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Versuche

Selbstinduktion (Messwerterfassung)

Ziel des Versuchs

  • Nachweis des allmählichen Stromanstiegs beim Anlegen einer Spannung an eine Spule.
  • Analyse der Selbstinduktion beim Ein- und Ausschalten.
  • Verdeutlichung des Einflusses des Widerstandes auf Ausschaltstrom und Induktionsspannung.

Versuchsaufbau zur Untersuchung von Einschalt- und Ausschaltstrom

Joachim Herz Stiftung
Abb. 1 Versuchsaufbau zur Untersuchung von Einschalt- und Ausschaltstrom an einer Spule

An ein Gleichspannungsnetzgerät (ca. \(10 - 15\,\rm{V}\)) wird wie in Abb. 1 hinter einem mechanischen Schalter eine Parallelschaltung aufbaut. In einen Zweig der Schaltung wird eine Spule mit sehr großer Induktivität (z.B. \(L=500\,\rm{H}\) und ein digitaler Strommesser geschaltet, der per Bluetooth mit der Messwerterfassungssoftware verbunden ist. Im anderen Zweig der Schaltung befindet sich nur eine Widerstandskaskade, mit der der Widerstand im Bereich von ca. \(100-3000\,\Omega\) einfach variiert werden kann. Alternativ können hier auch einfach verschiedene Steckwiderstände genutzt werden.

Mit Hilfe der Messwerterfassungssoftware wird ein \(t\text{-}I\)-Diagramm erstellt. Dazu sollte in der Messwerterfassungssoftware eine hohe Datenerfassungsrate von \(200\,\rm{Hz}\) oder mehr eingestellt werden. Der Messbereich für die Stromstärke liegt jeweils unterhalb von \(100\,\rm{mA}\).

Versuchsdurchführung

Bei offenem Stromkreis schaltest du zunächst das Netzgerät ein und stellst eine Spannung von 10-15 V ein. Anschließend startest du die Messwerterfassung in der Software und schließt den Schalter.

Sobald der Strom im \(t\text{-}I\)-Diagramm konstant bleibt, öffnest du den Schalter wieder. Ist der Strom Null, kannst du die Messung stoppen.

Anschließend wiederholst du die Messung mit einem anderen Widerstand im zweiten Zweig (z.B. \(500\,\Omega\) und \(1500\,\Omega\)). 

Beobachtung und Auswertung

Joachim Herz Stiftung
Abb. 2 Stromfluss durch die Spule beim Ein- und Ausschalten

Das \(t\text{-}I\)-Diagramm in Abb. 2 zeigt, dass beim Einschalten der Stromfluss durch die Spule langsam und relativ konstant ansteigt. Erst nach einem Zeitraum von fast 1,5 Sekunden erreicht der Stromfluss durch die Spule seinen Maximalwert von hier ca. \(48\,\rm{mA}\). Der Anstieg des Stromflusses durch die Spule ist dabei praktisch unabhängig von der Größe des Widerstandes im Parallelzweig.

Beim Ausschalten fällt der Strom durch den Spulenzweig umso rascher abfällt, je größer der Widerstand im Parallelzweig ist.

Versuchsaufbau zur Untersuchung der Induktionsspannung beim Ein- und Ausschalten

Joachim Herz Stiftung
Abb. 3 Versuchsaufbau zur Untersuchung der Induktionsspannung an einer Spule

Analog zum vorherigen Versuch wird wie in Abb. 3 an ein Gleichspannungsnetzgerät (ca. \(10 - 15\,\rm{V}\)) hinter einem mechanischen Schalter eine Parallelschaltung aufbaut. In einen Zweig der Schaltung wird eine Spule mit sehr großer Induktivität (z.B. \(L=500\,\rm{H}\) geschaltet. Im anderen Zweig der Schaltung befindet sich nur eine Widerstandskaskade, mit der der Widerstand im Bereich von ca. \(100-3000\,\Omega\) einfach variiert werden kann. Alternativ können hier auch einfach verschiedene Steckwiderstände genutzt werden.

Achtung: Die an der Spule induzierte Spannung sollte aufgrund ihrer Stärke nicht direkt gemessen werden, da die auftretende Spannungsspitze den Sensor zerstören kann. Die Registrierung des Verlaufs der an der Spule induzierten Spannung ist durch den Anschluss des Spannungsmessgerätes an die zur Spule hoher Induktivität gekoppelte kleine Spule mit wenig Windungen möglich (vgl. Abb. 3). 

Mit Hilfe der Messwerterfassungssoftware wird ein \(t\text{-}U\)-Diagramm erstellt. Dazu sollte in der Messwerterfassungssoftware eine hohe Datenerfassungsrate von \(200\,\rm{Hz}\) oder mehr eingestellt werden.

Versuchsdurchführung

Bei offenem Stromkreis schaltest du zunächst das Netzgerät ein und stellst eine Spannung von 10-15 V ein. Anschließend startest du die Messwerterfassung in der Software und schließt den Schalter.

Sobald die Induktionsspannung des Einschaltvorgangs im \(t\text{-}U\)-Diagramm  wieder auf Null abgefallen ist, öffnest du den Schalter wieder. Ist die Induktionsspannung wieder Null, kannst du die Messung stoppen.

Anschließend wiederholst du die Messung mit einem anderen Widerstand im zweiten Zweig (z.B. \(500\,\Omega\) und \(1500\,\Omega\)). 

Beobachtung und Auswertung

Joachim Herz Stiftung
Abb. 4 Verlauf der Induktionsspannung an der Spule beim Ein- und Ausschalten

Das \(t\text{-}U\)-Diagramm der Messwerterfassung in Abb. 4 zeigt,  dass beim Einschalten entsprechend der Regel von Lenz zunächst eine negative Induktionsspannung registriert wird, die langsam und relativ konstant über ca. 2 Sekunden auf Null absinkt. Diese Beobachtung stimmt mit der Beobachtung eines langsam, aber relativ konstant ansteigenden Stromes aus dem vorherigen Teilversuch überein.

Beim Ausschalten entsteht eine sog. Spannungspitze. Die Spannungsspitze der Induktionsspannung ist dabei um so größer, je größer der Widerstand im Parallelzweig ist (vgl. Abb. 4). Weiter fällt die Spannungsspitze um so schneller ab, je größer der Widerstand im Parallelzweig ist. 

Gefahr der Spannungsspitzen beim Ausschalten

Die Spannungsspitze übertrifft bei einer Spule mit hoher Induktivität den Wert der von außen angelegten Betriebsspannung deutlich. Dies kann zu Schäden an entsprechenden Elektrogeräten führen und macht entsprechende Schutzmechanismen und Schaltungen nötig. Im Experiment musste daher die Induktionsspannung über eine innenliegende, gekoppelte Spule mit geringer Windungszahl gemessen werden, um den Spannungssensor zu schützen.

Alternativer Aufbau mit x-y-Schreiber

Die Versuche können anstatt mit einem digitalen Messwerterfassungsprogramm auch mithilfe eines klassischen x-y-Schreibers anschaulich ausgewertet werden.

Auch hier wird bei der Aufnahme des zeitlichen Verlaufs der Induktionsspannung an der Spule der x-y-Schreiber an die kleine, innenliegende Spule mit wenig Windungen angeschlossen, die mit der Spule mit hoher Induktivität gekoppelt ist. Nur so bleibt die Spannungsspitze beim Ausschalten im Messbereich. Zusätzlich können wie in der Schaltskizze (vgl. Abb. 5) auch in beide Parallelzweige noch Strommessgeräte geschaltet werden.

Bei der Aufnahme des zeitlichen Verlaufs des Stroms durch die Spule wird der x-y-Schreiber parallel zum Strommessgerät im Spulenzweig geschaltet (vgl. Abb. 5).