Induktion (Wirbelstrom Selbstinduktion)

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Induktion Es gibt die Induktion der Bewegung und die Induktion der Ruhe. In diesem Zusammenhang gibt es auch den Effekt der Wirbelströme und die Selbstinduktion.
Die Vorgänge in elektrischen Leitern und Magnetfeldern wird hier im einzelnen erklärt.

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Bewegung

Themenkreis

Induktion der Bewegung (Generatorprinzip)

Die Induktion der Bewegung ist ein Vorgang, bei dem durch Bewegung eines Leiters in einem Magnetfeld eine Spannung erzeugt wird. Dieses Prinzip wird auch in einem Generator angewendet, bei dem durch das Drehen eines Rotors in einem Magnetfeld eine Wechselspannung erzeugt wird. Deshalb wird diese Art der Induktion auch Generatorprinzip genannt.
Die Induktion der Bewegung beruht auf der Tatsache, dass in einem Magnetfeld auf bewegte Ladungen eine Kraft ausgeübt wird (stromdurchflossener Leiter). Wird dieser Leiter bewegt, egal ob durch das Magnetfeld oder durch Bewegung, werden die im Leiter befindlichen Elektronen bewegt. Diese Elektronen bauen dann ein Magnetfeld auf. Dieses Magnetfeld wird vom Magnetfeld des Magnets überlagert. Es kommt zur Ablenkung des Leiters durch Elektronenmangel und Elektronenüberschuss im Magnetfeld. Diese Unterschiedlichen Ladungen ergeben eine Spannung. Die Richtung dieser Spannung hängt von der Bewegungsrichtung und der Magnetfeldrichtung ab.

Induktion der Ruhe (Transformatorprinzip)

Die Induktion der Ruhe ist ein Vorgang, bei der Spule (Leiter) und Magnetfeld an ihren Positionen unverändert bleiben. Stattdessen wird im Magnetfeld der magnetische Fluss Φ (Phi) verändert. Diese Flussänderung erzeugt eine Spannung. Man spricht davon, dass sich in dieser Spule der magnetische Fluss ändert und dadurch eine Spannung in der Spule induziert (erzeugt, hinzugefügt) wird. Der magnetische Fluss wird in der Regel durch eine Änderung einer Wechselspannung verändert. Die Frequenz der Wechselspannung bleibt dafür gleich.
Das Prinzip der Induktion der Ruhe wird Transformatorprinzip genannt.

Wirbelstrom / Wirbelströme

Bei der Induktion der Bewegung entstehen Spannungen und damit auch Ströme, die scheinbar ungeordnet verlaufen. Diese Ströme erzeugen Magnetfelder, die der Bewegungsrichtung entgegen wirken und die Bewegung bremsen. Diese Ströme werden Wirbelströme genannt.
Dieser Effekt wird für die Wirbelstrombremse in Induktionszählern und zur Wirbelstromdämpfung in Messgeräten verwendet.
Bei der Induktion der Ruhe führt das wechselnde Magnetfeld (Wechselfeld) zu Wirbelströmen im Eisenkern der Spule. Diese Ströme erwärmen das Innere des Eisenkerns. Die Kernoberfläche bleibt von der Erwärmung bei niedrigen Frequenzen unberührt. Aus diesem Grund werden in der Energietechnik keine Eisenkerne, sondern dünne isolierte Bleichteile gestapelt und zusätzlich zur Erhöhung des elektrischen Widerstandes mit Silizium legiert. Der hohe elektrische Widerstand setzt sich dem Wirbelstromfluss entgegen.
In der Hochfrequenztechnik werden Massekerne verwendet. Diese bestehen aus Eisenpulver, das sich in einem Isoliermaterial befindet. Gerne werden auch Ferritkerne verwendet, deren Widerstand so groß ist, dass keine Wirbelströme entstehen können.

Selbstinduktion

Der Begriff der Selbstinduktion kommt im Zusammenhang mit Spulen und Relais vor. Wird der durch eine Spule fließende Strom abgeschaltet, baut sich das Magnetfeld im Eisenkern ab. Wenn diese Energie in Form eines Stroms nicht abfließen kann, dann entsteht kurzzeitig eine viel höhere Spannung als vorher an der Spule angelegt war. Diese Spannung wird Selbstinduktionsspannung genannt. Der Effekt der kurzzeitigen Spannungserhöhung durch die Stromkreisunterbrechung nennt man Selbstinduktion. Die Selbstinduktionsspannung wirkt immer der Änderung des elektrischen Stroms entgegen.
Die Selbstinduktionsspannung hat verheerende Folgen für die anderen Bauteile im Stromkreis der Spule. Zum Beispiel Transistoren, die Relais schalten werden durch die Selbstinduktionsspannung zerstört. Um den Transistor zu schützen, wird eine Diode parallel zur Relaisspule in Sperrrichtung geschaltet. Die Diode wird als Freilaufdiode (Schalten induktiver Lasten) bezeichnet.

Die Selbstinduktionsspannung ist abhängig von:

  • Induktivität L der Spule
  • Stromänderung ΔI
  • Dauer/Zeit Δt der Stromänderung

Es gilt die Formel:
Henry H (Vs/A)

Die Selbstinduktionsspannung ist umso größer, je größer die Induktivität L ist, je größer die Stromänderung I ist und je kleiner die Zeit t ist, in der sich der Strom ändert.
Die Induktivität der Spule wird unter anderem durch deren Windungsanzahl beeinflusst. Bei Spulen mit großer Windungszahl und hohen Stromdurchfluss, der in kurzer Zeit abgeschaltet (reduziert) wird, wird eine sehr große Spannung induziert. Diese macht sich durch einen Lichtbogen an Schaltkontakten und Durchschlagen der Spulenisolierung bemerkbar. In der Regel geht dabei die Spule oder auch ein verwendetes Relais kaputt. Halbleiterbauelemente, die sich im gleichen Stromkreis befinden, können dabei auch in Mitleidenschaft gezogen werden.
Spannungs- und Stromänderungen in Wechselstromkreisen führen nicht zur Zerstörung von Bauteilen. Die Spannungsänderung erfolgt dort so langsam und gleichmäßig, dass die Selbstinduktionsspannung kleiner ausfällt, aber den Spannungsverlauf an der Spule beeinflusst.
Obwohl die Selbstinduktion Bauteile zerstören kann, macht man sich die extrem hohen Spannungen anderweitig zu nutze. Zum Beispiel in Drosselspulen (Starter) der Leuchtstofflampen zum Zünden des Gases. Oder zur Zündung im Auto oder ganz banal im Elektro-Feuerzeug.

Der so genannte Sperrwandler, der oft dazu eingesetzt wird, bei relativ kleinen Leistungen eine höhere Gleichspannung aus einer niedrigeren Gleichspannung zu erzeugen, ist ein praktisches Beispiel für die Anwendung von Selbstinduktion. Ein solches Beispiel bietet der Elektronik-Minikurs von Thomas Schaerer mit dem Titel 48 VDC Phantom-Speisung für Kondensatormikrofone.

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