zu bestimmen. Hierzu wird ein Großteil
der obigen Formeln wiederholt und vertieft.
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