Ein- und Ausschaltvorgang mit Selbstinduktion

Kurzbeschreibung

An einer Induktivität bestehend aus aus zwei Spulen (je 10000 Wdg.) und geschlossenem Magnetkreis (Joch) zeigen wir sowohl den Spannungs- als auch den Stromverlauf beim Ein- und Ausschalten. Dazu werden die Spulen über einen Schalter an eine Spannungsquelle angeschlossen. Strom und Spannung werden über eine geignete Schaltung mit dem Oszilloskop dargestellt. Beim Schließen des Schalters erreicht die Spannung schlagartig Ihre Maximalspannung, während der Strom nur langsam ansteigt. Beim öffnen sieht man deutlich einen Spannungstoß in gegensätzlicher Richtung bevor die Spannung endgültig auf Null geht. Der Strom baut sich dagen wieder langsam ab. Alternativ kann man den Einschaltvorgang auch mit Mavo - Geräten angezeigen. Auch hier sieht man deutlich, dass die Spannung schlagartig, der Strom aber nur langsam ansteigt. Das Vorführen des Ausschaltvorgangs sollte aufgrund des Spannungsstoßes mit Rücksicht auf die Mavogeräte in dieser Anordnung nicht demonstriert werden.

Betriebsanleitungen: Elektrogeräte

Physikalische Erklärung

Legen wir eine Spannung U₀ an die Spule, sorgt der dann fließende Strom für den Aufbau eines Magnetfeldes. Dieses Magnetfeld induziert in der Spule eine Spannung, die nach der Lenzschen Regel so gerichtet ist, dass sie dem Stromanstieg entgegen gewirkt wird.
Betrachten wir nun den zeitlichen Verlauf des Stromes an der Spule so erhalten wir:
I_L(t) = I₀ · (1- e^-(1/RC)·t))
Für die Halbwertszeit gilt:
I₀/2 = I₀- I₀· (1- e^-(1/RC)·t)) ⇒ t_h = (L/R) · ln(2)
Sprich nach dieser Zeit ist der Strom I_L 50% von I₀
Wir erhalten also einen exponentiellen Anstieg des Stromes durch die Spule.
Schalten wir nun die Spannung ab so gibt es ebenfalls eine Selbstinduktion, die nach der Lenzschen Regel eine Spannung induziert, die der Ursache entgegenwirkt. Die Ursache ist aber das Ausschalten des Stroms. Durch das schnelle Ausschalten erhalten wir also erst einmal eine Spannungsspitze entgegen der angelegten Spannung.
Erst dann beginnen sich die Spannung und der Strom wieder exponetiell abzubauen.
Die erwähnten Spannungsspitzen haben in der Praxis zur Folge, dass dadurch elektrische Bauteile, welche in einem Stromkreis mit Spule integriert sind eine überspannung erhalten können und dadurch Defekt werden. Dies kann durch das Parallelschalten einer Freilaufdiode verhindert werden.

• 
• zum Foto



• zum Film


• zum Film mit Ton