Physik compact, Basiswissen 7, Schulbuch

69 15.9 Selbstinduktion und Induktivität Induktivität einer Spule Beobachtung: Beim Einschalten des Stromes leuch­ tet das Lämpchen E 1 praktisch sofort auf. Das Lämp- chen E 2 beginnt mit einer merkbaren Verzögerung zu leuchten. Man sagt: Der Grund für die Verzögerung des Stroms durch das Lämpchen E 2 liegt in der Selbstinduktionsspannung, die das Anwachsen des Stroms durch die Spule behin- dert. Beim Ausschalten kommt es zu einem Zusammen- bruch des Erregerfeldes. Diese Änderung des magne- tischen Flusses durch die Erregerspule bewirkt eine Selbstinduktionsspannung. Die Selbstinduktions- spannung ist dabei so gerichtet, dass sie ihrer Ursache (Zusammenbruch des Magnetfeldes) entgegenwirkt. Dies kann durch eine parallelgeschaltete Glimmlam- pe überprüft werden (siehe Beginn von Kap. 15.9). Die Selbstinduktionsspannung führt also zu so einem Stromfluss, dass der Zusammenbruch des Magnetfel- des verzögert wird. Nach dem Abschalten werden die Lämpchen noch kurz mit Strom versorgt. Die Energie dazu stammt aus dem magnetischen Feld. Die Lämpchen brennen solange, bis die Energie des Magnetfeldes aufgezehrt ist. 15.9.1 Interpretation des Versuchs: Der Betrag der Selbst- induktionsspannung ist umso größer, je rascher sich die Stromstärke verändert. Nimmt die Stromstärke zu, dann ist die Selbstinduktionsspannung negativ, nimmt die Stromstärke ab, dann ist sie positiv. Beobachtung: Die Selbstinduktionsspannung ist pro­ portional zum Quadrat der Windungszahl. Begründung: Die hohe relative Permeabilität n r führt zu einem vergrößerten Fluss U . Versuch Spule im Stromkreis Entsprechend der Abb. 69.1 wird ein Glühlämpchen parallel (E 1 ) und ein Glühlämpchen in Serie (E 2 ) zu einer Spule mit geschlossenem Eisenkern geschal- tet. Der Stromkreis wird mit einer Gleichspannungs- quelle versorgt. E 1 E 2 Wird der Schalter geschlossen ... ... so leuchtet E vor ... 1 ... E auf. 2 Abb. 69.1 Im induktiv belasteten Stromkreis ist der Strom ge- genüber der Spannung verzögert. Das Magnetfeld speichert Energie. Versuch Selbstinduktionsspannung Ein Signalgenerator liefert eine Dreiecksspannung. Dies bedeutet, dass die Spannung von einem Mi- nimalwert zu einem Maximalwert linear ansteigt und anschließend wieder linear zum Minimalwert absinkt. Dieser Vorgang wiederholt sich periodisch. Am Signalgenerator lassen sich die Spannungswer- te und die Frequenz verändern. Die Dreiecksspannung wird an eine Serienschal- tung aus einem Ohm´schen Widerstand R und einer Spule L gelegt. Bei diesem Versuch muss die Spule selbst einen sehr kleinen Ohm´schen Widerstand verglichen mit R aufweisen. Mit einem Oszilloskop lässt sich der Spannungsab- fall am Ohm´schen Widerstand R und an der Spule L aufzeichnen und messen. Aufgrund des Ohm´schen Gesetzes ist die Strom- stärke I durch den Widerstand R proportional zur abfallenden Spannung U R . R L U R U L niedere Frequenz hohe Frequenz Spannung bzw. Stromstärke I R U R Induktionsspannung U L A B C Abb. 69.2 Am Schirm des Oszilloskops sieht man, dass die Induktionsspannung proportional zur negativen zeitlichen Ableitung der Stromstärke ist (linker Bildschirm). Bei Erhöhung der Frequenz der angelegten Spannung werden die Flanken der „Dreiecke“ steiler und dementsprechend der Betrag der Induktionsspannung höher (rechter Bildschirm). Versuch Windungszahlen Versuchsanordnung wie im vorigen Versuch. Die Spule L wird durch Spulen mit gleicher Gestalt, aber anderer Windungszahl ersetzt. Versuch Eisenkern Versuchsanordnung wie oben. Wird in die Spule ein Eisenkern geschoben, dann steigt die Selbstindukti- onsspannung. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv