RL-Schaltung: Ein Induktor widersteht plötzlichen Stromänderungen
1 · Vorhersagen
Eine Induktivität und ein Widerstand sind an eine 10 V-Batterie angeschlossen. Springt der Strom sofort auf seinen Endwert oder steigt er allmählich an, wie die Spannung eines Ladekondensators?
- Der Strom steigt allmählich an und folgt dem gleichen exponentiellen Ansatz wie die Spannung einer RC-Schaltung.
- Der Strom springt sofort auf E/R.
- Der Strom schwankt, bevor er sich einpendelt.
2 · Aufbauen
- Öffnen Sie die RL-Schaltkreis-Preset und drücken Sie Zurücksetzen. R = 10 Ω, L = 1 H, was eine Zeitkonstante τ = L/R = 0.1 s ergibt; die Batterie liefert 10 V.
- Aktivieren Sie die Anzeige des Induktorstroms.
- Drücken Sie „Play“ und zeichnen Sie den Strom des Induktors zu jedem aufgelisteten Zeitpunkt auf.
3 · Daten sammeln
| Zeit t (s) | Zeitkonstante τ (s) | Induktorstrom I (A) |
|---|---|---|
| 0.10 | ||
| 0.20 | ||
| 0.50 |
Tragen Sie den Induktorstrom I (y-Achse) gegen die Zeit t (x-Achse) für Ihre drei Messwerte auf. Flacht sich die Kurve ab, wenn sie sich 1 A nähert?
4 · Auswerten
- Berechnen Sie für einen Versuch I = (E/R)(1 − e^(−t/τ)) unter Verwendung von E = 10 V, R = 10 Ω, τ = 0.1 s. Vergleichen Sie mit der Tabelle.
- Erklären Sie, warum der Stromanstieg einer Induktivität (RL-Schaltung) der gleichen mathematischen Form folgt wie der Spannungsanstieg eines Kondensators (RC-Schaltung), obwohl die beiden Komponenten Energie völlig unterschiedlich speichern.
5 · Vertiefen
- Das charakteristische Verhalten eines Induktors besteht darin, sich jeder Stromänderung zu widersetzen (und nicht dem Strom selbst entgegenzuwirken, wie dies bei einem Widerstand der Fall ist). Erklären Sie, warum genau bei t = 0 der Strom bei genau 0 A beginnen muss, obwohl die Batterie vollständig angeschlossen ist.
- Wenn der Stromkreis eines stromführenden Induktors plötzlich unterbrochen wird (Schalter geöffnet), versucht der Induktor, seinen Strom aufrechtzuerhalten, was zu einer großen Spannungsspitze führen kann (so funktionieren Zündspulen für Zündkerzen). Erklären Sie, warum die Unterbrechung des Strompfads einer Induktivität dramatischer ist als die Unterbrechung des Strompfads eines Widerstands.
Die Physik hinter diesem Experiment
RL-Zeitkonstante
Die Zeitkonstante τ = L/R legt die Zeitskala für den exponentiellen Stromanstieg (oder Abfall) einer RL-Schaltung fest. Eine größere Induktivität oder ein kleinerer Widerstand bedeuten ein längeres τ – die Induktivität widersteht Stromänderungen stärker.