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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

Ausschaltvorgang: der Spannungsstoß

Weise nach, dass beim Unterbrechen des Spulenstroms eine weit über der Quellenspannung entsteht, und erkläre sie über die gespeicherte Feldenergie.

Bekannt

  • — Ausschalt-Induktionsspannung (in )

    Nachgewiesen über die Glimmlampe (Zündschwelle um 90 V): Blitzt sie, lagen mindestens 90 V an, bei nur 6 V Quellenspannung.

Berechnet

  • — Feldenergie der Spule (in )

    E=12LI2E = \tfrac{1}{2} L I^2: die Energiemenge, die beim Abschalten frei wird und den Stoß speist.

Für diese Zielsetzung brauchst du:

  • Erklärt die Höhe des Stoßes: Beim harten Unterbrechen ist Δt winzig, die Spannung entsprechend riesig.Zur Formelsammlung
  • Die Energiequelle des Stoßes: das Magnetfeld gibt seine gespeicherte Energie ab.Zur Formelsammlung

Versuchsprotokoll

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

1Aufgabenstellung

Betreibe die an 6 V6\ \mathrm{V} DC mit parallelgeschalteter Glimmlampe. Prüfe: Leuchtet die Glimmlampe im Dauerbetrieb? Was geschieht beim Ausschalten? Vergleiche mit dem Verhalten ohne Kern und beobachte den Schalterkontakt im Dunkeln.

2Vorbetrachtung

Das Energieargument macht den Stoß zwingend: Im Dauerbetrieb speichert die die Feldenergie E=12LI2E = \tfrac{1}{2} L I^2. Beim Öffnen des Schalters soll der Strom schlagartig auf null, aber die kann nicht verschwinden. Die Spule „wehrt sich“: Sie treibt den Strom mit aller verfügbaren weiter, und da U=−L ΔI/ΔtU = -L \, \Delta I/\Delta t mit winzigem Δt\Delta t riesig wird, entsteht ein Spannungsstoß, der sich notfalls als Funke über den öffnenden Kontakt einen Weg bahnt. Die Glimmlampe bietet dem Stoß einen definierten Weg. Zündet sie (ab etwa 90 V90\ \mathrm{V}), ist der Stoß mindestens fünfzehnmal größer als die Quellenspannung: ein klarer Ja/Nein-Nachweis.

Wichtige Abgrenzung: Im Dauerbetrieb liegen an der Spule nur wenige Volt (Drahtwiderstand): Die Glimmlampe muss dunkel bleiben. Der Stoß gehört allein dem Ausschaltmoment.

3Geräte / Stoffe

mit Kern an 6 V DC, Glimmlampe fest parallel; Schalter mit kräftiger Kontakttrennung. Raum für Schritt 4 abdunkeln.

  • 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.

  • Glimmlampe (Zündspannung ca. 90 V) parallel zur Spule

    Der Hochspannungs-Detektor: Ihr Aufblitzen beweist weit über der Quelle.

4Skizze des Versuchsaufbaus

Schaltplan: Quelle, Schalter, ; Glimmlampe parallel zur Spule. Pfeile für den Stromweg im Betrieb und den Stoß-Stromweg durch die Glimmlampe nach dem Öffnen.

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: Einschalten, Dauerbetrieb: Glimmlampe beobachten.

Schritt 2: Ausschalten: Glimmlampe beobachten. Mehrfach wiederholen.

Schritt 3: Kern entfernen (kleines L), Ein-/Ausschalten wiederholen.

Schritt 4: Im abgedunkelten Raum ohne Glimmlampe schalten und den Schalterkontakt selbst beobachten.

6Beobachtung

Beobachtungen (Quelle: 6 V DC)
SituationBeobachtung
DauerbetriebGlimmlampe dunkel
Ausschaltmoment (mit Kern)heller Glimmblitz bei jedem Öffnen
Ausschaltmoment (ohne Kern)kein oder kaum sichtbarer Blitz
Schalterkontakt im Dunkeln (ohne Glimmlampe)kleiner Funke beim Öffnen

Beispieldaten zur Veranschaulichung — keine echten Messwerte.

7Auswertung

Der Stoß ist nachgewiesen und richtig verortet: Im Dauerbetrieb bleibt die Glimmlampe dunkel (nur wenige Volt an der ), im Ausschaltmoment zündet sie: Es müssen mindestens 90 V90\ \mathrm{V} angelegen haben, aus einer 6-V-Quelle. Die stammt nicht von der Quelle, sondern von der Spule selbst: Ihre Feldenergie treibt den Strom nach dem Öffnen durch den einzigen verbliebenen Weg (die Glimmlampe) weiter, bis das Feld abgebaut ist.

Die Kontrollen ordnen zu: Ohne Kern (kleines L, wenig gespeicherte , kleinere ) bleibt der Blitz aus. Und ohne Glimmlampe sucht sich der Stoß den Funkenweg über den Schalterkontakt: der Kontaktfunke, der reale Schalter an Induktivlasten zerfrisst. Schutzbeschaltungen (Freilaufdiode parallel zur Spule, Funkenlöschkondensator) geben dem Stoß einen sanften Weg: das direkte technische Echo dieses Versuchs.

8Fazit

Beim Unterbrechen des Spulenstroms treibt die gespeicherte Feldenergie einen Spannungsstoß von weit über der Quellenspannung (Glimmlampen-Nachweis: über 90 V aus 6 V). Der Stoß wächst mit der Induktivität und erzwingt in der Technik Schutzbeschaltungen.

9Fehlerbetrachtung

Der Ja/Nein-Nachweis ist robust; die Fallstricke sind praktisch:

Zu langsames Öffnen des Schalterseher systematisch

Ursache

Schleichende Kontakttrennung vergrößert Δt.

Auswirkung

Der Stoß bleibt unter der Zündschwelle; die Glimmlampe schweigt trotz intakter Physik.

Verbesserung

Schnappschalter verwenden, zackig schalten.

Glimmlampe zu weit von der Spuleeher systematisch

Ursache

Lange Zuleitungen mit Eigenkapazität und -induktivität dämpfen den Stoß.

Auswirkung

Schwächerer oder ausbleibender Blitz.

Verbesserung

Glimmlampe direkt an die Spulenklemmen.

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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