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VersuchsbeschreibungVersuchsaufbau
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Der Funktionsgenerator liefert uns eine Rechteckspannung mit gleichbleibender Frequenz (Ein- und Ausschalten einer Gleichspannungsquelle in gleichen zeitlichen Abständen). Die Diode kann wahlweise als Freilaufdiode hinzugeschaltet werden. (näheres hier)
Der parallele hochohmige Widerstand wird benötigt damit keine Überspannung entstehen kann und nach dem AUSschalten noch ein Strom fließen kann.
Die erste Spule ist unser Betrachtungsobjekt von der wir unsere Daten haben wollen. Die zweite Spule wird nur aus Messtechnischen Gründen benötigt. Da man die Selbstinduktionsspannung selber nie messen kann, setzen wir die zweite Spule auf der erste und schließen den Magnetfluß mit einem Eisenkern (Trafo). Nun bekommen wir in der Sekundärspule eine Spannung erzeugt, die der Selbstinduktionsspannung unserer Primärspule entspricht. (Sekundärspule darf nicht belastet werden, kein Stromfluß)
Um die Strom- und Spannungskurven betrachten zu können, verwenden wir ein ZweiKanal-Oszilloskop. An der Stelle des Strommessers schalten wir einen 1 Ohm Wiederstand, so fällt an ihm im Verhältnis 1:1 eine Spannung zum fließenden Strom ab. Diese Spannung legen wir an einem Kanal des Oszis und am anderen Kanal legen wir die Sekundärspule (Selbstinduktionsspannung) an. (Oszi hat ein sehr hohen Innenwiederstand)
Nun bekommen wir zwei Kurven dargestellt die nach der richtigen Zeit- und Spannungseinstellung so aussieht:
Nun sehen wir das für den langsamen Stromanstieg beim EINschalten die Selbstinduktionsspannung verantwortlich ist. Sie ist am Anfang groß und negativ, sie wirkt also ihrer Ursache, den positiven Stromanstieg, entgegen. Je mehr Zeit verstreicht und am Stromfluß keine Änderung erfolgt, desto kleiner wird sie. Die Selbstinduktionsspannung sinkt auf 0 ab und der Stromfluß stellt sich nur nach der Eingangsspannung ein.
Theoretisch wird der Wert 0 für die Selbstinduktionsspannung allerdings nie erreicht und der Strom steigt ständig an.
Beim AUSschalten wird die Selbstinduktionsspannung positiv, da der Stromfluß abfällt. Am Anfang ist sie aufgrund der starken Stromänderung wieder sehr hoch und fällt mit der Zeit ab.
Könnte sich diese Spannung nicht durch den parallel geschalteten Widerstand entladen käme es zu einer beträchtlichen Überspannung. Schaltet man aber die Freilaufdiode hinzu, sieht man das die Spannung nach dem AUSschalten sofort auf Null sinkt.
Im nachfolgendem Diagramm werden alle wichtigen Werte einer Spule zusammen dargestellt:
Die Abschaltung eines induktiven Stromes kann zu erheblichen induzierten Spannungen (Überspannung) führen. Wird im Versuchsaufbau der hochohmige Wiederstand weggelassen und bildet man im Augenblick des Abschaltens die Summe der Spannungen, erkennt man, daß die hohe induzierte Spannung praktisch nur über den Funktionsgenerator, oder Schalter, (Ampere-Meter hat sehr kleinen Wiederstand) abfallen kann. Dies kann zum Durchschlag im Funktionsgenerator, oder zu einem Lichtbogen im Schalter führen und damit die Zerstörung der Baugruppen zur Folge haben..
Die Zerstörung kann auch über eine Energiebetrachtung erklärt werde: Das magnetische Feld enthält Energie. Diese wird im Augenblick des Abschaltens erzwungenermaßen aus der Induktivität entfernt. Diese Energie wird im Schalter in Wärme umgesetzt und führt damit zu seiner Zerstörung. Abhilfe schafft man durch ein RC-Glied über den Schalter (Funktionsgenerator) oder das Zuschalten der Freilaufdiode parallel zu Induktivität. Der Kondensator des RC-Gliedes ist in diesem Versuchsaufbau aufgrund der Oszilloskopanzeige weggelassen worden.