Ein Draht ist so aufgewickelt, dass die einzelnen Windungen spiralförmig eng aufeinanderliegen.
Da jeder elektrische Strom ein Magnetfeld hat, verdichten sich somit auch die Magnetfelder der einzelnen Drähte und heraus kommt ein Magnetfeld, das dem eines Stabmagneten ähnelt.
 | |
| JHMünster |
 |
| Experimentierspule, leybold |
Bevor wir verstehen, was eine Spule mit Wechselstrom macht, müssen wir die Induktion kennen lernen:
Elektromagnetische Induktion,
oder:
Wie man Strom erzeugt oder dem Strom das Leben schwer macht...
Immer wenn sich ein Magnetfeld ändert, erzeugt es ein kreisförmiges elektrisches Feld, dass Ladungen kreisförmig in Bewegung setzt.
So stellen wir Strom her! Und so funktioniert der Induktionsherd.
Beim Generator drehen wir eine Spule in einem Magnetfeld. Da scheint sich zwar das Magnetfeld nicht zu ändern, aber die Menge der Feldlinien, die durch die Querschnittsfläche der Spule gehen, variiert durch die Drehung. Und deshalb entsteht in der Spule eine Wechselspannung.
Da jeder elektrische Strom ein eigenes Magnetfeld ist, behindert sich elektrischer Strom oft selbt:
Nehmen wir einen Wechselstrom, der durch eine Spule fließt. Der sich ständig ändernde und sich umpolende Strom erzeugt ein sich ständig änderndes Magnetfeld. Das wiederum muss ein kreisförmiges elektrisches Feld in der Spule erzeugen (man nennt das Selbstinduktion).
Damit der Energieerhaltungssatz gilt, muss dieses elektrische Feld den Strom, der es erzeugt, abschwächen. Sonst hätten wir ein Perpetuum Mobile...
Das gibt der Spule einen Widerstand gegen Wechselstrom.
Und somit haben wir die Ursache für den Wechselstromwiderstand gefunden:
Das sich ändernde Spulenmagnetfeld schwächt den eigenen Strom ab!
Da die Induktionsspannung größer ist, wenn die Änderung des Magnetfeldes schneller erfolgt, wächst der Wechselstromwiderstand Rl der Spule mit der Frequenz.
Es gilt:
Rl = ω * L
Hier bei ist L die Induktivität. Sie gibt an, wie stark die Spule auf Magnetfeldänderungen reagiert. Man kann L auch als die Trägheit des Magnetfeldes auffassen. Je größer L ist, desto träger reagiert das Magnetfeld und desto größer ist der Widerstand der Spule für Wechselstrom.
Erschwerend kommt hinzu, dass die Spule aus Draht besteht und somit dieser Draht einen ganz normalen ohmschen Widerstand besitzt. Den vernachlässigen wir hier.
Für uns ist aber etwas anderes sehr wichtig:
Wenn ich eine Spannung an eine Spule anlege, kommt der Stromfluss wegen der Selbstinduktion (Trägheit des Magnetfeldes: Es mag nicht aufgebaut werden, ist halt träge.....das gibt ihnen etwas menschliches...) nur verzögert zustande.
Eine mathematische Auswertung über Differenzialgleichungen ergibt:
Bei einer Spule hinkt die Stromstärkekurve I(t) der Spannungskurve U(t) um eine Viertel Periode, also um 90° hinterher.
 |
| ETH Zürich |
Noch mal zur Erinnerung:
Bei einem Kondensator läuft I(t) um 90° vor der Spannungskurve und bei einer Spule um 90° nach der Spannungskurve.
Jetzt sind wir bereit, das alles durch komplexe Zahlen zusammenzufassen.
Wer noch etwas vertiefter arbeiten möchte, hier passende Links aus meinem anderen Blog:
Keine Kommentare:
Kommentar veröffentlichen