Vorlesung über Schaltvorgänge bei Spulen

Einleitung

• Thema: Schaltvorgänge bei Spulen und deren Energieverhalten
• Fokus auf das Beharrlichkeitsverhalten von Spulen beim Ein- und Ausschalten.
• Vergleich zu Kondensatoren aus der Elektrostatik

Spulen beim Einschalten

• Spule entwickelt ein magnetisches Feld, welches einen induktiven Widerstand erzeugt.
• Lenz'sche Regel: Spule wehrt sich gegen rasche Änderungen des Stromflusses.
• Anfangszustand: Wenn der Schalter eingeschaltet ist, fließt ein Strom I0 durch die Spule, abhängig vom Widerstand R1, R2 in der Schaltung.

Spulen beim Ausschalten

• Beim Ausschalten der Spule entsteht eine gegenläufige Spannung, da das magnetische Feld zusammenbricht.
• Diese Spannung (induzierte Spannung) kann beträchtlich sein und ein hohes Potential erreichen.
• Exponentieller Abfall des Stromes in der Spule
• Abhängigkeit des Verhaltens von der Induktivität L und den Widerständen R1 und R2.

Experimentelle Beobachtungen

• Lampen als visuelle Indikatoren für Spannungs- und Stromverläufe
• Beobachtung des Stromaufbaus und -abbaus sowie der induzierten Spannungsspitzen.
• Demonstration der Energieerhaltung und der Notwendigkeit einer Diode zur Vermeidung von Überspannungen.

Energiegehalt des magnetischen Feldes

• Induktivität einer Spule (z.B., zylindrische Spule) in Bezug zu Magnetfeld und Stromfluss.
• Energieverlust durch den inneren Widerstand der Spule während des Stromabbaus.
• Berechnung der in der Spule gespeicherten Energie und des daraus resultierenden magnetischen Energiedichte

Energiedichte des elektromagnetischen Feldes

• Ableitung der Energiedichte für elektrische und magnetische Felder:
  • elektrische: $\frac{1}{2} \varepsilon_0 E^2$
  • magnetische: $\frac{1}{2} \frac{B^2}{\mu_0}$
• Relevanz für elektromagnetische Wellen und Energieübertragung z.B. von der Sonne zur Erde.