Exakte Gleichungen für die Selbstinduktion beim Ausschalten.
Möchte man den Verlauf der Stromstärke und der Induktionsspannung genauer untersuchen, wird man meist auf Simulationsverfahren (Crocodile Physics, Modellbildungssysteme, Excel, usw.) zurückgreifen, die das Problem über ein Iterationsverfahren lösen.
Als mathematische Grundlagen für eine geschlossene Behandlung der
Vorgänge bei der Kondensatorladung und Induktion bräuchte man die
Lösung der Differentialgleichung erster Ordnung und die
Exponentialfunktion.
Diese sind bis zu dem Zeitpunkt, zu dem die Physik sie bräuchte, leider
meist noch nicht im Mathematikunterricht behandelt worden.
1.) Die Intuition hilft weiter.
Hat man das Vorgehen bei den exakten Gleichungen für die Selbstinduktion beim Einschalten verstanden, lassen sich recht intuitiv auch die entsprechenden Gleichungen für die Selbstinduktion beim Ausschalten finden.
- Ganz zu Beginn des Ausschaltvorgangs (t = 0 s) hat die Stromstärke genau den Wert, den sie nach sehr langer Zeit am Ende des Einschaltvorgangs erreicht hat, also Uq / Rsp.
- Die Stromstärke fällt anschließend exponentiell ab, d.h.
auch hier wird es wieder eine e-at Funktion geben.
- Zum Zeitpunkt t = 0 s ist deren Wert wieder 1.
- Für das Abfallen der Stromstärke ist aber nun nicht nur der
Spulenwiderstand Rsp verantwortlich, sondern es hängt auch noch
von dem äußeren Widerstand Ra ab. Ihre Summe bestimmt als
Rges zusammen, wie schnell die Stromstärke abnimmt.
(vgl. hierzu die Seite "Selbstinduktion beim Ausschalten".)
Folgender Ansatz ist also naheliegend:
2.) Die Änderung der Stromstärke.
Die Änderung der Stromstärke ist die Ableitung der I(t) - Funktion
nach der Zeit t. Man muss also wissen, wie man eine Exponentialfunktion
ex ableitet.
Im Mathematikunterricht lernt man folgenden Zusammenhang, den man auch in einer
Formelsammlung finden kann:
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Damit folgt dann für die Änderung der Stromstärke:
Hier stammt der Faktor, der zunächst in der
Klammer steht, wieder von der Kettenregel.
Danach werden die beiden Vorfaktoren umgruppiert und die Widerstände zu
einem Faktor Rges / Rsp zusammengefasst.
Probe mit den Extremwerten, ob dies sinnvoll ist:
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3.) Die Induktionsspannung beim Ausschalten:
Für die Induktionsspannung ergibt sich dann:
Betrachtung mit den Extremwerten :
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4.) Die Ansatzprobe des oben behaupteten Ansatzes:
5.) Zusammenfassung:
Für die Selbstinduktion beim Ausschalten gelten also folgende exakte Gleichungen:
Verwandte Seiten:
Selbstinduktion beim Ausschalten (Film Experiment und Theorie) |
Exakte Gleichungen Selbstinduktion beim Einschalten |
Zusammenfassung Selbstinduktion |
Grüninger, Landesbildungsserver