Selbstinduktion: Spule bremst Stromänderungen

Selbstinduktion bedeutet: Ändert sich der Strom in einer Spule, entsteht in dieser Spule selbst eine Spannung, die der Änderung entgegenwirkt. Eine Spule bremst also jede Stromänderung, sie verhindert sie aber nicht. Das Phänomen folgt direkt aus der elektromagnetischen Induktion, nur dass die Ursache nicht ein äußeres Magnetfeld ist, sondern das eigene.

Der Ablauf ist logisch. Fließt Strom durch eine Spule, baut er ein Magnetfeld auf. Ändert sich der Strom, ändert sich auch das Feld und damit der magnetische Fluss durch die Windungen. Eine Änderung des Flusses induziert nach dem Induktionsgesetz eine Spannung. Nach der Lenzschen Regel wirkt diese Spannung ihrer Ursache entgegen, hier der Stromänderung.

Beim Einschalten bedeutet das: Der Strom steigt nicht sofort auf seinen Endwert, sondern langsam. Beim Ausschalten sinkt er nicht schlagartig auf null, die Spule versucht ihn aufrechtzuerhalten. Ein Gleichstromkreis mit Spule verhält sich daher kurz nach dem Schalten anders als im Dauerbetrieb. Diese Trägheit ist das elektrische Gegenstück zur Masse in der Mechanik.

Schaltest du eine Spule mit einem Widerstand an eine Gleichspannung, steigt der Strom nicht sofort auf den Wert U durch R. Am Anfang ist ΔI durch Δt groß, die Selbstinduktionsspannung wirkt stark gegen die angelegte Spannung. Je näher der Strom seinem Endwert kommt, desto langsamer ändert er sich und desto kleiner wird die Gegenspannung. Nach einiger Zeit fließt der Dauerstrom, und die Spule wirkt wie ein gewöhnlicher Draht.

Beim Ausschalten wird es dramatisch. Öffnest du den Schalter, sinkt der Strom in sehr kurzer Zeit gegen null, Δt ist winzig, und die induzierte Spannung kann sehr hoch werden. Sie hat die Richtung, die den Strom weitertreiben will. Dadurch springen zwischen den Kontakten Funken über. Bei einer klassischen Türklingel mit Elektromagnet oder bei einem Schütz schützt man die Kontakte deshalb mit Bauteilen, die diese Spannungsspitze aufnehmen.

Die Energie der Spule steckt im Magnetfeld. Je größer die Induktivität und je stärker der Strom, desto mehr Energie ist gespeichert. Diese Energie kann nicht schlagartig verschwinden, sie muss irgendwohin. Genau das macht man sich im Zündsystem eines Benzinmotors zunutze: Eine Zündspule wird getrennt, die hohe Spannung lässt am Zündkerzenspalt einen Funken entstehen.

Der erste Fehler ist die Annahme, die Spule verhindere den Strom. Die Selbstinduktion bremst nur die Änderung. Im Gleichstrom-Dauerbetrieb fließt der Strom ganz normal, begrenzt nur durch den Widerstand des Drahtes. Eine ideale Spule ohne Widerstand wäre im Gleichstromkreis sogar ein Kurzschluss. Wirksam ist die Spule nur, solange sich der Strom ändert.

Der zweite Fehler betrifft die Einheiten. Die Induktivität L misst man in Henry, nicht in Volt oder Ampere. Es gilt 1 Henry gleich 1 Voltsekunde pro Ampere. Rechnest du mit Millisekunden oder Zentimetern, musst du vorher umrechnen: 10 ms sind 0,01 s, 4 cm² sind 4 · 10⁻⁴ m². Diese Umrechnungen sind die häufigste Quelle falscher Ergebnisse.

Der dritte Fehler ist das Vergessen des Quadrats bei der Windungszahl. Wer N verdoppelt, bekommt nicht die doppelte, sondern die vierfache Induktivität, weil N in der Formel quadratisch eingeht: Mit mehr Windungen steigt nicht nur das Feld, sondern auch die Zahl der Windungen, in denen induziert wird. Auch beim Energieausdruck vergessen viele das Quadrat bei der Stromstärke.

Die Selbstinduktion steckt in vielen Geräten. Drosselspulen in Netzteilen glätten den Strom, Lampenvorschaltgeräte begrenzen den Strom in Leuchtstofflampen, und Zündspulen erzeugen den Funken im Motor. Auch dein Staubsaugermotor und jede Türklingel mit Elektromagnet haben Spulen und damit Selbstinduktion. Der Funke, den du beim Ziehen eines Steckers eines laufenden Motors manchmal siehst, ist ein Effekt der Selbstinduktion.

Auch bei Wechselstrom spielt die Selbstinduktion eine große Rolle. Weil sich der Strom ständig ändert, bremst die Spule ständig: Sie hat einen Wechselstromwiderstand, der mit der Frequenz zunimmt. Das nutzt man, um hohe Frequenzen herauszufiltern. Zusammen mit einem Kondensator bildet die Spule einen Schwingkreis, den du in der nächsten Lektion kennenlernst.

Für die Klassenarbeit merkst du dir: Formel U gleich L mal ΔI durch Δt hinschreiben, alle Größen in SI-Einheiten umrechnen, einsetzen und die Einheit Volt kontrollieren. Bei Fragen nach der Richtung hilft die Lenzsche Regel: Die Spannung wirkt der Änderung entgegen. Beschreibe in Worten, was beim Ein- und Ausschalten passiert, und nenne die Energie ein halb L mal I zum Quadrat.