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Selbstinduktion: verzögertes Lampenleuchten
Status: (Frage) beantwortet Status 
Datum: 22:47 Mo 20.01.2020
Autor: Riesenradfahrrad

Hallo!

ich habe einen Versuch aufgebaut, in dem die Selbstinduktion einer Spule gezeigt wird.
[Dateianhang nicht öffentlich]
[Dateianhang nicht öffentlich]
Falls es klappen sollte mit dem Upload, so könnt ihr Euch mein kurzes Video dazu anschauen.

Mein Frage ist nun experimentalphysikalischer Natur. Man sieht in Echt/im Video, wie die Lampe im Schaltzweig mit der Spule später anfängt zu leuchten.
Leider kann aber kein verzögertes Erlöschen der Lampe sehen. Wissen tue ich nicht, voran es liegt. Habe nur einen nicht-belegten Vorschlag, warum das so ist und würde gern Eure Meinung dazu hören.

Vorweg: Grund für eine Stromstärkeänderung im Stromkreis ist der Einschaltvorgang. Im ausgeschalteten Zustand hat $R$ den Wert unendlich. Nach abgeschlossenem Einschaltvorgang ist der Widerstand bei einem gewissen Wert [mm] $R_{abgeschlossen}$. [/mm] Der Widerstand der Schaltung kann nicht instantan auf [mm] $R_{abgeschlossen}$ [/mm] sinken. Die Änderungsrate von $R$ müsste nun derart verlaufen, dass [mm] $\dot{R}$ [/mm] zunächst groß ist und dann immer mehr abflacht (trivial, da ja $R$ auf lange Sicht konstant ist).

Mein Aufbau: Doch dieses Abflachen müsste in meinem Aufbau wohl ungünstig lange dauern. Da beim Rückweg - Öffnen des Schalters - kein Effekt zu beobachten ist.
[Dateianhang nicht öffentlich]

Günstiger für einen Effekt beim Öffnen des Schalters wäre wohl
[Dateianhang nicht öffentlich]
[a]Datei-Anhang

Freue mich sehr über Antworten!:-)

Dateianhänge:
Anhang Nr. 1 (Typ: jpg) [nicht öffentlich]
Anhang Nr. 2 (Typ: jpg) [nicht öffentlich]
Anhang Nr. 3 (Typ: png) [nicht öffentlich]
Anhang Nr. 4 (Typ: png) [nicht öffentlich]
Anhang Nr. 5 (Typ: mp4) [nicht öffentlich]
        
Bezug
Selbstinduktion: Mitteilung
Status: (Mitteilung) Reaktion unnötig Status 
Datum: 08:55 Di 21.01.2020
Autor: chrisno

Nach dem Öffnen des Schalters kann der Strom nur durch den Kreis mit beiden Lämpchen, Spule und Widerstand fließen. Also leuchten beide oder beide nicht.

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Selbstinduktion: Antwort
Status: (Antwort) fertig Status 
Datum: 17:40 Di 21.01.2020
Autor: leduart

Hallo
beim Einschalten hast du ja, da an Spule die Spannung [mm] U_0 [/mm] anliegt
[mm] I(t)=U_0/R_1(1-e^{-R/L*t} [/mm] )wobei [mm] R_1 [/mm] der Widerstand der Lampe+ ohmscher Widerstand der Spule. d.h. Anfangsstrom I(0)=0 und steigend.
du kannst sehen  indem du [mm] R_1 [/mm] /L ansiehst wann dein Strom praktisch konstant ist. (e^(-R/L*t) <<1) von dem gehst du dann beim ausschalten aus . Beim ausschalten ist der Strom durch die Summe aller 4 Widerstände bestimmt.  damit [mm] I(t)=U_0/R_1*e^{-R_(ges)/L*t}, [/mm] das ist der Strom durch BEIDE Lämpchen,  d.h. beide Lämpchen sollten kurz aufleuchten, Für die SuS : die im Magnetfeld gespeicherte Energie wird abgegeben.
Gruß ledum

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Selbstinduktion: Mitteilung
Status: (Mitteilung) Reaktion unnötig Status 
Datum: 22:23 Mi 22.01.2020
Autor: Riesenradfahrrad

Danke an chrisno und insbesondere an leduart,

ah, ja klar müssen beide Lämpchen gleichermaßen aufleuchten! Danke, das habe ich völlig übersehen. Danke!
Gut, dann müsste ich also fragen, warum nicht Hellerwerden beider Lampen beim Öffnen sieht. Ich setze gleich mal Widerstand und Induktivität ein und guck zeitliche Dauer an. Würde natürlich gern den Aufbau so gestalten, dass beide Effekte - verzögertes Leuchten UND verzögertes Erlöschen sichtbar sind....

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Selbstinduktion: Mitteilung
Status: (Mitteilung) Reaktion unnötig Status 
Datum: 22:30 Mi 22.01.2020
Autor: chrisno

Probier mal:
Ein Doppelschalter, der zwei Stromkreise gleichzeitig schaltet.
In dem einen ist nur eine Lampe, nach Bedarf noch ein Widerstand.
In dem anderen sind Lampe und Spule in Reihe geschaltet und parallel dazu ein Widerstand.
Ob es so gelingt, weiß ich nicht. Also bin ich auf das Ergebnis gespannt.

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Selbstinduktion: Mitteilung
Status: (Mitteilung) Reaktion unnötig Status 
Datum: 12:59 Do 23.01.2020
Autor: leduart

Hallo
schalte ein Lämpchen in Reihe vor die Parallelschaltung, das geht sofort aus beim Abschalten die anderen verzögert.
Nicht heller werden: der Strom hat jetzt ja einen größeren Gesamtwiderstand!
Gruß ledum

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Selbstinduktion: Frage (überfällig)
Status: (Frage) überfällig Status 
Datum: 19:41 Do 23.01.2020
Autor: Riesenradfahrrad

Ah OK:
Also wenn ich ledurts Methode richtig verstehe, so muss ich dort dann einfache die Quellspannung etwas höher wählen, um drei helle Lampen zu haben.
[Dateianhang nicht öffentlich]


Wenn ich chrisnos Methode richtig verstehe, dann sieht die Schaltung so aus. Aber ein gleichzeitiges Beobachten der Lampen geht dort dann nicht oder?
[Dateianhang nicht öffentlich]

Naja, ich probiere mal beides aus. Schon mal vielen Dank!


Noch eine allgemeine Frage zur "Sicherheit" der Lampen. Wenn ich mir den
Term [mm] $I(t)=\tfrac{U_0}{R}\left(1-e^{-\tfrac{R}{L}\cdot t}\right)$ [/mm] anschaue, so fällt mir auf, dass jeder Stromkreis zur Zeit Null die Gesamtstromstärke Null hat, weil jeder Stromkreis einen Widerstand und eine (wenn auch kleine) Induktivität besitzt.
Weiter sehe ich, dass die induzierte Stromstärke [mm] $-I_{ind}(t)=\tfrac{U_0}{R}e^{-\tfrac{R}{L}\cdot t}\geq\tfrac{U_0}{R}$ [/mm] in der Lampe im Spulenzweig vom Betrag her niemals größer sein kann, als die Grenzstromstärke.
Fazit: Also kann die Änderungsrate des magnetischen Flusses in der Spule nie so groß sein, dass die Lampe kaputt geht (wenn sie ohne Spule bei gleichen Widerstand auch nicht kaputt geht).  

Dateianhänge:
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Anhang Nr. 2 (Typ: jpg) [nicht öffentlich]
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Selbstinduktion: Antwort
Status: (Antwort) fertig Status 
Datum: 20:32 Do 23.01.2020
Autor: chrisno

Ich finde die Version von Leduart aus der Sicht der Schüler überzeugender.
Meine Version war anders gemeint:
So wie Du es gezeichnet hast, ist gerade durch den Schalter ein Stromkreis aus Lampe, Spule und Widerstand geschlossen. Dieser Stromkreis soll immer so geschlossen sein. Der Schlater soll da also raus und Widerstand und Spule direkt verbunden werden. Dann kommt an diese Verbindung auch ein Anschluss für den Schalter.

Der Doppelschalter wird so angeschlossen, dass beide Stromkreise, der mit der roten und der mit der grünen Lampe, gleichzeitig an und ausgeschaltet werden.

Bezug
                                        
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Selbstinduktion: Fälligkeit abgelaufen
Status: (Mitteilung) Reaktion unnötig Status 
Datum: 20:20 So 23.02.2020
Autor: matux

$MATUXTEXT(ueberfaellige_frage)
Bezug
        
Bezug
Selbstinduktion: Antwort
Status: (Antwort) fertig Status 
Datum: 00:44 Fr 24.01.2020
Autor: HJKweseleit

Du hast mit deiner ersten Schaltung im Prinzip alles richtig gemacht. Allerdings ist die Selbstiduktivität offenbar nicht so hoch, dass der Effekt deutlich wird.
1200 Windungen mit Eisenkern sehen gut aus, sind aber tatsächlich noch sehr wenig. Versuche, eine Spule mit noch mehr Windungen zu nehmen (natürlich mit Eisenkern). Da sie nur wenig Strom vertragen wird, musst du Lämpchen für z.B. 0,04 A auswählen. Dann müsste es besser zu sehen sein.

Erklärung: Die Spule verhält sich wie ein träges Mühlrad.
Beim Einschalten lässt sie anfangs kaum Strom durch und startet langsam, bis sie (bei gleichen Ohmschen Widerständen) die selbe Stromstärke wie der Parallelzweig durchlässt. Daher die Verzögerung.

Beim Ausschalten "dreht sich das Mühlrad weiter", und zwar so, dass im ersten Moment die vor dem Ausschalten vorliegende Stromstärke weiterfließt. Diese wird nun durch beide Lampen und auch noch durch beide Widerstände (der eigene und der fremde) getrieben, so dass das Ganze sehr schnell abklingt.

In meiner Schule gibt es extra für diesen Versuch eine spezielle Spule mit hoher Selbstinduktivität und geringem ohmschen Widerstand, bei der der Effekt gut zu sehen ist.

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