Informations- und Kommunikationstechnik

Selbstinduktion einer Spule

Fließt elektrischer Strom durch eine Spule, so entsteht um jede Leiterwindung ein magnetischer Fluss und die Spule baut ein Magnetfeld auf. Ändert sich der Strom, so ändert sich proportional dazu der magnetische Fluss. Ebenso wie durch magnetische Fremderregung an den Spulenenden eine Induktionsspannung erzeugt wird, so reagiert sie auch auf ihr eigenes sich änderndes Magnetfeld. In der Spule wird eine Spannung, die Selbstinduktionsspannung induziert. Die Spule wird zur Spannungsquelle.

Per Schaltungssimulation wurde ein sich ändernder Strom in eine Spule mit ohmschem Drahtwiderstand eingespeist. Das Ausgangsdiagramm zeigt die an der Spule messbare Induktionsspannung. Ist die Stromänderung im Zeitintervall positiv und größer null, so nehmen die Magnetflussänderung und die Induktionsspannung an der Spule ebenfalls zu. Die Energie zum Aufbau des Magnetfeldes entnimmt die Spule dem Stromkreis.

Selbstinduktion durch Fremderregung

Die Selbstinduktionsspannung ist positiv und der Spannungspfeil entspricht der Strompfeilrichtung. Am Spulenanfang ist das Potenzial positiver als am Spulenende, somit ist die Spannung an der Spule entgegengerichtet zur Generatorspannung, die den Strom zur Magnetfelderänderung treibt. Die Polarität der Spannung uL hat den eingezeichneten Gegenstrom zur Folge. Die Stromänderung und der damit verbundene Magnetfeldaufbau erfolgen verzögert.

Liegt Gleichspannung an der Spule an, dann gehen nach vollständigem Aufbau des Magnetfelds die Stromänderungen und die damit verbundenen Magnetflussänderungen in gleichen Zeitintervallen gegen null. Im statischen Magnetfeld generiert die Spule keine Selbstinduktionsspannung. Der dann im Stromkreis fließende konstante Strom ist nach dem ohmschen Gesetz nur noch von der Generatorspannung und dem Drahtwiderstand der Spule abhängig. An der Spule als ideale Induktivität wäre keine Spannung mehr messbar.

Selbstinduktion bei Magnetfeldabbau

Bei aufgebautem Magnetfeld der Spule soll der Erregerstrom abnehmen. Die Stromänderung im Zeitintervall ist dann negativ und kleiner null. Die resultierende Magnetflussänderung und die Induktionsspannung sind ebenfalls kleiner null und wechseln ihre Polarität. Die zuvor gespeicherte Energie des Magnetfelds wird frei. Die Spannung an der Spule ändert ihre Polarität, da das Potenzial am Spulenanfang niedriger als am Spulenende ist. Der Spannungspfeil wechselt die Richtung und die Spule wird zur Spannungsquelle, die bestrebt ist, dem abnehmenden Erregerstrom entgegen zu wirken. Die dazu notwendige Energie liefert das zuvor größere Magnetfeld.

Wird an einer Spule mit bestehendem Magnetfeld der Erregerstrom oder die Spannungsquelle abgeschaltet, dann wirkt die Spule als Generator. Sie ist bestrebt auf Kosten ihres Magnetfelds der Stromänderung entgegen zu wirken, und den zuvor bestehenden Stromfluss aufrechtzuerhalten. Die Induktionsspannung ist bei abnehmender Magnetflussänderung dem Spulenstrom entgegengerichtet. Die Polarität der Selbstinduktionsspannung ist negativ.

Beim Magnetfeldaufbau ist die Selbstinduktionsspannung positiv.   uL = L · (+di / dt )
Beim Magnetfeldabbau ist die Selbstinduktionsspannung negativ.   uL = L · (−di / dt )