Selbstinduktion beim Ausschalten

Lehrpläne: APC, Sek II

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Ziel

Beobachten Sie die Selbstinduktionsspannung beim Öffnen eines Stromkreises mit einer Spule.

Aufbau

Eine 6-V-Quelle, ein Schalter (geschlossen) und eine 20-H-Spule mit einem Wicklungswiderstand von 50 Ω; parallel zur Spule – eine Glühlampe 6 V / 0,5 W. Die Spule baut ihren Strom nach dem Start des Versuchs in ein paar Sekunden auf: etwa 0,12 A, das 1,4-Fache des Lampenstroms (0,083 A).

Durchführung

1. Warten Sie ein paar Sekunden, bis sich der Strom in der Spule eingestellt hat.
2. Stellen Sie die Geschwindigkeit der Simulationsuhr in der Symbolleiste auf ×0.1, damit das Aufblitzen besser zu sehen ist, öffnen Sie den Schalter und beobachten Sie die Lampe.
3. Stellen Sie die Geschwindigkeit wieder auf ×1, schließen Sie den Schalter, warten Sie wieder ein paar Sekunden und öffnen Sie ihn.

Erwartetes Ergebnis

Nach dem Öffnen des Schalters blitzt die Lampe dreimal heller als gewöhnlich auf und erlischt innerhalb von Zehntelsekunden (bei ×0.1 innerhalb von ein paar Sekunden). Die Spule hält ihren Strom aufrecht, und er fließt durch die Lampe – etwa 0,12 A, das 1,4-Fache ihres Nennstroms; die Spannung an der Lampe steigt kurzzeitig auf etwa 9,3 V – höher als die der Quelle. Die Spule ist so gewählt, dass ihr Strom nur wenig größer ist als der Lampenstrom: Mit einer Spule, die den dreifachen Strom aufbaut, würde die Lampe schon beim ersten Öffnen des Schalters durchbrennen.

Fragen

1. Woher kommt die Energie für das Aufblitzen?
2. Warum schaltet man eine Diode parallel zu den Wicklungen eines Relais?

Antworten

1. Aus dem Magnetfeld der Spule. Bei 0,12 A speichert sie \(W = L \cdot I^2 / 2\) = 20 · 0,12² / 2 ≈ 0,14 J; nach dem Öffnen des Schalters hält diese Energie den Strom durch die Lampe aufrecht und wird im Glühfaden in Wärme und Licht und in der 50-Ω-Wicklung in Wärme umgewandelt.
2. Beim Abschalten eines Relais hält seine Spule ihren Strom aufrecht, so wie die Spule in diesem Aufbau. Hat dieser Strom keinen Weg, steigt die Selbstinduktionsspannung so weit an, dass zwischen den Schaltkontakten ein Funke überspringt oder der Transistor, der die Spule ansteuert, durchschlägt. Die Diode, im Normalbetrieb in Sperrrichtung gepolt, gibt dem Strom einen geschlossenen Kreis über die Spule (in diesem Aufbau übernimmt das die Lampe), sodass am Schalter kaum mehr als die Versorgungsspannung anliegt.