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Aus dem Facharchiv: Lernen & Können
Magnetismus – Teil 6: Elektromagnetische Induktion

Durch die elektromagnetische Induktion werden Induktionsspannungen und -ströme hervorgerufen.

Glimmlampen der Bauform nE-2 (Signallampe) an unterschiedlichen Spannungen links und mittig: Gleichspannung mit unterschiedlicher Polarität rechts: Wechselspannung (Bild: Wikipedia.org)

Glimmlampen der Bauform nE-2 (Signallampe) an unterschiedlichen Spannungen links und mittig: Gleichspannung mit unterschiedlicher Polarität rechts: Wechselspannung (Bild: Wikipedia.org)

Versuch zur Selbstinduktion

Experiment: Zwei Glühlämpchen und eine Spule mit Weicheisenkern werden gemäß der Schaltskizze an eine Gleichstrom liefernde Elektrizitätsquelle angeschlossen.

Bobachtungen: Wird der Stromkreis geschlossen, so leuchtet das zweite Lämpchen später als das erste Lämpchen.

Erklärung: Beim Schließen des Stromkreises wird in der Spule ein Magnetfeld aufgebaut, das durch den Eisenkern erheblich verstärkt (konzentriert) wird. Dieses Magnetfeld durchsetzt die Spule und erzeugt während seiner Zunahme von null bis zum Maximalwert eine Induktionsspannung in der Spule. Da diese Induktionsspannung in der felderzeugenden Spule selbst entsteht, bezeichnet man sie als Selbstinduktions-spannung. nach der Lenzschen Regel bewirkt diese einen Strom IInd, der dem durch die Spule fließenden Strom I (äußerer Strom) entgegengesetzt gerichtet ist. Deshalb wächst der Strom durch die Spule und das zweite Lämpchen nur langsam an. Beim Ausschalten fließt der Induktionsstrom in der gleichen Richtung wie der äußere Strom I. Dabei versucht der Induktionsstrom das Zusammenbrechen des Magnetfeldes zu verhindern. Deshalb fließt der Strom durch die Spule und das zweite Lämpchen noch nach dem Ausschalten weiter. Dieses ist aber unter realen Bedingungen nur sehr schwer zu beobachten!

Öffnungsfunke: Beim Öffnen eines Stromkreises, in den eine Spule mit Eisenkern geschaltet ist, kann die Selbstinduktionsspannung UInd max wesentlich höher als die angelegte Spannung sein. Dies gilt für Stromkreise, in denen die Spule viele Windungen hat. Steigt die Spannung beim Ausschalten sehr stark an, kann am Schalter ein Funken überspringen.

Ein Schalter kann durch induktionsbedingte Funken nach häufiger Wiederholung zerstört werden.

Versuch zur Glimmlampe

Die Glimmlampe ist eine Gasentladungsröhre, die zur Erzeugung, eines schwachen so genannten Glimmlichtes, die Glimmentladung nutzt. Der Glaskolben einer Glimmlampe ist mit einem Gas mit niedrigem Druck gefüllt. Da Glimmlampen meist mit dem Edelgas Neon gefüllt sind, zählen sie in dieser Bauform zu den Neonlampen. Im englischsprachigen Raum werden Glimmlampen deshalb als „neon lamp“ bezeichnet, auch wenn sie nicht mit dem Edelgas Neon gefüllt sein sollten. Glimmlampen mit Neongas-Füllung leuchten in orange-roter Farbe. Es gibt auch Glimmlampen mit anderer Gasfüllung, die unterschiedliche Farben erlauben. Das Glimmlicht entsteht an der Kathode, bei Betrieb mit Wechselspannung leuchten abwechselnd beide Elektroden.

Bei einer Glimmlampe leuchtet immer der Minuspol.

Glimmlampen dienen vor allem als Signallampen in verschiedenen meist mit Netzspannung (230 V, 50 Hz) betriebenen Elektrogeräten, um den Betriebszustand anzuzeigen. Beispielsweise finden sie sich in elektrischen Haushaltsgeräten wie Kaffeemaschinen, Bügeleisen oder in beleuchteten Netzschaltern von Mehrfachsteckdosen. Auch in technischen Anwendungen wie dem Phasenprüfer wird die Glimmlampe verwendet. Die Glimmlampe ist kostengünstig herstellbar, wird aber zunehmend durch Leuchtdioden (LED) abgelöst. Eine technische Weiterentwicklung des Prinzips stellen monochrome Plasmabildschirme dar. Eine weitere Anwendung, allerdings nicht als Lampe, sondern als eine Art Schalter, ist die Verwendung als zentrales Element in konventionellen Startern für Leuchtstofflampen ohne elektronisches Vorschaltgerät. Dabei wird die besondere Kennlinie der Glimmlampe funktionell ausgenutzt.

Anhand verschiedener gedanklicher Experimente werden wesentliche Eigenschaften der Selbstinduktion, Glimmlampe, Drosselspule bis hin zum induktiven Widerstand erarbeitet. Über die Lenzsche Regel und der Induktion der Bewegung wird das Thema der nächsten Folge vorbereitet – die Wirbelströme.

Experiment: Eine Glimmlampe wird parallel zu einer Spule an eine Gleichstromquelle angeschlossen. Die angelegte Spannung reicht nicht aus, um die Glimmlampe zu zünden. Beim Öffnen des Schalters leuchtet sie jedoch kurz auf.

Erklärung: Beim Öffnen des Schalters treibt die Selbstinduktionsspannung den Strom weiter. Die Spannung wird dabei so hoch, dass die Glimmlampe aufleuchtet. Die Stromrichtung in der Glimmlampe kehrt sich dabei um, da die Selbstinduktionsspannung in der Spule erzeugt wird.

Versuch zur Drosselspule

Experiment: Eine Spule wird mit einem Glühlämpchen in Serie an eine Gleichstromquelle angeschlossen, dann wird auf Wechselstrom umgeschaltet.

Beobachtung: Bei Gleichstrom leuchtet das Lämpchen, bei Wechselstrom nicht.

Erklärung: Da der Wechselstrom ständig seine Richtung ändert (100-mal pro Sekunde), behindert die Selbstinduktionsspannung den Stromfluss wie ein Widerstand. Eine Spule im Wechselstromkreis nennt man einen induktiven Widerstand oder auch Drosselspule.

Versuch zur Selbstinduktion Schließen des Schalters: Erst leuchtet Lämpchen 1 und danach zeitverzögert Lämpchen 2. Öffnen des Schalters: Erst erlischt Lämpchen 1 und danach zeitverzögert Lämpchen 2 (Quelle: K.-H. Bleiß/ep)

Autor: K.-H. Bleiß

Der vollständige Beitrag ist in unserem Facharchiv nachzulesen.

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