Ing: GdE: Die Spule als Energiespeicher

Im Magnetfeld steckt Energie

In Magnetfeldern steckt Energie. Wenn ein Stück Eisen durch einen Magneten angezogen wird, dann ist der Magnet (das Magnetfeld) in der Lage, die Reibungskraft des Eisenstücks zu überwinden und es an sich heranzuziehen.

Dabei wird die Energie des Magnetfeldes schwächer. Magnetische Energie aus dem Magnetfeld wird in Bewegungsenergie umgewandelt.

Umgekehrt muss man Energie aufwenden, um das Eisenstück wieder vom Magneten weg und aus dem Magnetfeld herauszuziehen. Dabei wird die Energie des Magnetfeldes stärker.

Die Energie des Magnetfeldes befindet sich im Raum um den Magneten in den "Magnetlinien". Je dichter und je länger diese Magnetlinien sind, desto mehr Energie ist in dem Magnetfeld.

Fremdinduktion

Wenn wir einen Magneten an eine Leiterschleife heranführen, dann wird in dieser Schleife eine Spannung induziert. Wenn die Leiterschleife mehrfach aufgewickelt ist, also eine Spule bildet, dann wird dieses Mahrfache der Spannung induziert. Die Spannung ist umso größer, je stärker der Magnet ist und je schneller er bewegt wird.

$U={\frac {\Phi \cdot n}{t}}$

Dabei ist:

$U\,$: Die induzierte Spannung

$\Phi \,$: Der magnetische Fluß

$n\,$: Die Anzahl der Windungen

$t\,$: Die Zeit

${\frac {\Phi }{t}}$: Die Geschwindigkeit der Änderung des magnetischen Flusses

Selbstinduktion

Um einen stromdurchflossenen Leiter bildet sich ein Magnetfeld. Dieses ist zum Strom proportional.

In diesem Magnetfeld steckt Energie aus der Stromversorgung. Erst wenn das Magnetfeld aufgebaut ist, kann Strom in einem Leiter fließen. Und dadurch, dass Strom im Leiter fließt, entsteht das Magnetfeld um den stromdurchflossenen Leiter.

Wenn das Magnetfeld erst einmal aufgebaut ist, kann der Strom erst wieder abgeschaltet werden, wenn die Energie aus dem Magnetfeld abgebaut ist. Wenn der Strom sinken will (weil sich der äußere Widerstand erhöht),

Dabei wird in der stromdurchflossen Leiterschleife eine Spannung induziert, die den Stromfluß aufrechterhalten will. Die Spannung an den Enden überhöht sich. Die überhöhte Spannung sorgt dafür, dass die Energie aus dem Magnetfeld herausfließen kann, - in die Spannungsquelle hinein durch den Widerstand des sich öffnenden Schalters.

Für kurze Zeit entsteht ein Spannungsimpuls. Dieser wird in Voltsekunden Vs angegeben. Die Größe dieses Impulses ist abhängig vom vorher geflossenem Strom und der Fläche, die das Magnetfeld umschlossen hatte.

Die Selbstinduktion ist proportional zur Fläche der Leiterschleife.

Spulen mit mehreren Windungen

Wenn die Leiterschleife nicht nur einfach ausgeführt ist, sondern mehrfach (Anzahl der Windungen = n) gewickelt ist, dann verstärkt dich der Selbstinduktionseffekt auf doppelte Weise:

• Weil sich die Magnetfelder aller Windungen addieren.

• Weil sich die in jeder einzelnen Leiterschleife induzierten Spannungen addieren.

Die Selbstinduktion ist also proportional zum Quadrat der Windungszahl.

Formeln zur Spule

Die Energie im Magnetfeld der Spule:

$W=L\cdot {\frac {I^{2}}{2}}$, mit der Dimension: $\mathrm {(Vs/A)\cdot (A^{2})=Ws}$

Vergleich mit einem Druckluftsystem

Stellen wird uns eine Turbine mit einem Schwungrad vor, die durch die hindurchströmende Luft angetrieben wird. Die Turbine wird Energie aufnehmen und in der Drehbewegung speichern. Wenn die Strömung nachlässt, arbeitet die Turbine als Pumpe und versucht, den Luftstrom aufrechtzuerhalten. Dabei wird ein Druck aufgebaut. In er Weise ähnlich erzeugt eine Spule Spannung, wenn der elektrische Strom vermindert wird.

Verweise

•  Induktivität
•  Induktion (Elektrotechnik)
•  Magnetfluss
• Der elektrische Strom – Eigenschaften und Wirkungen: Teil I; mathematisch erklärt

 

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