Verzögerter Stromanstieg in einer Spule (zwei Lampen)

Lehrpläne: APC, Sek II

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Ziel

Beobachten Sie, wie eine Spule beim Einschalten des Stromkreises den Anstieg des Stroms verzögert.

Aufbau

Eine 6-V-Quelle und ein Schalter (offen). Zwei parallele Zweige mit Glühlampen 6 V / 0,5 W: unten – eine Lampe und ein 20-Ω-Widerstand, oben – eine Lampe und eine 100-H-Spule mit einem Wicklungswiderstand von 20 Ω.

Durchführung

1. Schließen Sie den Schalter und beobachten Sie beide Lampen.
2. Öffnen Sie den Schalter.
3. Verringern Sie in der Parameterkarte der Spule die Induktivität auf 10 H und wiederholen Sie den Versuch.

Erwartetes Ergebnis

Die Lampe mit dem Widerstand leuchtet sofort auf; die Lampe mit der Spule leuchtet etwa ein bis zwei Sekunden später auf, danach ist ihre Helligkeit gleich: Die Widerstände der Zweige sind gleich. Nach dem Öffnen des Schalters erlöschen beide Lampen gleichzeitig, in etwa einer halben Sekunde: Der Strom der Spule fließt in der aus beiden Zweigen gebildeten Masche weiter und durch beide Lampen. Die Anstiegszeit des Stroms beträgt etwa \(L / R\). Bei 10 H ist die Verzögerung zehnmal kürzer – etwa eine Zehntelsekunde, aber das Auge kann sie noch wahrnehmen. Eine 100-H-Spule mit einer 20-Ω-Wicklung ist sehr groß: Bei Schulspulen mit Eisenkern beträgt \(L / R\) einen Bruchteil einer Sekunde, und die Verzögerung in einem realen Aufbau ist genauso kurz.

Fragen

1. Warum verhindert eine Spule, dass der Strom sprunghaft ansteigt?
2. Warum leuchten die Lampen im stationären Zustand gleich hell?

Antworten

1. Wenn sich der Strom ändert, ändert sich das Magnetfeld der Spule und induziert eine Selbstinduktionsspannung, die proportional zur Änderungsrate ist, \(L \cdot \Delta I / \Delta t\), und der Änderung entgegenwirkt. Für einen plötzlichen Sprung wäre eine unendlich große Induktionsspannung nötig, daher wächst der Strom allmählich, in einer Zeit von etwa \(L / R\): In diesem Aufbau sind das mit 100 H ein bis zwei Sekunden.
2. Im stationären Zustand ändert sich der Strom nicht mehr, daher gibt es keine Selbstinduktionsspannung, und die Spule wirkt wie ihre 20-Ω-Wicklung. Beide Zweige bestehen dann aus einer Lampe in Reihe mit 20 Ω an derselben Spannung, daher sind die Ströme und die Helligkeit gleich.