Ing: GdE: Die Spule als Energiespeicher

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Inhaltsverzeichnis

1 Im Magnetfeld steckt Energie
2 Fremdinduktion
3 Selbstinduktion
4 Die Spule mit mehreren Windungen
5 Formeln zur Spule
6 Vergleich mit einem Druckluftsystem
7 Verweise

[Bearbeiten] 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, das Eisenstück anzuheben und 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 und aus dem Magnetfeld herauszuziehen. Dabei wird die Energie des Magnetfeldes stärker.

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

[Bearbeiten] Fremdinduktion

Wenn wir eine Leiterschleife haben, und einen Magneten an die Leiterschleife heranführen, dann wird in der Leiterschleife eine Spannung induziert. Wenn die Leiterschleife mehrfach aufgewickelt ist, dann wird das Vielfache der Spannung induziert. Die Spannung ist umso größer, desto stärker der Magnet ist, desto schneller der Magnet bewegt wird.

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

Dabei ist:

$U\,$ : Die induzierte Spannung

$\Phi\,$ : Der magnetische Fluß

$n\,$ : Dia Anzahl der Windungen

$t\,$ : Die Zeit

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

[Bearbeiten] Selbstinduktion

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

In diesem Magnetfeld steckt Energie. Diese kommt 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.

Es entsteht über eine kurze Zeit ein Spannungsimpuls. Dieser wird in Voltsekunden Vs angegeben. Die Größe dieses Impulses ist abhängig von dem vorher geflossenem Strom und von dem Platz, den das Magnetfeld gehabt hatte. Innerhalb einer winzig kleinen Leiterschleife hat nur ein winzig kleines Magnetfeld Platz.

Die Selbstinduktion ist also proportional zur Fläche der Leiterschleife

[Bearbeiten] Die Spule 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 der das Magnetfeld der ersten der zweiten und aller anderen Windungen sich addieren.

Weil sich die in jede einzelne Leiterschleife induzierten Spannungen addieren.

Die Selbstinduktion ist also proportional zum Quadrat der Windungszahl.

[Bearbeiten] Formeln zur Spule

Die Energie im Magnetfeld der Spule:

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

[Bearbeiten] Vergleich mit einem Druckluftsystem

Stellen wird uns eine Turbine vor, die durch die hindurchströmende Luft angetrieben wird. Die Turbine wird Energie aufnehmen und in der Drehbewegung speichern. Wenn die Strömung nachlässt, dann soll die Turbine als Pumpe arbeiten und versuchen den Luftstrom aufrecht zu halten. Dabei wird ein Druck aufgebaut. So ähnlich erzeugt eine Spule Spannung, wenn der elektrische Strom vermindert wird.