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Selbstinduktion

SchulversuchMagnetismus / ElektromagnetismusKlasse 11Fortgeschritten

Worum geht es?

wirkt auch auf den eigenen . Ändert sich der Strom durch eine , ändert sich ihr eigenes , und das induziert in ihr selbst eine Gegenspannung: Selbstinduktion. Die Folgen sind messbar: Der Strom baut sich beim Einschalten nur allmählich auf (Zeitkonstante τ=L/R\tau = L/R), beim Abschalten treibt die zusammenbrechende Feldenergie einen Spannungsstoß, und an Wechselspannung wird die permanente Gegenwirkung zur Reaktanz XL=2πfLX_L = 2\pi f L.

Warum macht man dieses Experiment?

Die Selbstinduktion macht die zum Gegenspieler des Kondensators und komplettiert damit das Bauteiltrio der Wechselstromtechnik: Filter, , Drosseln, Zündspulen und Schaltnetzteile beruhen auf ihr. Und sie hat eine handfeste Gefahrenseite. Der Abschalt-Spannungsstoß zerstört ungeschützte Schalter und Elektronik; wer ihn einmal als Glimmlampen-Blitz gesehen hat, versteht Freilaufdioden.

Die physikalische Idee

Drei Teilversuche an einer mit hoher Induktivität (Eisenkern): (1) Zwei Lampenzweige (Spule gegen Widerstand) zeigen die Einschaltverzögerung im direkten Vergleich. (2) Eine parallele Glimmlampe macht den Ausschaltstoß sichtbar, der die Quellenspannung weit übertrifft. (3) Am Funktionsgenerator wird der Wechselstrom durch die Spule frequenzabhängig gemessen: die Reaktanz.

Benötigtes Vorwissen

Für dieses Experiment hilft dir dieses Vorwissen. Du kannst es jederzeit nachschlagen — das Experiment bleibt auch so verständlich.

Wissenschaftliche Einordnung

Joseph Henry beobachtete die Selbstinduktion 1832 an Funken beim Öffnen von Spulenkreisen; die Einheit der Induktivität trägt seinen Namen. Zündspulen nutzen den Ausschaltstoß seit über hundert Jahren zur Funkenerzeugung im Motor.

Versuchsziel

Aktuelles Versuchsziel

Einschaltvorgang: die verzögerte Lampe

Untersuche den Stromaufbau in der beim Einschalten: Wettrennen zweier Lampenzweige (Spule gegen Widerstand) und Deutung über die Zeitkonstante τ=L/R\tau = L/R.

Gemessen

  • — Spulenstrom (in )

    Über die Lampenhelligkeit qualitativ und per Messinterface quantitativ verfolgt.

Bekannt

  • — Induktivität (in )

    Kenngröße der Spule (hier etwa 5 H mit Kern).

Berechnet

  • — Zeitkonstante (in )

    τ=L/R\tau = L/R: das Zeitmaß des Stromaufbaus.

Der Weg von der Messung zum Ergebnis:

Für diese Zielsetzung brauchst du:

  • Beschreibt den beobachteten verzögerten Stromaufbau; formal das Spiegelbild der Kondensator-Ladekurve.Zur Formelsammlung

Versuchsprotokoll

So ist ein physikalisches Versuchsprotokoll aufgebaut. Die Reihenfolge ist immer dieselbe — die Inhalte gehören zu deinem gewählten Versuchsziel.

1Aufgabenstellung

Baue zwei Parallelzweige an eine gemeinsame Quelle: Lampe 1 hinter der , Lampe 2 hinter einem Widerstand, der auf den Drahtwiderstand der Spule eingestellt ist (etwa 50 Ω50\ \Omega). Schalte ein und vergleiche das Aufleuchten. Bestimme die Verzögerung und vergleiche mit τ=L/R\tau = L/R.

2Vorbetrachtung

Warum der Strom nicht springen kann: Ein sprunghafter Stromanstieg wäre eine unendlich schnelle Feldänderung, also nach dem eine unendliche Gegenspannung: Die lässt das nicht zu. Stattdessen wächst der Strom gerade so schnell, dass die Selbstinduktionsspannung stets die Differenz zur Quellenspannung aufnimmt, dieselbe Selbstdrosselungs-Logik wie beim Kondensatorladen, nur mit vertauschten Rollen von Strom und .

Der faire Vergleich: Damit das Lampen-Wettrennen beweiskräftig ist, muss der Vergleichszweig denselben Endstrom führen; deshalb wird der Widerstand exakt auf den Spulen-Drahtwiderstand abgeglichen. Dann unterscheidet die Zweige nur noch die Induktivität, und jede Verzögerung geht auf ihr Konto. Die Erwartung mit L=5 HL = 5\ \mathrm{H} und R=50 ΩR = 50\ \Omega (Spulendraht plus Lampe): τ=0,1 s\tau = 0{,}1\ \mathrm{s}. Nach etwa 5τ=0,5 s5\tau = 0{,}5\ \mathrm{s} ist die Spulenlampe voll da, eine gut sichtbare Verspätung.

3Geräte / Stoffe

Beide Zweige an gemeinsamem Schalter; die Baugleichheit der Lampen vorher durch Tausch prüfen. Für die quantitative Kurve das Messinterface im Spulenzweig.

  • Spule mit Eisenkern (hohe Induktivität, z. B. 5 H)

    Das untersuchte Bauteil: Die große Induktivität macht alle Effekte augenfällig.

  • Zwei baugleiche Glühlampen und Vergleichswiderstand

    Der Parallelzweig-Vergleich macht die Einschaltverzögerung als Helligkeits-Wettrennen sichtbar.

  • Glimmlampe

    Zündet erst bei etwa 90 V: der Detektor für den Ausschalt-Spannungsstoß.

  • Funktionsgenerator und AC-Messgeräte

    Für die frequenzabhängige Reaktanz-Messreihe.

4Skizze des Versuchsaufbaus

Parallelschaltung: oben Widerstandszweig mit Lampe 2, unten mit Lampe 1, gemeinsamer Schalter; erwartete i(t)-Kurven beider Zweige als Vorzeichnung (Sprung gegen e-Anstieg).

Spule einschalten (Gleichspannung)

Simulation — berechnete Werte, keine Messung
Deine Aufgabe: Starte den Einschaltvorgang: Der Strom springt nicht, er baut sich allmählich auf, während die Selbstinduktionsspannung abklingt. Verändere danach L — die Achsen bleiben gleich, und du siehst direkt: Größere Induktivität, trägerer Anstieg.
U₀RLMagnetfeldStromrichtung
63 % des Endwerts bei t = τ = 100 ms00,511,5203006009001.200Zeit t in sStrom i in mA
Stromstärke i(t) — baut sich allmählich auf
00,511,52036912Zeit t in sSpannung u_L in V
Selbstinduktionsspannung u_L(t) — anfangs maximal, klingt ab

Zeitkonstante τ = L/R

0,1 s

Endwert I = U₀/R

180 mA

i im Moment

0 mA

Die Spule wehrt sich gegen jede Stromänderung: Ihre Selbstinduktionsspannung ist beim Einschalten am größten und lässt den Strom nur allmählich wachsen. Nach τ = L/R = 0,1 s sind 63 % des Endwerts (180 mA) erreicht, nach etwa 5τ fließt der volle Strom — dann wirkt die Spule wie ein einfacher Draht.

Der Einschaltvorgang im Zeitraffer: Der Strom folgt der e-Funktion mit τ=L/R\tau = L/R, während die Selbstinduktionsspannung vom Startwert abklingt. Verändere L und R: Die Trägheit wächst mit der Induktivität und sinkt mit dem Widerstand.

Aufbau: mit hoher Windungszahl auf geschlossenem Eisenkern (Induktivität einige Henry), baugleiche Glühlampen, verstellbarer Vergleichswiderstand, Glimmlampe (Zündspannung um 90 V), Gleichspannungsquelle mit Schalter, Funktionsgenerator und AC-Messgeräte für Teil 3.

5Durchführung

Schritt 1: Vergleichswiderstand abgleichen: Beide Lampen müssen im Dauerbetrieb gleich hell sein.

Schritt 2: Aus- und wieder einschalten, Aufleuchten vergleichen (mehrfach; auch in Zeitlupe filmen).

Schritt 3: Stromverlauf im Spulenzweig mit dem Interface aufzeichnen; Zeit bis 63 Prozent des Endwerts ablesen.

Schritt 4: Kern halb herausziehen (kleineres L) und Schritt 2 wiederholen.

6Beobachtung

Beobachtungen
TestErgebnis
EinschaltenLampe 2 (Widerstand) sofort hell; Lampe 1 (Spule) kommt sichtbar verspätet nach
Interface-Kurvee-förmiger Anstieg; 63 % nach ≈0,1 s\approx 0{,}1\ \mathrm{s}
Dauerzustandbeide Lampen exakt gleich hell
Kern halb gezogenVerspätung deutlich kürzer

Beispieldaten zur Veranschaulichung — keine echten Messwerte.

7Auswertung

Die Verzögerung ist real und quantitativ stimmig: Die gemessene 63-Prozent-Zeit von 0,1 s0{,}1\ \mathrm{s} trifft τ=L/R=5 H/50 Ω=0,1 s\tau = L/R = 5\ \mathrm{H}/50\ \Omega = 0{,}1\ \mathrm{s}. Der Kern-Test bestätigt die Zuordnung: Weniger Eisen, weniger Induktivität, kürzere Verzögerung, am Widerstand des Zweigs hat sich dabei nichts geändert.

Der Dauerzustand rehabilitiert die als Draht: Nach dem Einschwingen sind beide Lampen gleich hell. Bei konstantem Gleichstrom (keine Änderung!) wirkt nur noch der Drahtwiderstand; die Selbstinduktion ist ein reiner Änderungs-Effekt. Genau dieser Punkt trennt DC- und AC-Verhalten der Spule (Zielsetzung C).

Merkbild: Die Induktivität ist die Trägheit des Stroms, wie die die Trägheit der Bewegung: Beide wehren sich gegen Änderungen, nicht gegen Zustände.

8Fazit

Der Spulenstrom baut sich beim Einschalten mit τ=L/R=0,1 s\tau = L/R = 0{,}1\ \mathrm{s} verzögert auf, sichtbar als verspätete Lampe; im Gleichstrom-Dauerzustand wirkt die dagegen nur noch als Drahtwiderstand.

9Fehlerbetrachtung

Der Lampenvergleich ist anschaulich, aber nichtlinear; die Kurvenmessung ist das belastbare Maß:

Lampen als nichtlineare Anzeigeneher systematisch

Ursache

Glühlampen leuchten erst oberhalb einer Stromschwelle sichtbar.

Auswirkung

Die wahrgenommene Verspätung ist die Zeit bis zur Schwelle, nicht τ selbst.

Verbesserung

Für Zahlen die Interface-Kurve verwenden; die Lampen nur als Demonstration.

Induktivität ist stromabhängig (Eisenkern)eher systematisch

Ursache

Die Kern-Permeabilität ändert sich mit der Aussteuerung; L ist keine perfekte Konstante.

Auswirkung

Die Kurve weicht leicht von der idealen e-Funktion ab; τ ist ein Effektivwert.

Verbesserung

Abweichungen dokumentieren; für saubere e-Kurven Luftspule mit passendem R verwenden.

Das Wichtigste

Das Prinzip

Die bei jeder Änderung ihres eigenen Stroms eine Gegenspannung: Uind=−L⋅ΔIΔtU_\mathrm{ind} = -L \cdot \tfrac{\Delta I}{\Delta t}. Die Induktivität LL (Einheit Henry) misst diese Selbst-Trägheit.

Einschalten

Der Strom springt nicht, sondern wächst mit τ=L/R\tau = L/R zum Endwert U0/RU_0/R: erst dann wirkt nur noch der Drahtwiderstand.

Ausschalten

Die Feldenergie E=12LI2E = \tfrac{1}{2} L I^2 muss beim Abschalten irgendwohin: Sehr schnelle Stromänderung erzeugt einen Spannungsstoß weit über der Quellenspannung (Funken, Glimmlampenblitz).

Wechselstrom

Die permanente Gegenwirkung wird zur Reaktanz XL=2πfLX_L = 2\pi f L: wächst mit der (Gegenstück zum ), Strom eilt der um 90∘90^\circ nach.

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