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Das Funktionsprinzip der Induktivität ist sehr abstrakt. Um zu erklären, was Induktivität ist, gehen wir vom grundlegenden physikalischen Phänomen aus.

1. Zwei Phänomene und ein Gesetz: durch Elektrizität induzierter Magnetismus, durch Magnetismus induzierte Elektrizität und das Lenzsche Gesetz

1.1 Elektromagnetisches Phänomen

In der Oberstufenphysik gibt es ein Experiment: Wenn eine kleine Magnetnadel neben einen stromführenden Leiter gelegt wird, ändert sich die Richtung der kleinen Magnetnadel, was darauf hindeutet, dass um den Strom herum ein Magnetfeld herrscht. Dieses Phänomen wurde 1820 vom dänischen Physiker Oersted entdeckt.

Wenn wir den Leiter zu einem Kreis wickeln, können sich die von jedem Kreis des Leiters erzeugten Magnetfelder überlappen und das Gesamtmagnetfeld wird stärker, was kleine Objekte anziehen kann. In der Abbildung wird die Spule mit einem Strom von 2~3A bestromt. Beachten Sie, dass der Lackdraht eine Nennstrombegrenzung hat, da er sonst aufgrund der hohen Temperatur schmilzt.

2. Magnetoelektrizitätsphänomen

Im Jahr 1831 entdeckte der britische Wissenschaftler Faraday, dass, wenn sich ein Teil des Leiters eines geschlossenen Stromkreises bewegt, um das Magnetfeld zu unterbrechen, auf dem Leiter Elektrizität erzeugt wird. Voraussetzung ist, dass sich der Stromkreis und das Magnetfeld in einer sich relativ verändernden Umgebung befinden, daher spricht man von „dynamischer“ Magnetoelektrizität und der erzeugte Strom wird als induzierter Strom bezeichnet.

Wir können ein Experiment mit einem Motor machen. Bei einem herkömmlichen Gleichstrom-Bürstenmotor ist der Statorteil ein Permanentmagnet und der Rotorteil ein Spulenleiter. Das manuelle Drehen des Rotors bedeutet, dass sich der Leiter bewegt, um die magnetischen Kraftlinien zu durchtrennen. Mit einem Oszilloskop, das die beiden Elektroden des Motors verbindet, kann die Spannungsänderung gemessen werden. Der Generator basiert auf diesem Prinzip.

3. Lenzsches Gesetz

Lenzsches Gesetz: Die Richtung des induzierten Stroms, der durch die Änderung des Magnetflusses erzeugt wird, ist die Richtung, die der Änderung des Magnetflusses entgegenwirkt.

Ein einfaches Verständnis dieses Satzes lautet: Wenn das Magnetfeld (äußeres Magnetfeld) der Umgebung des Leiters stärker wird, ist das durch seinen induzierten Strom erzeugte Magnetfeld dem äußeren Magnetfeld entgegengesetzt, wodurch das gesamte Gesamtmagnetfeld schwächer wird als das äußere Magnetfeld. Wenn das Magnetfeld (äußeres Magnetfeld) der Umgebung des Leiters schwächer wird, ist das durch seinen induzierten Strom erzeugte Magnetfeld dem äußeren Magnetfeld entgegengesetzt, wodurch das gesamte Gesamtmagnetfeld stärker wird als das äußere Magnetfeld.

Mithilfe des Lenzschen Gesetzes kann die Richtung des induzierten Stroms im Stromkreis bestimmt werden.

2. Spiralrohrspule – erklärt, wie Induktoren funktionieren. Mit der Kenntnis der beiden oben genannten Phänomene und eines Gesetzes wollen wir sehen, wie Induktoren funktionieren.

Der einfachste Induktor ist eine Spiralrohrspule:

Situation beim Einschalten

Wir schneiden einen kleinen Abschnitt des Spiralrohrs ab und können zwei Spulen sehen, Spule A und Spule B:

Beim Einschaltvorgang stellt sich die Situation wie folgt dar:

①Spule A durchfließt einen Strom, vorausgesetzt, dass seine Richtung der durch die blaue durchgezogene Linie gezeigten Richtung entspricht, die als externer Erregerstrom bezeichnet wird.
②Gemäß dem Prinzip des Elektromagnetismus erzeugt der externe Erregerstrom ein Magnetfeld, das sich im umgebenden Raum auszubreiten beginnt und Spule B bedeckt, was dem Schneiden der magnetischen Kraftlinien durch Spule B entspricht, wie durch die blaue gepunktete Linie dargestellt;
③Gemäß dem Prinzip der Magnetoelektrizität wird in Spule B ein induzierter Strom erzeugt, dessen Richtung wie durch die grüne durchgezogene Linie dargestellt ist und dem externen Erregerstrom entgegengesetzt ist;
④Gemäß dem Lenzschen Gesetz soll das durch den induzierten Strom erzeugte Magnetfeld dem Magnetfeld des externen Erregerstroms entgegenwirken, wie durch die grüne gepunktete Linie dargestellt;

Die Situation nach dem Einschalten ist stabil (DC)

Nachdem das Einschalten stabil ist, ist der externe Erregerstrom der Spule A konstant und das von ihr erzeugte Magnetfeld ist ebenfalls konstant. Das Magnetfeld hat keine Relativbewegung zur Spule B, daher gibt es keine Magnetoelektrizität und es gibt keinen Strom, der durch die grüne durchgezogene Linie dargestellt wird. Zu diesem Zeitpunkt entspricht die Induktivität einem Kurzschluss zur externen Erregung.

3. Eigenschaften der Induktivität: Der Strom kann sich nicht plötzlich ändern

Nachdem ich verstanden habe, wie einInduktorWenn es funktioniert, schauen wir uns seine wichtigste Eigenschaft an: Der Strom im Induktor kann sich nicht plötzlich ändern.

In der Abbildung ist die horizontale Achse der rechten Kurve die Zeit und die vertikale Achse der Strom durch die Induktivität. Als Ursprung der Zeit wird der Moment des Schließens des Schalters genommen.

Es ist zu erkennen, dass:1. In dem Moment, in dem der Schalter geschlossen ist, beträgt der Strom durch die Induktivität 0 A, was einem Leerlauf der Induktivität entspricht. Dies liegt daran, dass sich der Momentanstrom stark ändert, wodurch ein großer induzierter Strom (grün) erzeugt wird, der dem externen Erregerstrom (blau) Widerstand leistet.

2. Beim Erreichen eines stationären Zustands ändert sich der Strom am Induktor exponentiell;

3. Nach Erreichen eines stabilen Zustands beträgt der Strom am Induktor I=E/R, was einem Kurzschluss des Induktors entspricht;

4. Dem induzierten Strom entspricht die induzierte elektromotorische Kraft, die E entgegenwirkt, daher wird sie Gegen-EMF (gegenelektromotorische Kraft) genannt.

4. Was genau ist Induktivität?

Mit Induktivität wird die Fähigkeit eines Geräts beschrieben, Stromänderungen zu widerstehen. Je stärker die Fähigkeit ist, Stromänderungen zu widerstehen, desto größer ist die Induktivität und umgekehrt.

Bei Gleichstromerregung befindet sich die Induktivität letztendlich im Kurzschlusszustand (Spannung ist 0). Während des Einschaltvorgangs sind Spannung und Strom jedoch nicht 0, was bedeutet, dass Strom vorhanden ist. Der Vorgang der Akkumulation dieser Energie wird als Aufladen bezeichnet. Es speichert diese Energie in Form eines Magnetfelds und gibt bei Bedarf Energie ab (z. B. wenn externe Erregung die Stromgröße nicht im Gleichgewicht halten kann).

Induktoren sind Trägheitsgeräte im elektromagnetischen Feld. Trägheitsgeräte mögen keine Veränderungen, genau wie Schwungräder in der Dynamik. Es ist anfangs schwierig, sie zu drehen, und wenn sie erst einmal angefangen haben, ist es schwierig, sie wieder zu stoppen. Der gesamte Prozess wird von einer Energieumwandlung begleitet.

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