Sexl Physik 7, Schulbuch

Die Selbstinduktion Beim Ein- und Ausschalten eines Stromkreises ändert sich die Stromstärke plötz- lich, in einem Wechselstromkreis ändert sie sich dauernd. Wenn der Stromkreis eine Spule enthält, ändert sich der magnetische Fluss in der Spule. Dadurch tritt eine induzierte Spannung auf, die der Änderung des Stroms entgegen wirkt. Dieser Effekt heißt Selbstinduktion . In Physik 6 (S. 110) fanden wir, dass im Inneren einer langen Spule das B -Feld ho- mogen und zur Stromstärke I proportional ist. Der magnetische Fluss Φ ist daher ebenfalls zu I proportional, seine zeitliche Änderung ist proportional zur zeitlichen Stromstärkenänderung. In der Spule tritt daher gemäß dem Induktionsgesetz eine zeitabhängige induzierte Spannung auf, die zur zeitlichen Änderung des Stroms proportional ist: U ind = –N · d Φ _ d t = – L · d l _ d t Der Faktor N berücksichtigt, dass jede der N Windungen der Spule zur gesamten induzierten Spannung beiträgt. Die Größe L heißt Induktivität der Spule. Die Induktivität hängt von der Win- dungszahl N , von den Abmessungen der Spule und vom Material eines eventuell vorhandenen Spulenkerns ab. Die Einheit der Induktivität heißt Henry ( H ), 1H = 1V · s/A . Was bewirkt eine Spule in einem Stromkreis? Die in der Spule induzierte Spannung U ind wirkt der angelegten Spannung U entge- gen. Die resultierende Spannung bestimmt die Stromstärke. Betrachten wir einen Stromkreis wie in 11.2 mit einer Spule und einem Wider- stand: U + U ind = I · R , also L · d I /d t = U − I · R . Nach dem Einschalten ( I ≈ 0) wächst der Strom zunächst linear mit der Zeit, seine zeitliche Zunahme wird mit wachsendem Strom I immer geringer. Der Höchstwert ist durch den Ohm’schen Widerstand R des Stromkreises bestimmt. Besonders hohe Induktionsspannungen treten in Stromkreisen beim Ausschalten auf, weil dabei die zeitliche Stromänderung besonders groß ist. Dadurch kann es zur Funkenbildung kommen. Technisch wird dies z. B. in der Zündspule (Benzin- motor) genützt. Demo-Experiment: Thomson’scher Ringversuch 11.2 E 1 Auf einen Eisenkern, der aus einer Spule herausragt, wird ein Aluminiumring aufgesteckt und wie ein Fadenpendel aufgehängt ( 11.3) . Die Spule wird an Gleichspannung angeschlossen. Beobachte die Vorgänge beim Einschalten der Spule, bei konstantem Spulenstrom und beim Ausschalten. Beschreibe die Vorgän- ge und erkläre sie mit Hilfe des Induktionsgesetzes. Induktion im Alltag – Tonabnehmer der E-Gitarre Bei akustischen Gitarren werden die Saitenschwingungen mit dem Steg auf den Resonanzkörper übertragen und dadurch verstärkt, doch ist die Lautstärke für das Zusammenspiel mit anderen Instrumenten meist zu gering. Bei elektrischen Gitar- ren (E-Gitarre) erzeugen die Saitenschwingungen in den elektro-magnetischen Tonabnehmern (sog. pick-up Spulen) veränderliche elektrische Spannungen, die elektronisch verstärkt und über Lautsprecher in Schallwellen umgewandelt wer- den. 11.4 zeigt das Prinzip: Unter jeder Saite befinden sich Tonabnehmer. Sie beste- hen aus einer Spule mit einem Permanentmagneten als Kern. Die Saiten sind aus Stahl und werden im Feld des Spulenkerns magnetisiert. Die schwingende Saite verursacht daher einen magnetischen Fluss, der sich mit den Frequenzen der Sai- tenschwingung verändert. In der Spule wird eine veränderliche Spannung indu- ziert, die den Verstärker steuert. 11.1 Lässt man einen Stabmagneten durch die Spulen des Rohrs fallen, wird in ihnen eine Spannung induziert. (Daten zur Auswertung des Experiments unter physikplus.oebv.at ) 11.2 Enthält ein Stromkreis eine Spule, so beginnt nach dem Einschalten der Strom nur allmählich zu fließen. Je größer L ist, desto langsamer steigt der Strom. R L Stromstärke I Zeit t 11.3 Thomson’scher Ringversuch 10 V= Weich- eisen- stab 250 Windungen 11.4 (Oben:) Tonabnehmer bei E-Gitarren sind in den massiven Körper der Gitarre unter den Saiten montiert. (Unten:) Aufbau eines Tonabnehmers Gitarrensaite aus Metall Magnetkern Spule N S N S zum Verstärker 11 | ELEKTRODYNAMIK Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv