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Hallo!
ich habe einen Versuch aufgebaut, in dem die Selbstinduktion einer Spule gezeigt wird.
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Falls es klappen sollte mit dem Upload, so könnt ihr Euch mein kurzes Video dazu anschauen.
Mein Frage ist nun experimentalphysikalischer Natur. Man sieht in Echt/im Video, wie die Lampe im Schaltzweig mit der Spule später anfängt zu leuchten.
Leider kann aber kein verzögertes Erlöschen der Lampe sehen. Wissen tue ich nicht, voran es liegt. Habe nur einen nicht-belegten Vorschlag, warum das so ist und würde gern Eure Meinung dazu hören.
Vorweg: Grund für eine Stromstärkeänderung im Stromkreis ist der Einschaltvorgang. Im ausgeschalteten Zustand hat $R$ den Wert unendlich. Nach abgeschlossenem Einschaltvorgang ist der Widerstand bei einem gewissen Wert [mm] $R_{abgeschlossen}$. [/mm] Der Widerstand der Schaltung kann nicht instantan auf [mm] $R_{abgeschlossen}$ [/mm] sinken. Die Änderungsrate von $R$ müsste nun derart verlaufen, dass [mm] $\dot{R}$ [/mm] zunächst groß ist und dann immer mehr abflacht (trivial, da ja $R$ auf lange Sicht konstant ist).
Mein Aufbau: Doch dieses Abflachen müsste in meinem Aufbau wohl ungünstig lange dauern. Da beim Rückweg - Öffnen des Schalters - kein Effekt zu beobachten ist.
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Günstiger für einen Effekt beim Öffnen des Schalters wäre wohl
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![[a]](/images/paperclip.gif "Dateianhänge") Datei-Anhang
Freue mich sehr über Antworten!
Dateianhänge:
Anhang Nr. 1 (Typ: jpg) [nicht öffentlich]
Anhang Nr. 2 (Typ: jpg) [nicht öffentlich]
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(Mitteilung) Reaktion unnötig  | | Datum: | 08:55 Di 21.01.2020 | | Autor: | chrisno |
Nach dem Öffnen des Schalters kann der Strom nur durch den Kreis mit beiden Lämpchen, Spule und Widerstand fließen. Also leuchten beide oder beide nicht.
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Hallo und frohe Ostern an diejenigen, die Ostern feiern,
ich habe ja schon tolle Antworten bekommen, bzgl der nicht-(so leicht)-Beobachtbarkeit des Nachleutens beim Öffnen des Schalters. Die Erklärung war einleuchtend!
Nach ein paar Monaten habe ich das Thema nun wieder unterrichtet und zack kommt mir gleich das nächste Problem:
Beim Ausschalten wurde mir ja erklärt, dass die Spule in Reihe mit beiden Lampen geschaltet ist und deshalb das Erlöschen beider Lampen (insgesamt also sehr viel schwächer) verzögert und der Effekt so nicht mehr sichtbar ist bzw. auch eine Lampe, die sofort ausgeht, zum Vergleich fehlt.
Nun frage ich mich, inwieweit nicht auch beim Einschalten die Spule die rote Lampe mit beeinflusst?
Dies führt ja letztlich auf das Parallelschalten zweier Spannungsquellen. Und da habe ich leider keinen Plan, wie ich diese beiden parallel zur roten Lampe angelegten Spannungen sinnvoll verknüpfe...
Weiß jemand Rat? Freue mich wie immer, sehr über helfende Antworten
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https://www.vorhilfe.de/file/uploads/forum/01096672/forum-i01096672-n001.jpg
Es gibt für deine Schaltung mit den drei Lampen eine einfache Erklärung.
Wenn du den Schalter schließt, lässt die Spule im ersten Moment keinen Strom durch, es ist so, als ob du den Spulenzweig mit einem Schalter trennen würdest. Das heißt, die Lampe im Gesamtkreis und die vorm Widerstand sind nun in Reihe geschaltet, erfahren jede (bei Baugleichheit) die gleiche Stromstärke und leuchten gleichzeitig gleichhell auf.
Nach kurzer Zeit ist dann auch die Spule "hochgefahren". Nehmen wir die Baugleichheit aller drei Lampen an und dass R = [mm] R_{Spule} [/mm] ist, so hat das System anfangs den Gesamtwiderstand [mm] R+2R_{Lampe} [/mm] gehabt und nun den geringeren Widerstand [mm] R_{Lampe} [/mm] + [mm] \bruch{R_{Lampe}+R}{2}. [/mm] Wenn [mm] R_{Lampe} [/mm] deutlich kleiner als R ist, verdoppelt sich der Strom nahezu, die "Außenlampe" wird deutlich heller, die am Widerstand bleibt und die an der Spule wird genau so hell wie die vor R. Ist dagegen [mm] R_{Lampe} [/mm] deutlich höher als R, so wird die "Außenlampe" wieder etwas heller, die vor R etwas dunkler, die an der Spule wird genau so hell wie die vor R.
Öffnet man nun den Schalter, so kann durch die "Außenlampe" kein Strom mehr fließen. Die Spule treibt aber den Strom - im ersten Moment mit der momentan anliegenden Stromstärke - weiter durch beide Lampen, die im ersten Moment deshalb auch genau so hell bleiben wie im Moment des Abschaltens. Dazu ist aber doppelt so viel Spannung erforderlich, wie zuvor an der Spule anlag, und diese "Überspannung" wird im ersten Moment von der Spule erzeugt und klingt dann ab. Die Lampen werden also beim Abschalten nicht heller, gehen aber verzögert aus, und ob man die Verzögerung erkennt, hängt von der Selbstinduktivität der Spule ab.
Was geschieht, wenn du den Zweig mit R weglässt?
Beim Einschalten gehen die beiden nun in Reihe liegenden Lampen verzögert an. Beim Abschalten können sie aber nicht schlagartig ausgehen, weil ja der Strom sonst sofort auf 0 springen würde. Die Spule erzeugt dann eine so hohe Spannung, dass "im ersten Moment" die Stromstärke erhalten bleibt, das heißt, die Lücke am Schalter zwischen den Kontakten wird unter eine so hohe Spannung gesetzt, dass die Luft darin im ersten Moment elektrisch leitend wird und der Strom weiterfließen kann (Abrissfunke). Auf diese Weise entsteht im Auto der Zündfunke im Motor, der von einer 12-V-Batterie gar nicht erzeugt werden könnte. Im Bergbau unter Tage war das Ausschalten von elektrischen Geräten wegen des Abrissfunkens und mögliche Schlagwetterexplositionen besonders gefährlich, man hatte dafür besondere Schutzfunktionen ersonnen.
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Danke an HJKweseleit für die rasche und ausführliche Antwort!
Beim Link finde ich leider nur einen mini-weißen-Kasten (vermutlich passt da was mit der Auflösung nicht).
Ich sehe, dass Du Dir mal wieder! sehr viel Mühe gegeben hast.. aber könnten wir den Sachverhalt doch erst mal reduzieren auf die Schaltung mit den nur zwei Lampen parallel geschaltet? Und nur auf den Einschaltvorgang? Den Ausschaltvorgang meine ich, gut verstanden zu haben.
Alternativ würde ich sonst das Parallelschalten von zwei (unterschiedlichen) Spannungsquellen diskutieren.
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> Danke an HJKweseleit für die rasche und ausführliche
> Antwort!
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> Beim Link finde ich leider nur einen mini-weißen-Kasten
> (vermutlich passt da was mit der Auflösung nicht).
Es handelt sich dabei um das von dir erstellte Schaltbild mit 3 Lampen aus "Frage (reagiert)(V2)"
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> Ich sehe, dass Du Dir mal wieder! sehr viel Mühe gegeben
> hast.. aber könnten wir den Sachverhalt doch erst mal
> reduzieren auf die Schaltung mit den nur zwei Lampen
> parallel geschaltet? Und nur auf den Einschaltvorgang? Den
> Ausschaltvorgang meine ich, gut verstanden zu haben.
>
> Alternativ würde ich sonst das Parallelschalten von zwei
> (unterschiedlichen) Spannungsquellen diskutieren.
Ich beziehe mich jetzt auf das Schaltbild aus deinem allerersten Beitrag (20.01.20).
Zu einer bestimmten Stromstärke gehört immer ein entsprechendes Magnetfeld, das bei einem Kabel ganz schwach und bei einer Spule mit Eisenkern ganz stark sein kann. Entsprechend ist in diesem Magnetfeld Energie gespeichert, so wie in einer dicken Eisenkugel bei einer bestimmten Geschwindigkeit viel und bei einer kleinen Kugel bei gleicher Geschwindigkeit weniger kinetische Energie gespeichert ist.
Nehmen wir an, der ohmsche Widerstand der Spule ist genau so hoch wie der einfache ohmsche Widerstand und beide Lampen sind baugleich. Du schaltest den Strom ein. Um das Kabel und den einfachen Widerstand bildet sich mit dem Strom sofort ein schwaches, zum Strom passendes Magnetfeld aus, die Lampe ist "sofort" an. Durch die Spule müsste nun ein gleich großer Strom fließen, zu dem aber in der Spule ein viel stärkeres Magnetfeld mit viel mehr Energie gehört. Die Quelle liefert die Leistung U*I, I ist aber im ersten Moment noch klein, die für den vollen Strom benötigte Magnetfeld-Energie konnte zeitlich noch gar nicht geliefert werden, und weil das Magnetfeld noch nicht aufgebaut sein kann, kann die volle Stromstärke auch noch nicht da sein, weil zu ihr ja das volle Magnetfeld gehört. Erst nach einiger Zeit hat die Quelle so viel Energie geliefert und sich das Magnetfeld so hoch aufgebaut, dass sie zur vollen Stromstärke passt, und erst dann leuchtet die Lampe voll auf.
Mechanischer Vergleich:
Du öffnest ein Wehr, und in zwei gleichbreite und gleichtiefe Kanäle fließt Wasser. Im ersten Kanal befindet sich ein Alu-Mühlrad (Ohmscher Widerstand), das sich sofort in Bewegung setzt, das Wasser also sofort weiter fließt. Im zweiten Kanal befindet sich ein Eisen-Mühlrad mit großer Masse (Spule), das das Wasser stoppt und sich nur langsam in Bewegung setzt, bis auch hier der selbe Durchfluss erreicht ist.
Eine - sicherlich nicht ganz befriedigende - Erklärung für das Phänomen sieht so aus: Zu Beginn ist kein M-Feld in der Spule. Schaltet man den Strom ein, wandern die Feldlinien von außen in die Spule hinein (wo waren sie da draußen? Im Unendlichen? Unbefriedigend, aber hilfreich!). Dabei schneiden sie die Windungen, und wie du weißt, wird eine Spannung in einem Leiter induziert, wenn man ihn durch ein Magnetfeld zieht. Der Leiter bewegt sich allerdings nicht. Deshalb tun wir so, als wären die Feldlinien vorher außen neben der Spule verlaufen und wir hätten die Spule nach außen vergrößert und dabei die Feldlinien geschnitten. Mit der Rechten-Hand-Regel kannst du nun feststellen, dass dabei in der Spule eine Spannung induziert wird, die der angelegten Spannung genau entgegengerichtet ist und diese daher schwächt. Die dann verbleibende resultierende Spannung ist genau so groß, dass sie den momentan fließenden (kleinen) Strom durch den ohmschen Widerstand der Spule treibt. Die induzierte Gegenspannung [mm] U_i [/mm] ist proportional zur "Anzahl" der pro Zeiteinheit einwandernden Feldlinien, diese proportional zur Stromänderung, diese proportional zur Änderung der Spannungsdifferenz [mm] U-U_i. [/mm] Daraus ergibt sich eine Exponentialkurve.
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Zu meiner Ausführung mit drei Lampen noch eine Anmerkung:
Ich habe geschrieben, dass die "Außenlampe" sofort ausgeht und die beiden anderen noch einen Moment länger leuchten, weil die Spule den Strom noch kurz beibehält. Diesen Effekt wird man aber wohl nicht sehen können, weil a) der Vorgang sehr schnell abläuft und b) die Außenlampe als Glühlampe ja Licht infolge der Hitze abstrahlt, die aber nicht sofort abkühlt, sondern - übertrieben gesagt - wie ein glühendes Stück Eisen von sich aus noch etwas nachglüht.
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| Status: |
(Antwort) fertig  | | Datum: | 17:40 Di 21.01.2020 | | Autor: | leduart |
Hallo
beim Einschalten hast du ja, da an Spule die Spannung [mm] U_0 [/mm] anliegt
[mm] I(t)=U_0/R_1(1-e^{-R/L*t} [/mm] )wobei [mm] R_1 [/mm] der Widerstand der Lampe+ ohmscher Widerstand der Spule. d.h. Anfangsstrom I(0)=0 und steigend.
du kannst sehen indem du [mm] R_1 [/mm] /L ansiehst wann dein Strom praktisch konstant ist. (e^(-R/L*t) <<1) von dem gehst du dann beim ausschalten aus . Beim ausschalten ist der Strom durch die Summe aller 4 Widerstände bestimmt. damit [mm] I(t)=U_0/R_1*e^{-R_(ges)/L*t}, [/mm] das ist der Strom durch BEIDE Lämpchen, d.h. beide Lämpchen sollten kurz aufleuchten, Für die SuS : die im Magnetfeld gespeicherte Energie wird abgegeben.
Gruß ledum
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Danke an chrisno und insbesondere an leduart,
ah, ja klar müssen beide Lämpchen gleichermaßen aufleuchten! Danke, das habe ich völlig übersehen. Danke!
Gut, dann müsste ich also fragen, warum nicht Hellerwerden beider Lampen beim Öffnen sieht. Ich setze gleich mal Widerstand und Induktivität ein und guck zeitliche Dauer an. Würde natürlich gern den Aufbau so gestalten, dass beide Effekte - verzögertes Leuchten UND verzögertes Erlöschen sichtbar sind....
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(Mitteilung) Reaktion unnötig | | Datum: | 22:30 Mi 22.01.2020 | | Autor: | chrisno |
Probier mal:
Ein Doppelschalter, der zwei Stromkreise gleichzeitig schaltet.
In dem einen ist nur eine Lampe, nach Bedarf noch ein Widerstand.
In dem anderen sind Lampe und Spule in Reihe geschaltet und parallel dazu ein Widerstand.
Ob es so gelingt, weiß ich nicht. Also bin ich auf das Ergebnis gespannt.
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(Mitteilung) Reaktion unnötig | | Datum: | 12:59 Do 23.01.2020 | | Autor: | leduart |
Hallo
schalte ein Lämpchen in Reihe vor die Parallelschaltung, das geht sofort aus beim Abschalten die anderen verzögert.
Nicht heller werden: der Strom hat jetzt ja einen größeren Gesamtwiderstand!
Gruß ledum
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Ah OK:
Also wenn ich ledurts Methode richtig verstehe, so muss ich dort dann einfache die Quellspannung etwas höher wählen, um drei helle Lampen zu haben.
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Wenn ich chrisnos Methode richtig verstehe, dann sieht die Schaltung so aus. Aber ein gleichzeitiges Beobachten der Lampen geht dort dann nicht oder?
[Dateianhang nicht öffentlich]
Naja, ich probiere mal beides aus. Schon mal vielen Dank!
Noch eine allgemeine Frage zur "Sicherheit" der Lampen. Wenn ich mir den
Term [mm] $I(t)=\tfrac{U_0}{R}\left(1-e^{-\tfrac{R}{L}\cdot t}\right)$ [/mm] anschaue, so fällt mir auf, dass jeder Stromkreis zur Zeit Null die Gesamtstromstärke Null hat, weil jeder Stromkreis einen Widerstand und eine (wenn auch kleine) Induktivität besitzt.
Weiter sehe ich, dass die induzierte Stromstärke [mm] $-I_{ind}(t)=\tfrac{U_0}{R}e^{-\tfrac{R}{L}\cdot t}\geq\tfrac{U_0}{R}$ [/mm] in der Lampe im Spulenzweig vom Betrag her niemals größer sein kann, als die Grenzstromstärke.
Fazit: Also kann die Änderungsrate des magnetischen Flusses in der Spule nie so groß sein, dass die Lampe kaputt geht (wenn sie ohne Spule bei gleichen Widerstand auch nicht kaputt geht).
Dateianhänge:
Anhang Nr. 1 (Typ: jpg) [nicht öffentlich]
Anhang Nr. 2 (Typ: jpg) [nicht öffentlich]
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| Status: |
(Antwort) fertig | | Datum: | 20:32 Do 23.01.2020 | | Autor: | chrisno |
Ich finde die Version von Leduart aus der Sicht der Schüler überzeugender.
Meine Version war anders gemeint:
So wie Du es gezeichnet hast, ist gerade durch den Schalter ein Stromkreis aus Lampe, Spule und Widerstand geschlossen. Dieser Stromkreis soll immer so geschlossen sein. Der Schlater soll da also raus und Widerstand und Spule direkt verbunden werden. Dann kommt an diese Verbindung auch ein Anschluss für den Schalter.
Der Doppelschalter wird so angeschlossen, dass beide Stromkreise, der mit der roten und der mit der grünen Lampe, gleichzeitig an und ausgeschaltet werden.
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Du hast mit deiner ersten Schaltung im Prinzip alles richtig gemacht. Allerdings ist die Selbstiduktivität offenbar nicht so hoch, dass der Effekt deutlich wird.
1200 Windungen mit Eisenkern sehen gut aus, sind aber tatsächlich noch sehr wenig. Versuche, eine Spule mit noch mehr Windungen zu nehmen (natürlich mit Eisenkern). Da sie nur wenig Strom vertragen wird, musst du Lämpchen für z.B. 0,04 A auswählen. Dann müsste es besser zu sehen sein.
Erklärung: Die Spule verhält sich wie ein träges Mühlrad.
Beim Einschalten lässt sie anfangs kaum Strom durch und startet langsam, bis sie (bei gleichen Ohmschen Widerständen) die selbe Stromstärke wie der Parallelzweig durchlässt. Daher die Verzögerung.
Beim Ausschalten "dreht sich das Mühlrad weiter", und zwar so, dass im ersten Moment die vor dem Ausschalten vorliegende Stromstärke weiterfließt. Diese wird nun durch beide Lampen und auch noch durch beide Widerstände (der eigene und der fremde) getrieben, so dass das Ganze sehr schnell abklingt.
In meiner Schule gibt es extra für diesen Versuch eine spezielle Spule mit hoher Selbstinduktivität und geringem ohmschen Widerstand, bei der der Effekt gut zu sehen ist.
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