Magnetfelder und Induktivität

Wenn Elektronen durch einen Leiter fließen, entwickelt sich um diesen Leiter herum ein Magnetfeld. Dieser Effekt wird als Elektromagnetismus bezeichnet .

Magnetfelder beeinflussen die Ausrichtung von Elektronen in einem Atom und können dazu führen, dass sich physikalische Kräfte zwischen Atomen über den Raum hinweg entwickeln, genauso wie elektrische Felder, die Kräfte zwischen elektrisch geladenen Teilchen entwickeln. Wie elektrische Felder können magnetische Felder völlig leeren Raum einnehmen und Materie aus der Ferne beeinflussen.

Feldstärke und Feldfluss

Felder haben zwei Maße:ein Feld force und ein Feld Fluss . Das Feld force ist der „Schub“, den ein Feld über eine bestimmte Distanz ausübt. Das Feld Fluss ist die Gesamtmenge oder Wirkung des Feldes durch den Raum. Feldstärke und -fluss sind ungefähr analog zu Spannung („Push“) bzw. Strom (Flow) durch einen Leiter, obwohl Feldfluss im völlig leeren Raum (ohne Bewegung von Teilchen wie Elektronen) existieren kann, während Strom nur stattfinden kann wo sich freie Elektronen bewegen können.

Dem Feldfluss kann im Raum entgegengewirkt werden, ebenso wie dem Elektronenfluss ein Widerstand entgegengesetzt werden kann. Der Betrag des Feldflusses, der sich im Raum entwickelt, ist proportional zum Betrag der angelegten Feldkraft, geteilt durch den Betrag des Widerstands gegen den Fluss. So wie die Art des leitenden Materials den spezifischen Widerstand des Leiters gegenüber elektrischem Strom bestimmt, bestimmt die Art des Materials, das den Raum einnimmt, durch den eine magnetische Feldkraft ausgeübt wird, den spezifischen Widerstand gegen den magnetischen Feldfluss.

Während ein elektrischer Feldfluss zwischen zwei Leitern eine Ansammlung freier Elektronenladung innerhalb dieser Leiter ermöglicht, ermöglicht ein magnetischer Feldfluss eine gewisse „Trägheit“ im Elektronenfluss durch den das Feld erzeugenden Leiter.

Stärkere Magnetfelder mit Induktivitäten

Induktivitäten sind Komponenten, die entwickelt wurden, um dieses Phänomen zu nutzen, indem die Länge des leitfähigen Drahts in Form einer Spule geformt wird. Diese Form erzeugt ein stärkeres Magnetfeld als das, was von einem geraden Draht erzeugt würde. Einige Induktoren bestehen aus Draht, der in einer selbsttragenden Spule gewickelt ist.

Andere wickeln den Draht um ein festes Kernmaterial irgendeiner Art. Manchmal ist der Kern eines Induktors gerade, und manchmal wird er zu einer Schleife (quadratisch, rechteckig oder kreisförmig) verbunden, um den magnetischen Fluss vollständig einzudämmen. Diese Designoptionen wirken sich alle auf die Leistung und die Eigenschaften von Induktivitäten aus.

Das schematische Symbol für einen Induktor, wie den Kondensator, ist ziemlich einfach und ist wenig mehr als ein Spulensymbol, das den gewickelten Draht darstellt. Obwohl eine einfache Spulenform das allgemeine Symbol für jeden Induktor ist, unterscheiden sich Induktoren mit Kernen manchmal durch das Hinzufügen paralleler Linien zur Achse der Spule. Eine neuere Version des Induktorsymbols verzichtet zugunsten mehrerer „Höcker“ hintereinander auf die Spulenform:

Da der elektrische Strom ein konzentriertes Magnetfeld um die Spule herum erzeugt, entspricht dieser Feldfluss einer Energiespeicherung, die die kinetische Bewegung der Elektronen durch die Spule repräsentiert. Je mehr Strom in der Spule fließt, desto stärker ist das Magnetfeld und desto mehr Energie speichert der Induktor.

Da Induktoren die kinetische Energie sich bewegender Elektronen in Form eines Magnetfelds speichern, verhalten sie sich in einem Stromkreis ganz anders als Widerstände (die einfach Energie in Form von Wärme abführen). Die Energiespeicherung in einem Induktor ist eine Funktion der durch ihn fließenden Strommenge.

Die Fähigkeit einer Induktivität, Energie als Funktion des Stroms zu speichern, führt dazu, dass versucht wird, den Strom auf einem konstanten Niveau zu halten. Mit anderen Worten, Induktoren neigen dazu, Änderungen zu widerstehen im Strom. Wenn der Strom durch einen Induktor erhöht oder verringert wird, "widersteht" der Induktor der Änderung durch Erzeugung einer Spannung zwischen seinen Leitungen in entgegengesetzter Polarität zur Änderung .

Um mehr Energie in einer Induktivität zu speichern, muss der Strom durch sie erhöht werden. Das bedeutet, dass sein Magnetfeld an Stärke zunehmen muss und eine Änderung der Feldstärke die entsprechende Spannung nach dem Prinzip der elektromagnetischen Selbstinduktion erzeugt.

Um umgekehrt Energie aus einem Induktor freizusetzen, muss der Strom durch ihn verringert werden. Dies bedeutet, dass die Stärke des Magnetfelds des Induktors abnehmen muss und diese Änderung der Feldstärke selbst einen Spannungsabfall mit genau entgegengesetzter Polarität induziert.

Hypothetisch wird ein kurzgeschlossener Induktor ohne externe Hilfe eine konstante Stromrate durch ihn aufrechterhalten:

Praktisch gesehen wird die Fähigkeit eines Induktors, Strom selbst zu erhalten, jedoch nur mit supraleitendem Draht realisiert, da der Drahtwiderstand in jedem normalen Induktor ausreicht, um den Strom ohne externe Stromquelle sehr schnell abklingen zu lassen.

Wenn der Strom durch eine Induktivität erhöht wird, fällt eine Spannung entgegen der Stromflussrichtung ab und wirkt als Leistungslast. In diesem Zustand wird der Induktor aufladen genannt , da in seinem Magnetfeld immer mehr Energie gespeichert wird. Beachten Sie die Polarität der Spannung in Bezug auf die Stromrichtung:

Umgekehrt, wenn der Strom durch den Induktor verringert wird, fällt eine Spannung ab, die die Richtung des Stromflusses unterstützt und als Stromquelle wirkt. In diesem Zustand wird der Induktor als entladen bezeichnet , da sein Energiespeicher abnimmt, da er Energie aus seinem Magnetfeld an den Rest des Stromkreises abgibt. Beachten Sie die Polarität der Spannung in Bezug auf die Stromrichtung.

Wenn eine elektrische Stromquelle plötzlich an einen unmagnetisierten Induktor angelegt wird, widersetzt sich der Induktor anfänglich dem Stromfluss, indem er die volle Spannung der Quelle absenkt. Wenn der Strom zuzunehmen beginnt, wird ein immer stärkeres Magnetfeld erzeugt, das Energie von der Quelle absorbiert. Schließlich erreicht der Strom ein Maximum und hört auf zu steigen. An diesem Punkt hört der Induktor auf, Energie von der Quelle zu absorbieren und senkt die minimale Spannung über seine Leitungen, während der Strom auf einem maximalen Niveau bleibt.

Da ein Induktor mehr Energie speichert, erhöht sich sein Strompegel, während sein Spannungsabfall abnimmt. Beachten Sie, dass dies genau das Gegenteil des Kondensatorverhaltens ist, bei dem die Speicherung von Energie zu einer erhöhten Spannung am Bauteil führt! Während Kondensatoren ihre Energieladung speichern, indem sie eine statische Spannung aufrechterhalten, behalten Induktivitäten ihre Energie-„Ladung“ bei, indem sie einen konstanten Strom durch die Spule aufrechterhalten.

Die Art des Materials, um das der Draht gewickelt ist, beeinflusst stark die Stärke des magnetischen Feldflusses (und damit die Menge der gespeicherten Energie), die für jede gegebene Strommenge durch die Spule erzeugt wird. Spulenkerne aus ferromagnetischen Materialien (wie Weicheisen) fördern die Entwicklung stärkerer Feldflüsse bei einer gegebenen Feldstärke als nichtmagnetische Substanzen wie Aluminium oder Luft.

Was ist Induktivität?

Das Maß für die Fähigkeit eines Induktors, Energie für einen bestimmten Stromfluss zu speichern, wird als Induktivität bezeichnet . Es überrascht nicht, dass die Induktivität auch ein Maß für die Intensität des Widerstands gegen Stromänderungen ist (genau wie viel selbstinduzierte Spannung bei einer bestimmten Stromänderungsrate erzeugt wird). Die Induktivität wird symbolisch mit einem großen „L“ bezeichnet und in der Einheit Henry gemessen, die als „H“ abgekürzt wird.

Ersticken vs. Induktor

Ein veralteter Name für einen Induktor ist Choke , so genannt, um hochfrequente Wechselstromsignale in Funkkreisen zu blockieren („drosseln“). Ein anderer Name für einen Induktor, der noch in der Neuzeit verwendet wird, ist Reaktor , insbesondere beim Einsatz in großen Leistungsanwendungen. Beide Namen machen mehr Sinn, wenn Sie die Theorie der Wechselstromschaltungen (AC) studiert haben und insbesondere ein Prinzip, das als induktive Reaktanz bekannt ist .

RÜCKBLICK:

• Induktivitäten reagieren auf Stromänderungen, indem sie die Spannung in der Polarität absenken, die erforderlich ist, um der Änderung entgegenzuwirken.
• Wenn ein Induktor einem steigenden Strom ausgesetzt ist, wirkt er als Last:Er erzeugt Spannung, während er Energie absorbiert (positiv auf der Stromeingangsseite und negativ auf der Stromausgangsseite, wie ein Widerstand).
• Wenn ein Induktor einem abnehmenden Strom ausgesetzt ist, fungiert er als Quelle:Er erzeugt Spannung, indem er gespeicherte Energie freisetzt (negativ auf der Stromeingangsseite und positiv auf der Stromausgangsseite, wie eine Batterie).
• Die Fähigkeit eines Induktors, Energie in Form eines Magnetfelds zu speichern (und folglich Stromänderungen entgegenzuwirken) wird als Induktivität bezeichnet . Es wird in der Einheit Henry . gemessen (H).
• Induktivitäten waren früher allgemein unter einem anderen Begriff bekannt:Drossel . In Hochleistungsanwendungen werden sie manchmal als Reaktoren bezeichnet .

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Induktivitätsarbeitsblatt