Induktivität | Definition, Typen und Anwendung

Induktivität: Eine fundamentale Eigenschaft elektrischer Leiter

Induktivität ist eine grundlegende Eigenschaft eines elektrischen Leiters, die seine Fähigkeit quantifiziert, Energie in einem Magnetfeld zu speichern, wenn ein elektrischer Strom durch ihn fließt. Induktivität wird typischerweise durch das Symbol „L“ dargestellt und in Einheiten namens Henry (H) gemessen. Wenn ein Strom durch einen Leiter fließt, erzeugt er ein Magnetfeld um ihn herum. Ändert sich der Strom, ändert sich auch das Magnetfeld, was eine elektromotorische Kraft (EMK) oder Spannung über den Leiter induziert, die der Änderung des Stroms entgegenwirkt. Dieses Phänomen ist als elektromagnetische Induktion bekannt und bildet die Grundlage für das Konzept der Induktivität.

Zwei Arten der Induktivität

Selbstinduktivität: Selbstinduktivität bezieht sich auf die Induktivität eines einzelnen Leiters oder einer Spule, bei der das sich ändernde Magnetfeld, das durch den Stromfluss durch den Leiter erzeugt wird, eine Spannung über den Leiter selbst induziert. Diese Spannung, bekannt als selbstinduzierte EMK, wirkt jeder Änderung des Stroms entgegen. Die Selbstinduktivität einer Spule wird hauptsächlich durch ihre Form, Größe, die Anzahl der Windungen der Spule und das Kernmaterial bestimmt, um das die Spule gewickelt ist.

Gegeninduktivität: Gegeninduktivität tritt auf, wenn zwei oder mehr Leiter oder Spulen in Nähe zueinander platziert sind und das sich ändernde Magnetfeld, das durch den Stromfluss durch einen Leiter erzeugt wird, eine Spannung über den anderen Leiter(n) induziert. Diese Spannung, bekannt als gegenseitig induzierte EMK, hängt von der relativen Orientierung und Distanz zwischen den Leitern und deren individueller Induktivität ab.

Induktivität in elektrischen und elektronischen Anwendungen

Induktivität spielt eine entscheidende Rolle in verschiedenen elektrischen und elektronischen Anwendungen, einschließlich:

• Induktoren: Induktoren sind passive elektronische Komponenten, die speziell dafür ausgelegt sind, eine bestimmte Menge an Induktivität zu haben. Sie sind typischerweise als Drahtspulen um einen Kern aus Luft, Ferrit oder anderen magnetischen Materialien gewickelt. Induktoren werden in verschiedenen Anwendungen wie Filterung, Energiespeicherung und Impedanzanpassung in Schaltungen verwendet.
• Transformatoren: Transformatoren sind Geräte, die das Prinzip der elektromagnetischen Induktion und der Gegeninduktivität nutzen, um elektrische Energie zwischen zwei oder mehr Spulen auf verschiedenen Spannungsniveaus zu übertragen und dabei elektrische Isolation zu bieten.
• Energiespeicher: Induktoren können Energie in ihrem Magnetfeld speichern, wenn ein Strom durch sie fließt. Diese Energiespeicherfähigkeit ist wesentlich in verschiedenen elektronischen Schaltungen, wie Schaltnetzteilen und Energieerntegeräten.
• Oszillatoren und Resonanzkreise: Induktivität bildet zusammen mit Kapazität die Grundlage für Oszillatoren und Resonanzkreise. Diese Schaltungen werden verwendet, um bestimmte Frequenzen in Kommunikationssystemen, Signalverarbeitung und anderen Anwendungen zu erzeugen und zu filtern.
• Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV): Induktivität spielt eine entscheidende Rolle bei der Verwaltung von elektromagnetischen Störungen (EMI) und der Sicherstellung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) in elektronischen Systemen. Induktoren und Transformatoren können verwendet werden, um unerwünschte Signale und Geräusche zu unterdrücken oder zu filtern, wodurch die Leistung und Zuverlässigkeit elektronischer Geräte verbessert wird.

Henri – Einheit der Induktivität

Das Henry (Symbol: H) ist die SI-Einheit der Induktivität, benannt zu Ehren des amerikanischen Wissenschaftlers Joseph Henry, der bedeutende Beiträge auf dem Gebiet des Elektromagnetismus neben dem britischen Wissenschaftler Michael Faraday geleistet hat. Ein Henry ist definiert als die Induktivität eines Leiters oder eines Stromkreises, in dem eine elektromotorische Kraft (EMK) von einem Volt induziert wird, wenn sich der Strom durch den Leiter mit einer Rate von einem Ampere pro Sekunde (1 A/s) ändert. Mathematisch lässt sich dies ausdrücken als:

1 H = 1 V·s/A

In praktischen Anwendungen ist das Henry oft eine relativ große Einheit, daher werden häufig kleinere Einheiten wie das Millihenry (mH) und das Mikrohenry (µH) verwendet. Diese kleineren Einheiten stehen zum Henry wie folgt in Beziehung:

1 Millihenry (mH) = 1 × 10⁻³ Henry (H) = 0,001 H

1 Mikrohenry (µH) = 1 × 10⁻⁶ Henry (H) = 0,000001 H

Beispiele für Induktoren

Induktoren gibt es in verschiedenen Formen, Größen und Induktivitätswerten. Hier sind drei Beispiele für Induktoren mit unterschiedlichen Induktivitätswerten:

• Kleinsignalinduktor: Diese Induktoren werden oft in elektronischen Niedrigleistungsschaltungen wie Filtern, Oszillatoren und Signalverarbeitungsanwendungen verwendet. Ein Beispiel für einen Kleinsignalinduktor könnte eine Induktivität von 10 µH (Mikrohenries) haben.
• Leistungsinduktor: Leistungsinduktoren finden sich häufig in Stromversorgungsschaltungen, DC-DC-Wandlern und Schaltreglern. Sie haben typischerweise höhere Strombewertungen und Induktivitätswerte. Ein Beispiel für einen Leistungsinduktor könnte eine Induktivität von 100 µH (Mikrohenries) haben.
• Hochfrequenzinduktor: Diese Induktoren sind für den Einsatz in Hochfrequenzanwendungen wie RF (Radiofrequenz)-Schaltungen und Kommunikationssystemen konzipiert. Sie haben oft niedrigere Induktivitätswerte und sind für geringe Verluste und minimale parasitäre Kapazität optimiert. Ein Beispiel für einen Hochfrequenzinduktor könnte eine Induktivität von 1 µH (Mikrohenry) haben.

Berechnung der Induktivität

Um die Induktivität eines Leiters, wie einer Spule, zu berechnen, können Sie die folgende Formel verwenden:

L = (N² * μ * A) / l

wo:

• L = Induktivität (in Henry, H)
• N = Anzahl der Windungen in der Spule
• μ = Permeabilität des Kernmaterials (in Henry pro Meter, H/m)
• A = Querschnittsfläche des Kerns (in Quadratmetern, m²)
• l = Länge der Spule (in Metern, m)

Die Permeabilität (μ) ist eine Eigenschaft des Kernmaterials, die angibt, wie leicht es magnetisiert werden kann. Sie ist das Produkt aus der Permeabilität des freien Raums (μ₀) und der relativen Permeabilität (μ_r) des Materials:

μ = μ₀ * μ_r

wo:

• μ₀ = Permeabilität des freien Raums, ungefähr
• μ_r = Relative Permeabilität des Materials (dimensionslos)

Um die Induktivität einer Spule oder eines Induktors zu berechnen, folgen Sie diesen Schritten:

1. Bestimmen Sie die Anzahl der Windungen (N) in der Spule.
2. Identifizieren Sie das Kernmaterial und finden Sie seine relative Permeabilität (μ_r). Für Luftkernspulen oder Spulen mit nichtmagnetischen Materialien ist μ_r ungefähr gleich 1.
3. Berechnen Sie die Permeabilität des Kernmaterials (μ) mit der Formel: μ = μ₀ * μ_r
4. Messen Sie die Querschnittsfläche (A) des Kerns in Quadratmetern (m²).
5. Messen Sie die Länge (l) der Spule in Metern (m).
6. Setzen Sie diese Werte in die Formel ein: L = (N² * μ * A) / l
7. Berechnen Sie die Induktivität (L) in Henry (H).

Beachten Sie, dass diese Formel hauptsächlich für solenoidförmige Induktoren mit einem gleichförmigen Querschnitt und gleichmäßig verteilten Windungen gilt. Für andere Geometrien kann die Berechnung komplexer sein und erfordert möglicherweise spezialisierte Formeln oder numerische Methoden, wie die Finite-Elemente-Analyse, um die Induktivität genau abzuschätzen.