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Induktion: Das Magnetfeld schlägt zurück

Induktion: Das Magnetfeld schlägt zurück

Veröffentlicht am 15.10.2022

Wenn ein Stromfluss einen magnetischen Fluss auslösen kann, liegt die Vermutung nahe, dass das auch umgekehrt funktioniert, denn irgendwann haben wir im Physikunterricht mal was vom Energieerhaltungssatz gehört.

Und richtig: Die Umwandlung elektrischer Energie in magnetische ist umkehrbar.

Bild InduktionBild InduktionWird ein Draht senkrecht zur Richtung eines Magnetfeldes bewegt, wird dem Draht ein elektrischer Strom induziert. Dieser Effekt wurde bereits in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts von Michael Faraday entdeckt und ist bis heute die Grundlage industrieller Erzeugung von elektrischer Energie.

Da Induktion immer nur dann auftritt, wenn sich Magnetfeld und elektrischer Leiter relativ zueinander verändern, ist die Induktion geeignet, Bewegungsenergie in elektrische Energie umzuwandeln. Jeder Generator – vom Fahrraddynamo bis zur Turbine im Kraftwerk – arbeitet nach demselben Prinzip: Die Kreisbewegung erzeugt elektrischen Strom.

Der Aufbau eines Generators ist quasi identisch mit dem eines Motors; wenn Sie einen Motor von Hand drehen, erzeugt er ebenfalls einen Stromfluss.

Die fatale Selbstinduktion

Das Wort »Veränderung« ist im Zusammenhang mit der Induktion sehr wichtig, denn es umfasst mehr als nur die Änderung der Lage oder Stärke des externen Magnetfeldes. Was passiert, wenn der Stromfluss unterbrochen wird? Das Magnetfeld bricht zusammen – auch damit verändert sich ein den Leiter umgebendes Magnetfeld und es kommt zur Induktion!

Eine Spule kann Energie in Form eines magnetischen Feldes speichern, das sich entlädt, sobald der Stromfluss unterbrochen ist. Ändert sich die Stromstärke, passt sich auch das Magnetfeld diesen neuen Gegebenheiten an.

Jeder Leiter unterliegt dieser Rückkopplung des magnetischen Feldes. Im Normalbetrieb kann so etwas vernachlässigt werden, die Selbstinduktion eines einfachen stromführenden Kabels ist minimal, doch wenn es sich um eine Spule handelt, gewinnt dieser Effekt schon an Bedeutung. Die Spule ist ja dazu geschaffen, ein starkes Magnetfeld aufzubauen.

Wird der Stromfluss unterbrochen, induziert das zusammenbrechende Magnetfeld einen entgegengesetzten, durchaus nennenswerten Stromfluss. Elektrische Selbstinduktion ist mit der mechanischen Trägheit zu vergleichen, deshalb kann eine Spule für einen Stromfluss wirken wie ein Schwungrad für einen Motor. Die Selbstinduktion einer Spule, Induktivität genannt und mit dem Formelbuchstaben L bezeichnet, wird in Henry [H] gemessen.

Trotz ihrer geringen Messwerte kann die Induktion unerwünschte Effekte herbeiführen: Vielleicht wird die Spule ja durch eine elektronische Schaltung gesteuert. Wenn an deren Ausgang plötzlich eine falsch gepolte Spannung induziert wird, kann so eine Induktionsspannung unerwünschte andere Schaltvorgänge auslösen. Das wäre aber noch die harmloseste Wirkung. Per Selbstinduktion einer angeschlossenen Spule zerschossene Endstufentransistoren sind schon ärgerlicher.

Wir müssen also Vorkehrungen treffen, mit denen wir die Selbstinduktion entschärfen.

Bild LöschdiodeBild LöschdiodeDas simpelste Mittel ist, den Induktionsstrom in eine kurzgeschlossene Schleife zu schicken, wo er sich totlaufen kann. Da ein Kurzschluss aber für den Betrieb eines elektrischen Gerätes wenig brauchbar ist, muss er sich auf den induzierten Strom beschränken. Dabei kommt uns zu Hilfe, dass die induzierte Spannung der zusammenbrechenden Spannung entgegengesetzt ist. Eine zur Spule parallel, aber in Sperrrichtung geschaltete Diode kann den Induktionsstrom auffangen.

Im Betrieb kann kein Strom durch die Diode fließen, also wählt er den Weg über die Spule und verrichtet dort die gewünschte Arbeit. Beim Abschalten induziert die Spule einen Strom in Gegenrichtung, der aber durch die in dieser Richtung nicht sperrende Diode fließen kann und keinen Schaden anrichtet. In dieser Funktion verwendete Dioden werden von der Fachwelt auch als LöschdiodenFreilauf- oder Leerlaufdioden bezeichnet, was ihren Einsatz bildlich gut umschreibt. Als Löschdiode kommt jede beliebige Diode in Frage, die die Betriebsspannung und den Stromfluss durch die Spule verkraftet.

Die Induktivität ist weder vom Strom noch von der Spannung abhängig, sondern ergibt sich allein aus dem Spulenaufbau (Durchmesser, Länge, Windungszahl) und den magnetischen Eigenschaften ihres Kernes.

Die Induktion dagegen ist die Wirkung der Induktivität, sie wird in Tesla [T] gemessen und kennzeichnet die Stärke des auf den Leiter einwirkenden Magnetfeldes. Die üblichen Magnetfelder sind sehr schwach, zum Beispiel beträgt das Magnetfeld der Erde lediglich ca. 10 µT, die Magnetfelder elektrischer Haushaltsgeräte liegen noch zwei Zehnerpotenzen darunter.

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