Induktivität

Induktivitäten - typischerweise in Form von Spulen - werden häufig in vielen Schaltungsanwendungen verwendet. Ihr Zweck ist es, magnetische Energie zu speichern, wenn ein stationärer Strom fließt.

In einer Schleife, die einen geschlossenen Stromkreis bildet, induziert das sich ändernde Magnetfeld eine elektromotorische Kraft, die den Strom antreibt. Dieses Phänomen wird als elektromagnetische Induktion bezeichnet. Eine Induktivität ist einfach eine Drahtspule und hat die Eigenschaft der Selbstinduktivität, die die Spannung an ihren Anschlüssen mit der Änderung ihres eigenen Magnetfelds in Beziehung setzt.

Dieses Video veranschaulicht die Konzepte hinter der Induktivität und demonstriert dann ein Induktionsexperiment mit einem Stabmagneten und einer Spule. Abschließend werden wir einige der aktuellen Anwendungen für Induktivitäten betrachten.

Der magnetische Fluss kann als die Menge des Magnetfelds betrachtet werden, das durch einen Bereich fließt. Für ein gleichmäßiges Magnetfeld B, das senkrecht zu einem Bereich A verläuft, ist der magnetische Fluss phi einfach das Produkt aus beiden. Nach dem Faradayschen Induktionsgesetz erzeugt ein sich ändernder magnetischer Fluss in einer Drahtschleife eine elektromotorische Kraft (EMK) entlang der Schleife. Diese EMK ist gleich dem Minus der Änderungsrate des magnetischen Flusses über die Zeit.

Die Änderungsrate des magnetischen Flusses bestimmt die Polarität der induzierten elektromotorischen Kraft. Das negative Vorzeichen im Ausdruck für das Faradaysche Gesetz bedeutet, dass die EMF positiv ist, wenn das Magnetfeld mit der Zeit abnimmt. Steigt sie mit der Zeit an, ist die EMF negativ. Wenn es sich bei der Schleife um einen geschlossenen Stromkreis handelt, treibt die induzierte EMK den Strom an, der wiederum ein eigenes Magnetfeld erzeugt. Dieses Magnetfeld hat eine Orientierung, die durch die Rechte-Hand-Regel vorgegeben ist. Wenn sich die Finger der rechten Hand um die Stromrichtung in der Schleife krümmen, dann würde der Daumen der rechten Hand in die Richtung des erzeugten Magnetfeldes zeigen. Der induzierte Strom muss in die Richtung fließen, die ein Magnetfeld erzeugt, das der Änderungsrate des externen Magnetfeldes entgegenwirkt.

Zum Beispiel zeigt das Magnetfeld dieses Magneten durch eine einzige Drahtschleife nach oben. Wenn Sie den Magneten von der Schleife weg bewegen, verringert sich die Magnetfeldstärke durch die Schleife. Die Änderung des magnetischen Flusses - dargestellt durch einen nach unten zeigenden Vektor - induziert eine positive EMK, die den Strom gegen den Uhrzeigersinn antreibt, wie gezeigt. Nach der Rechte-Hand-Regel erzeugt der Strom ein Magnetfeld, das innerhalb der Schleife nach oben zeigt, um dem abnehmenden Magnetfeld oder -fluss entgegenzuwirken. Bewegt man den Magneten dagegen in Richtung der Schleife, erhöht sich dort das Magnetfeld. Die Änderung des magnetischen Flusses wird durch einen nach oben zeigenden Vektor dargestellt. In diesem Fall induziert es eine negative EMF, die den Strom im Uhrzeigersinn antreibt. Nach der Rechte-Hand-Regel erzeugt Strom in dieser Richtung ein Magnetfeld, das innerhalb der Schleife nach unten zeigt, um dem zunehmenden Magnetfeld oder -fluss entgegenzuwirken.

Kommen wir nun von einer Schleife zu einem Magneten, bei dem es sich einfach um mehrere Drahtschleifen handelt, die um einen Kern aus Luft oder magnetischem Material gewickelt sind. Es ist eine häufig verwendete Induktivität in elektrischen Schaltkreisen. Fließt Strom durch einen Magneten, erzeugt er ein Magnetfeld in der Induktivität. Die Richtung dieses Magnetfeldes wird durch die Rechte-Hand-Regel vorgegeben. Dieses Feld erzeugt wiederum einen magnetischen Fluss in der gleichen Richtung wie das Feld, und die Höhe dieses Flusses ist proportional zum Strom. Wenn sich also der Strom mit der Zeit ändert, ändert sich auch der magnetische Fluss. Nach dem Faradayschen Gesetz induziert der sich ändernde Fluss eine Spannung, die den Strom so durch die Spule leitet, dass das Magnetfeld des induzierten Stroms der Änderung des ursprünglichen Flusses entgegenwirkt. Dieses Phänomen der Spannungsinduktion über seine eigenen Klemmen als Reaktion auf wechselnden Strom wird als Selbstinduktion bezeichnet, und die gesamte induzierte Spannung über dem Magneten ist die Anzahl der Windungen N, multipliziert mit der EMK einer einzelnen Schleife.

Nachdem wir nun die Grundlagen erklärt haben, sehen wir uns an, wie man elektromagnetische Induktion in einem Physiklabor untersucht.

Bei allen folgenden Experimenten wird ein analoges bipolares Amperemeter verwendet, das eine Nadel hat, die je nach Richtung des Stromflusses rechts oder links vom Nullpunkt abgelenkt wird.

Besorgen Sie sich zunächst einen Magneten mit Hohlkern, einen Stabmagneten mit deutlich beschrifteten Nord- und Südpolen und das analoge bipolare Amperemeter. Verbinden Sie dann den Magneten mit dem Amperemeter. Für den ersten Versuch stecken Sie den Nordpol des Magneten in das Ende des Magneten, der mit dem Minuspol des Amperemeters verbunden ist. Beobachten Sie das Amperemeter und notieren Sie die Polarität und die ungefähre Größe der Auslenkung der Nadel. Ziehen Sie den Magneten aus dem Magneten und notieren Sie die Polarität und die ungefähre Größe der Auslenkung der Amperemeternadel.

Drehen Sie nun den Magneten um und setzen Sie den Südpol am Ende des Magneten ein, der mit dem Minuspol des Amperemeters verbunden ist, und entfernen Sie ihn. Wiederholen Sie dieses Experiment, indem Sie den Südpol des Magneten in die Spule einführen und dann entfernen - zuerst langsamer und dann schneller als im ersten Versuch. Wenn sich der Nordpol dem Magneten nähert und in ihn eintritt, induziert er Strom, der eine kurzzeitige positive Auslenkung des Amperemeters verursacht. Wenn der Nordpol vom Magneten entfernt wird, ist die Auslenkung negativ. Wenn Sie die Ausrichtung des Magneten umkehren, kehrt sich auch die Amperemeterreaktion um.

Schließlich beeinflusst die Bewegungsgeschwindigkeit die Änderung des Magnetfelds mit der Zeit, die die induzierte Spannung und den induzierten Strom bestimmt. Eine langsamere Bewegung induziert weniger Strom und einen kleineren Messwert, und eine schnellere Bewegung induziert mehr Strom und einen größeren Messwert.

Schließen Sie für das Selbstinduktivitätsexperiment eine Glühbirne, eine Induktorspule, eine auf ein positives Verhältnis von einem Volt eingestellte Spannungsversorgung, einen Schalter und das analoge Amperemeter wie abgebildet an. Montieren Sie den Stromkreis bei geöffnetem Schalter, sodass kein Strom fließt.

Schließen Sie den Schalter, um die Spannungsquelle sowohl an die Glühbirne als auch an die Induktivitätsspule anzuschließen. Beobachten Sie die Glühbirne, die schwach beleuchtet zu sein scheint. Öffnen Sie den Schalter, um die Spannungsversorgung vom Stromkreis zu trennen. Beobachten Sie die Glühbirne und das Amperemeter in dem Moment, in dem der Schalter geöffnet wird, und zeichnen Sie das Ergebnis auf. Die Glühbirne hellt sich kurz auf und das Amperemeter zeigt gleichzeitig einen positiven Messwert an. Dies geschieht aufgrund der Selbstinduktion und in dieser kurzen Zeitspanne finden mehrere Ereignisse statt.

Wenn der Schalter geschlossen ist, fließt zunächst Strom sowohl durch die Spule als auch durch die Glühbirne, aber im Vergleich zur Glühbirne fließt viel mehr Strom durch die Spule, da die Spule im Vergleich zur Glühbirne einen geringeren Widerstand hat. Durch das Öffnen des Schalters wird die Spannungsquelle getrennt. Dadurch nimmt der Strom durch die Induktivität ab.

Dieser sich ändernde Strom durch die Induktivität bewirkt eine Änderung des magnetischen Flusses, der wiederum einen transienten Strom induziert, der dem Abfall entgegenwirkt, indem er in die gleiche Richtung wie der ursprüngliche Strom fließt. Die Kombination aus beiden - ursprünglichem und transientem Strom - ergibt den Gesamtstrom der Induktivität, der nun durch die Glühbirne fließt und sie kurz zum Leuchten bringt, und bewirkt gleichzeitig eine Auslenkung im Amperemeter, um einen positiven Strom anzuzeigen.

Die elektromagnetische Induktion hat viele Anwendungen in modernen Geräten und ist eine grundlegende Methode zur kontaktlosen Übertragung von Energie und Informationen.

Induktion ist das Kernprinzip hinter der Funktionsweise von Geräten, die als Transformatoren bezeichnet werden. Ein Transformator besteht aus einem Paar Eingangsanschlüssen, die mit einer Primärwicklung - oder Spule - verbunden sind, und einem Paar Ausgangsanschlüssen, die mit einer Sekundärwicklung verbunden sind. Ein Kern, der aus Stahl, Ferrit oder auch einfach nur Luft besteht, koppelt die beiden Wicklungen magnetisch. Eine Spannung an einer Wicklung bewirkt, dass Strom durch sie fließt, wodurch ein Magnetfeld entsteht. Der magnetische Fluss, also die Dichte des Magnetfeldes, wird dann durch den Kern an die Sekundärwicklung gekoppelt und dort eine Spannung induziert. Dieses Prinzip wird als gegenseitige Induktion bezeichnet.

Eine weitere Anwendung von Induktivitäten sind Wechselstrom-Induktionsmotoren, die aufgrund ihrer Einfachheit, Robustheit und Zuverlässigkeit die Arbeitspferde der modernen Industrie sind. Ein Induktionsmotor besteht nur aus zwei Hauptteilen. Der erste ist der stationäre Teil, der sogenannte Stator, der aus stationären Spulen um einen Hohlraum besteht. In dem Hohlraum ist der Rotor aufgehängt, bei dem es sich um ein Paar Endringe handelt, die eine zylindrische Anordnung von Stäben abdecken. Ein dreiphasiger Wechselstrom-Induktionsmotor verwendet dreiphasige Energie, wobei jede Phase mit einem eigenen, separaten Satz von Statorspulen verbunden ist. Die Spulen sind in einem Muster angeordnet, das für jede Phase der zugeführten Leistung ein Magnetfeld erzeugt. Das resultierende Nettomagnetfeld, das sogenannte "Statormagnetfeld", dreht sich mit konstanter Geschwindigkeit.

Der rotierende magnetische Fluss induziert Strom im Rotor, ähnlich wie ein Transformator Strom von der Primärspule zur Sekundärspule überträgt. Der Strom durch die Stäbe des Rotors erzeugt wiederum ein eigenes Magnetfeld, das als "induziertes Rotormagnetfeld" bezeichnet wird. Die Wechselwirkung zwischen diesen beiden Feldern erzeugt eine Kraft auf den Rotor, die dazu führt, dass er dem Statormagnetfeld folgt, wie ein Eisenstab, der den Magneten um ihn herum folgt.

Sie haben gerade die Einführung von JoVE in die elektromagnetische Induktivität gesehen. Sie sollten nun verstehen, wie ein zeitlich veränderliches Magnetfeld eine elektromotorische Kraft in einem Leiter induziert und wie der resultierende Strom ein eigenes Magnetfeld erzeugt. Danke fürs Zuschauen!