Selbstinduktion: Definition, Formel, praktische Anwendung

"Selbstinduktion stoppt den Spannungsanstieg in induktiven Stromkreisen." Wenn Ihre Arbeit oder Ihr Hobby mit Strom verbunden ist, haben Sie wahrscheinlich solche Aussagen gehört. Tatsächlich ist dieses Phänomen induktiven Schaltungen inhärent, sowohl explizit, beispielsweise Spulen, als auch implizit, wie parasitäre Parameter des Kabels. In diesem Artikel erklären wir in einfachen Worten, was Selbstinduktion ist und wo sie angewendet wird.

Definition

Selbstinduktion ist das Auftreten einer elektromotorischen Kraft (EMF) in einem Leiter, die bei Stromfluss in die entgegengesetzte Richtung relativ zur Spannung der Stromquelle gerichtet ist. Außerdem tritt es in dem Moment auf, in dem sich der Strom im Stromkreis ändert. Ein sich ändernder elektrischer Strom erzeugt ein sich änderndes Magnetfeld, das wiederum eine EMF im Leiter induziert.

Dies ähnelt der Formulierung des Faradayschen Gesetzes der elektromagnetischen Induktion, das besagt:

Wenn ein magnetischer Fluss durch einen Leiter fließt, entsteht in diesem eine EMK. Sie ist proportional zur Änderungsgeschwindigkeit des magnetischen Flusses (Mat. Zeitableitung).

Also:

E = dФ / dt,

Wobei E die EMF der Selbstinduktion ist, gemessen in Volt, F ist der magnetische Fluss, die Maßeinheit ist Wb (Weber, sie ist auch gleich V / s)

Induktivität

Wir haben bereits gesagt, dass die Selbstinduktion induktiven Schaltungen inhärent ist, daher werden wir das Phänomen der Selbstinduktion am Beispiel einer Induktivität betrachten.

Ein Induktor ist ein Element, das eine isolierte Leiterspule ist. Um die Induktivität zu erhöhen, wird die Windungszahl erhöht oder ein Kern aus weichmagnetischem oder anderem Material in die Spule gelegt.

Die Maßeinheit für die Induktivität ist Henry (H). Die Induktivität gibt an, wie stark ein Leiter einem elektrischen Strom widersteht. Da sich um jeden Leiter, durch den ein Strom fließt, ein Magnetfeld bildet, und wenn Sie einen Leiter in ein Wechselfeld legen, tritt darin ein Strom auf. Die Magnetfelder jeder Windung der Spule addieren sich wiederum. Dann entsteht um die Spule herum ein starkes Magnetfeld, durch das der Strom fließt. Wenn sich ihre Stärke in der Spule ändert, ändert sich auch der magnetische Fluss um sie herum.

Nach dem Faradayschen Gesetz der elektromagnetischen Induktion entsteht, wenn ein magnetischer Wechselfluss die Spule durchdringt, ein Strom und eine EMF der Selbstinduktion. Sie verhindern, dass der Strom in der Induktivität von der Stromversorgung zur Last fließt. Sie werden auch als selbstinduktive EMF-Extraströme bezeichnet.

Die EMF-Formel der Selbstinduktivität auf Induktivität lautet:

Das heißt, je größer die Induktivität ist und je mehr und schneller sich der Strom geändert hat, desto stärker wird der EMF-Stoß sein.

Bei einer Erhöhung des Stroms in der Spule entsteht eine EMF der Selbstinduktion, die gegen die Spannung der Stromquelle gerichtet ist bzw. die Stromerhöhung verlangsamt. Das gleiche passiert beim Abnehmen - Selbstinduktion führt zum Auftreten einer EMF, die den Strom in der Spule in der gleichen Richtung wie zuvor hält. Daraus folgt, dass die Spannung an den Klemmen der Spule der Polarität der Stromversorgung entgegengesetzt ist.

In der Abbildung unten sehen Sie, dass beim Ein- / Ausschalten der Induktionsschaltung der Strom nicht schlagartig ansteigt, sondern sich allmählich ändert. Auch die Kommutierungsgesetze sprechen davon.

Eine andere Definition von Induktivität klingt so: Der magnetische Fluss ist proportional zum Strom, aber in ihrer Formel wirkt die Induktivität als Proportionalitätskoeffizient.

= L * I

Transformator und Gegeninduktion

Wenn Sie beispielsweise zwei Spulen in unmittelbarer Nähe auf einem Kern platzieren, wird das Phänomen der gegenseitigen Induktion beobachtet. Lassen Sie uns einen Wechselstrom durch den ersten leiten, dann durchdringt sein Wechselstrom die Windungen des zweiten und ein EMF erscheint an seinen Ausgängen.

Diese EMF hängt von der Länge des Drahtes bzw. der Anzahl der Windungen sowie von der Größe der magnetischen Permeabilität des Mediums ab. Wenn Sie sie direkt nebeneinander platzieren, ist die EMF gering, und wenn Sie einen Kern aus weichmagnetischem Stahl nehmen, ist die EMF viel höher. Tatsächlich funktioniert der Transformator so.

Interessant: diese gegenseitige Beeinflussung der Spulen aufeinander wird als induktive Kopplung bezeichnet.

Nutzen und Schaden

Wenn Sie den theoretischen Teil verstehen, lohnt es sich zu überlegen, wo das Phänomen der Selbstinduktion in der Praxis angewendet wird. Schauen wir uns Beispiele aus dem Alltag und der Technik an. Eine der nützlichsten Anwendungen ist ein Transformator, das Funktionsprinzip haben wir bereits besprochen. Jetzt sind sie immer seltener zu finden, aber früher wurden Leuchtstoffröhren täglich in Lampen verwendet. Das Prinzip ihrer Arbeit basiert auf dem Phänomen der Selbstinduktion. Sie können ihre Schemata unten sehen.

Nach Anlegen der Spannung fließt der Strom durch den Stromkreis: Phase - Drossel - Spirale - Starter - Spirale - Null.

Oder umgekehrt (Phase und Null). Nach dem Auslösen des Anlassers öffnen seine Kontakte, dann Gaspedal (eine Spule mit einer großen Induktivität) versucht, den Strom in der gleichen Richtung zu halten, induziert eine Selbstinduktions-EMK mit einem großen Wert und die Lampen werden gezündet.

In ähnlicher Weise gilt dieses Phänomen für den Zündkreis eines Autos oder Motorrads, das mit Benzin betrieben wird. In ihnen ist ein mechanischer (Unterbrecher) oder Halbleiterschalter (Transistor in der ECU) in der Lücke zwischen der Induktivität und dem Minus (Masse) installiert. Dieser Schlüssel unterbricht in dem Moment, in dem sich im Zylinder ein Funke bilden muss, um den Kraftstoff zu entzünden, den Stromversorgungskreis der Spule. Dann verursacht die im Kern der Spule gespeicherte Energie eine Erhöhung der EMK der Selbstinduktion und der Spannung über die Elektrode der Kerze steigt, bis die Funkenstrecke durchschlägt oder durchbrennt Spule.

Bei Netzteilen und Audiogeräten ist es oft erforderlich, überschüssige Welligkeit, Rauschen oder Frequenz aus dem Signal zu entfernen. Dazu werden Filter unterschiedlicher Konfiguration verwendet. Eine der Optionen sind LC-, LR-Filter. Indem das Wachstum des Stroms bzw. des Widerstands des Wechselstroms verhindert wird, ist es möglich, die gesetzten Ziele zu erreichen.

Selbstinduktions-EMK-Schäden an Kontakten von Schaltern, Leistungsschaltern, Steckdosen, Leistungsschaltern und anderen Dingen. Sie haben vielleicht bemerkt, dass, wenn Sie den Stecker eines funktionierenden Staubsaugers aus der Steckdose ziehen, sehr oft ein Blitz darin wahrnehmbar ist. Dies ist der Widerstand gegen die Stromänderung in der Spule (in diesem Fall der Motorwicklung).

Bei Halbleiterschaltern ist die Situation kritischer - schon eine kleine Induktivität im Stromkreis kann zu deren Durchschlag führen, wenn die Spitzenwerte von Uke oder Usi erreicht werden. Um sie zu schützen, sind Snubber-Schaltungen installiert, an denen die Energie von induktiven Bursts abgeführt wird.

Abschluss

Fassen wir zusammen. Die Bedingungen für das Auftreten von Selbstinduktions-EMK sind: das Vorhandensein einer Induktivität im Stromkreis und eine Änderung des Stroms in der Last. Dies kann sowohl im Betrieb, bei Betriebsartenwechsel oder Störeinflüssen, als auch beim Umschalten von Geräten auftreten. Dieses Phänomen kann die Kontakte von Relais und Startern beschädigen, da es zu Lichtbogen beim Öffnen induktiver Stromkreise wie Elektromotoren. Um die negativen Auswirkungen zu reduzieren, sind die meisten Schaltgeräte mit Lichtbogenkammern ausgestattet.

Für nützliche Zwecke wird das EMF-Phänomen häufig verwendet, von einem Filter zum Glätten von Stromwelligkeiten und Frequenzfilter in Audiogeräten, bis hin zu Transformatoren und Hochspannungs-Zündspulen in Autos.

Abschließend empfehlen wir Ihnen ein nützliches Video zum Thema anzuschauen, das kurz und ausführlich auf das Phänomen der Selbstinduktion eingeht:

Wir hoffen, Ihnen ist jetzt klar geworden, was Selbstinduktion ist, wie sie sich manifestiert und wo sie eingesetzt werden kann. Wenn Sie Fragen haben, stellen Sie diese in den Kommentaren unter dem Artikel!

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