Selbstinduktion Einschaltvorgang Spule

Materialbedarf

• Kleinspannungsquelle (ideal regelbar mit Gleichspannung und Wechselspannung, Amperezahl ist kaum relevant)
• 2 gleichartige Birnchen mit Widerstand deutlich über 100 Ohm(z.B. 6V 0,05A oder 4V 40mA)
• Steckbrett
• Schalter

Hauptversuch

• Spule mit hoher Induktivität (100H)
• Widerstand 470 Ohm
• zwei mA Multimeter

Nebenversuch

• viele Schülerübungsspulen mit rausnehmbaren Einsenkern
• fein einstellbares Potentiometer

Sicherheitshinweise

Die offizielle Gefärdungsbeurteilung findet man hier im Internet

Achtung Spannungsspitzen beim Ausschaltvorgang; generelle Schutzmaßnahmen bei Berührungsgefährlichen Spannungen beachten.

Hierbei ist zu berücksichtigen, dass der magnetische Energieinhalt der Spule bei Verwendung obiger Materialien deutlich größer als der Grenzwert 350 mJ ist:

E = ½ ∙L∙I² = 0,5 ∙ 630 H ∙ (0,1 A)² = 3 J

-> maximal etwa 30 mA durch große Spule (630 H)

Versuchsaufbau

• Bilder zum Versuch
• 

  Nebenversuch

• 

  qualitativer Hauptversuch

• 

  quantitativer Nebenversuch

Durchführung

Der Hauptversuch besteht darin den Schülern zu zeigen, dass das Lämpchen im Zweig der Spule viel später angeht als das Lämpchen im Zweig mit dem Widerstand. Das bekommt man mit den oben genannten Bauteilen gut gezeigt

Anschließend kann man die Lämpchen durch Multimeter ersetzen und dann zeigen, wie beim Ein- und Ausschalten der "Spulenstrom" deutlich verzögert wird. Beim Ausschalten sieht man sehr schön, dass der Strom im Parallelkreis in die Gegenrichtung fließt.

Ein didaktisches Problem besteht darin, dass die Spule mit hoher Induktivität nicht wie eine Spule aussieht. (Man kann mit der Dokukamera die Seite projizieren und sieht dann die Windungen). Außerdem kann man mit dieser Spule nicht zweigen, dass es nicht an der Kabellänge liegt, sondern an der Induktivität.=> Nebenversuch (siehe Tipps und Tricks)

Tipps und Tricks

Wer die Zeit hat, kann so verfahren:

Schritt 1: zwei Lämpchen parallel, sonst nichts => beide leuchten gleichhell. Wiederholung, das an beiden die gleiche Spannung abfällt, da Parallelschaltung.

Schritt 2: man baut eine selbstgebaute Spule ein, bei der man so viele Spulen in Reihe schaltet und mit Eisenkernen verbindet wie möglich => ein Lämpchen leuchtet schwächer (Spannungsabfall an der Spule)

Schritt 3: man baut ein Potentiometer in den oberen Zweig und regelt, bis beide gleich hell leuchten

Jetzt ist der Aufbau des Versuchs und die Notwendigkeit des Widerstands klar- jetzt schaltet man ein

Schritt 4: wenn man genug Spulen gekoppelt hat, sieht man eine minimale Verzögerung ( am besten, wenn das Ganze filmt und in Slowmotion abspielt)

Schritt 5: Jetzt ersetzen wir die Selbstbauspule durch die "richtige Spule", passen den Widerstand an und sehen die deutliche Verzögerung.

Nun bleibt die Fehlvorstelllung, dass es an der Kabellänge liegen könnte => zurück zur Selbstbauspule

Schritt 6: Versuch wie in Schritt 4 aber ohne Eisenkerne (Kabellänge aber weiterhin gleich) => Verzögerung ist nicht mehr sichtbar=> es lag nicht an der Kabellänge

Schritt 7: Aufbau wie in Schritt 5 aber diesmal mit Multimetern

Ob man tatsächlich zwei Mal umbaut, hängt vom Unterrichtsgespräch und der Zeit ab.