Selbstinduktion

Induktion wirkt auch auf den eigenen Stromkreis. Ändert sich der Strom durch eine Spule, ändert sich ihr eigenes Magnetfeld, und das induziert in ihr selbst eine Gegenspannung: Selbstinduktion. Die Folgen sind messbar: Der Strom baut sich beim Einschalten nur allmählich auf (Zeitkonstante $\tau = L/R$), beim Abschalten treibt die zusammenbrechende Feldenergie einen Spannungsstoß, und an Wechselspannung wird die permanente Gegenwirkung zur Reaktanz $X_L = 2\pi f L$.

Die Selbstinduktion macht die Spule zum Gegenspieler des Kondensators und komplettiert damit das Bauteiltrio der Wechselstromtechnik: Filter, Schwingkreise, Drosseln, Zündspulen und Schaltnetzteile beruhen auf ihr. Und sie hat eine handfeste Gefahrenseite. Der Abschalt-Spannungsstoß zerstört ungeschützte Schalter und Elektronik; wer ihn einmal als Glimmlampen-Blitz gesehen hat, versteht Freilaufdioden.

Joseph Henry beobachtete die Selbstinduktion 1832 an Funken beim Öffnen von Spulenkreisen; die Einheit der Induktivität trägt seinen Namen. Zündspulen nutzen den Ausschaltstoß seit über hundert Jahren zur Funkenerzeugung im Motor.

Betreibe die Spule an $6\ \mathrm{V}$ DC mit parallelgeschalteter Glimmlampe. Prüfe: Leuchtet die Glimmlampe im Dauerbetrieb? Was geschieht beim Ausschalten? Vergleiche mit dem Verhalten ohne Kern und beobachte den Schalterkontakt im Dunkeln.

Das Energieargument macht den Stoß zwingend: Im Dauerbetrieb speichert die Spule die Feldenergie $E = \tfrac{1}{2} L I^2$. Beim Öffnen des Schalters soll der Strom schlagartig auf null, aber die Energie kann nicht verschwinden. Die Spule „wehrt sich“: Sie treibt den Strom mit aller verfügbaren Spannung weiter, und da $U = -L \, \Delta I/\Delta t$ mit winzigem $\Delta t$ riesig wird, entsteht ein Spannungsstoß, der sich notfalls als Funke über den öffnenden Kontakt einen Weg bahnt. Die Glimmlampe bietet dem Stoß einen definierten Weg. Zündet sie (ab etwa $90\ \mathrm{V}$), ist der Stoß mindestens fünfzehnmal größer als die Quellenspannung: ein klarer Ja/Nein-Nachweis.

Wichtige Abgrenzung: Im Dauerbetrieb liegen an der Spule nur wenige Volt (Drahtwiderstand): Die Glimmlampe muss dunkel bleiben. Der Stoß gehört allein dem Ausschaltmoment.

Spule mit Kern an 6 V DC, Glimmlampe fest parallel; Schalter mit kräftiger Kontakttrennung. Raum für Schritt 4 abdunkeln.

Schaltplan: Quelle, Schalter, Spule; Glimmlampe parallel zur Spule. Pfeile für den Stromweg im Betrieb und den Stoß-Stromweg durch die Glimmlampe nach dem Öffnen.

Aufbau: Spule mit hoher Windungszahl auf geschlossenem Eisenkern (Induktivität einige Henry), baugleiche Glühlampen, verstellbarer Vergleichswiderstand, Glimmlampe (Zündspannung um 90 V), Gleichspannungsquelle mit Schalter, Funktionsgenerator und AC-Messgeräte für Teil 3.

Schritt 1: Einschalten, Dauerbetrieb: Glimmlampe beobachten.

Schritt 2: Ausschalten: Glimmlampe beobachten. Mehrfach wiederholen.

Schritt 3: Kern entfernen (kleines L), Ein-/Ausschalten wiederholen.

Schritt 4: Im abgedunkelten Raum ohne Glimmlampe schalten und den Schalterkontakt selbst beobachten.

Der Stoß ist nachgewiesen und richtig verortet: Im Dauerbetrieb bleibt die Glimmlampe dunkel (nur wenige Volt an der Spule), im Ausschaltmoment zündet sie: Es müssen mindestens $90\ \mathrm{V}$ angelegen haben, aus einer 6-V-Quelle. Die Spannung stammt nicht von der Quelle, sondern von der Spule selbst: Ihre Feldenergie treibt den Strom nach dem Öffnen durch den einzigen verbliebenen Weg (die Glimmlampe) weiter, bis das Feld abgebaut ist.

Die Kontrollen ordnen zu: Ohne Kern (kleines L, wenig gespeicherte Energie, kleinere Induktionsspannung) bleibt der Blitz aus. Und ohne Glimmlampe sucht sich der Stoß den Funkenweg über den Schalterkontakt: der Kontaktfunke, der reale Schalter an Induktivlasten zerfrisst. Schutzbeschaltungen (Freilaufdiode parallel zur Spule, Funkenlöschkondensator) geben dem Stoß einen sanften Weg: das direkte technische Echo dieses Versuchs.

Beim Unterbrechen des Spulenstroms treibt die gespeicherte Feldenergie einen Spannungsstoß von weit über der Quellenspannung (Glimmlampen-Nachweis: über 90 V aus 6 V). Der Stoß wächst mit der Induktivität und erzwingt in der Technik Schutzbeschaltungen.

Der Ja/Nein-Nachweis ist robust; die Fallstricke sind praktisch: