Spule im Gleichstrom
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Vorbemerkungen
Gegenstand der Betrachtungen ist eine zylindrische Spule, in der in mehreren Lagen ein Draht aufgewickelt ist.
Allgemein gilt: Eine (dauernd) stromdurchflossene Spule setzt dem elektrischen Strom ihren Gleichstromwiderstand (gemeint ist der Widerstand des Drahtes) entgegen.
Spule im Gleichstrom:
Du weißt, dass in einem Leiter, wenn er Magnetlinien schneidet, ein Strom erzeugt wird ("Induktion"). Nun ist es egal, ob der Leiter durch ein Magnetfeld bewegt wird (dynamisches Mikrofon, Generator) oder das Magnetfeld den Leiter durchdringt.
Dabei gilt: Je mehr magnetische Feldlinien (starkes Magnetfeld) und je mehr Drähte (viele Windungen, genauer: hohe Induktivität), desto stärker der Strom.
Interessant ist aber der Moment des Ein-/ sowie Aus-schaltens
Spule im Gleichstrom beim Einschalten:
Betrachten wir also die Spule beim Einschalten in kleinsten Zeitschritten:
- Zum Zeitpunkt "0" fließt kein Strom, die Spannung wurde in diesem Moment eingeschaltet.
- Dann fließt der Strom, der durch den Gleichstromwiderstand (des Drahtes) bestimmt wird. Doch dieser Strom erzeugt in der Spule ein Magnetfeld
- Dieser Strom fließt aber entgegengesetzt zum Strom, der ihn erzeugt: Der elektrische Widerstand wird größer!
- Hat der Strom seinen Maximalwert (bestimmt durch den Drahtwiderstand der Spule) erreicht(bleibt gleich) ändert sich auch das Magnetfeld nicht mehr:
- Der Strom steigt auf den Maximalwert, der allein durch den Drahtwiderstand (den Gleichstromwiderstand) bestimmt ist.
Fazit: Im Gleichstrom wirkt die Spule beim Einschalten als "Strombremse". Der Strom steigt langsam auf seinen Maximalwert an:
Je größer die Windungszahl oder Induktivität (die von weiteren Faktoren abhängt!), desto langsamer der Stromanstieg.
Technische Anwendung: Spule als "Drossel" im Gleichspannungs- Netzteil. Überall, wo Gleichspannung erwünscht ist, aber keine Wechselspannung.
Spule im Gleichstrom beim Ausschalten:
Angenommen, die Spannung wird in diesem Moment abgeschaltet:
- Das Magnetfeld bricht schlagartig zusammen
- Weil die Spule aber nirgendwo mehr angeschlossen ist ("unendlicher" Widerstand am offenen Schalter) kann sich eine hohe Spannung aufbauen. Sie hat die umgekehrte Polarität zur ursprünglichen Spannung.
- Diese Induktionsspannung kann zu Stromschlägen oder Funkenüberschlägen am Schalter führen!
- Faustregel: Je höher der Strom und die Induktivität, um so höher die Induktionsspannung.
- Abhilfe: Durch eine "Funkenlöschstrecke" (Glimmlampe), eine Reihenschaltung aus Widerstand und Kondensator oder eine Diode in Sperrrichtung kann dieser Überschlag verhindert werden.
Anwendungen: Spannungserhöhung in elektronischen Schaltungen ("Step-up-Regler"), "Speicherinduktivität" in Schaltnetzteilen.
