Selbstinduktivität: Ein Grundprinzip Elektrischer Leiter
Die Selbstinduktivität ist eine fundamentale Eigenschaft eines elektrischen Leiters, die seine Fähigkeit quantifiziert, Energie in einem magnetischen Feld zu speichern, wenn ein elektrischer Strom durch ihn fließt. Sie wird üblicherweise durch das Symbol „L“ dargestellt und in Einheiten namens Henry (H) gemessen. Wenn ein Strom durch einen Leiter fließt, erzeugt er ein magnetisches Feld um ihn herum. Ändert sich der Strom, ändert sich auch das magnetische Feld, was eine elektromotorische Kraft (EMK) oder Spannung über den Leiter induziert, die der Änderung des Stroms entgegenwirkt. Dieses Phänomen wird als elektromagnetische Induktion bezeichnet und bildet die Grundlage für das Konzept der Induktivität.
Zwei Arten der Induktivität
Selbstinduktivität
Die Selbstinduktivität bezieht sich auf die Induktivität eines einzelnen Leiters oder einer Spule, wobei das sich ändernde Magnetfeld, das durch den durch den Leiter fließenden Strom 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 in der Spule und das Kernmaterial (falls vorhanden) bestimmt, um das die Spule gewickelt ist.
Gegenseitige Induktivität
Die gegenseitige Induktivität tritt auf, wenn zwei oder mehr Leiter oder Spulen in Nähe zueinander platziert werden 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 Entfernung zwischen den Leitern sowie ihrer individuellen Induktivität ab.
Selbstinduktion
Die Selbstinduktion ist ein Phänomen, das innerhalb einer einzelnen Spule oder eines Induktors auftritt, wenn eine Änderung des durch sie fließenden Stroms eine elektromotorische Kraft (EMK) innerhalb der Spule selbst induziert. Dies geschieht, weil sich das von der Spule erzeugte Magnetfeld mit der Änderung des Stroms ändert, und dieses variierende Magnetfeld induziert gemäß dem Faradayschen Gesetz der elektromagnetischen Induktion eine Spannung in der Spule. Die induzierte EMK wirkt der Änderung des Stroms entgegen, wie es das Lenz’sche Gesetz beschreibt.
Die Selbstinduktivität, auch einfach als Induktivität (L) bezeichnet, ist ein Maß für die Fähigkeit der Spule, Änderungen des Stroms aufgrund der Selbstinduktion entgegenzuwirken. Sie wird definiert als das Verhältnis der induzierten EMK zur Änderungsrate des Stroms durch die Spule:
EMFinduziert = -L * (dI / dt)
wo:
- EMFinduziert = Induzierte EMK in der Spule (V)
- L = Selbstinduktivität (H)
- dI/dt = Änderungsrate des Stroms durch die Spule (A/s)
Für eine solenoidförmige Luftkernspule kann die Selbstinduktivität mit der folgenden Formel berechnet werden:
L = (μ₀ * N2 * A) / l
wo:
- L = Selbstinduktivität (H)
- μ₀ = Permeabilität des freien Raums, ungefähr 4π x 10-7 H/m
- N = Anzahl der Windungen in der Spule
- A = Querschnittsfläche der Spule (m2)
- l = Länge der Spule (m)
Diese Formel setzt eine gleichförmige Spule mit einer konsistenten Querschnittsfläche und gleichmäßig verteilten Windungen voraus. Bei anderen Spulengeometrien oder wenn ein magnetischer Kern vorhanden ist, kann die Berechnung komplexer sein.
Die Selbstinduktivität ist eine wichtige Eigenschaft in verschiedenen elektrischen und elektronischen Schaltkreisen, wie Induktoren, Transformatoren und induktiven Lasten wie Motoren und Solenoiden. Sie beeinflusst die transienten und stationären Antworten von Schaltkreisen, was zu Zeitverzögerungen und Phasenverschiebungen in Wechselstromkreisen führt. Konstrukteure müssen die Auswirkungen der Selbstinduktivität berücksichtigen, um einen ordnungsgemäßen Betrieb der Schaltung zu gewährleisten und unerwünschte Effekte wie Spannungsspitzen und Oszillationen zu verhindern.
