Was ist eine Induktivität?

Original Bingsen Industriesteuerung

Die Induktivität ist eine physikalische Kenngröße eines Stromkreises, die beschreibt, wie Bauteile Stromänderungen widerstehen und Spannung erzeugen. Um dieses Konzept detailliert und verständlich zu erklären, betrachten wir es in mehreren Abschnitten:

1. Strom und Magnetfeld
Zunächst ist es wichtig zu verstehen, dass beim Durchfließen eines Drahtes mit Strom ein Magnetfeld entsteht. Dies ist ein grundlegendes Prinzip des Elektromagnetismus. Die Stärke des Magnetfelds hängt von der Stromstärke ab: Je größer der Strom, desto stärker das erzeugte Magnetfeld.

2. Elektromagnetische Induktion
Als Nächstes werden wir die elektromagnetische Induktion einführen. Das Faradaysche Induktionsgesetz besagt, dass ein sich änderndes Magnetfeld in umgebenden Leitern eine Spannung erzeugen kann. Das bedeutet, dass ein Magnetfeld, dessen Stärke sich ändert, in nahegelegenen Drähten eine Spannung „anregen“ oder „induzieren“ kann.

3. Die Funktion der Induktivität
Wie funktioniert Induktivität? Wenn man einen Draht (z. B. eine Spule) mit Strom versorgt, entsteht ein Magnetfeld. Ändert sich der Strom (nimmt er zu oder ab), ändert sich auch das Magnetfeld um den Draht. Nach dem Faradayschen Induktionsgesetz erzeugt dieses sich ändernde Magnetfeld eine induzierte Spannung im Draht, die versucht, den ursprünglichen Stromfluss konstant zu halten. Dieses Phänomen ist ein Ausdruck von Induktivität.

Steigt der Strom, erzeugt die Spule eine Sperrspannung, die versucht, den Strom zu verringern. Sinkt der Strom, erzeugt die Spule eine Durchlassspannung, die versucht, den Strom zu erhöhen. Deshalb werden Spulen manchmal als die „Trägheit“ des Stroms bezeichnet, da sie Stromänderungen widerstehen.

4. Spule und Induktivität
In der Praxis werden Drähte üblicherweise zu Spulen gewickelt, um die Induktivität zu erhöhen. Die Drähte innerhalb der Spule beeinflussen sich gegenseitig aufgrund des Magnetfelds benachbarter Spulen, wodurch die Induktivität der gesamten Spule deutlich größer ist als die eines geraden Leiters.

5. Anwendung
Induktivitäten haben viele praktische Anwendungen. Beispielsweise können sie in Stromversorgungsgeräten zur Glättung von Spannungsschwankungen eingesetzt werden; in drahtlosen Kommunikationsgeräten werden sie zusammen mit Kondensatoren verwendet, um Schwingkreise zu erzeugen, die Signale bestimmter Frequenzen herausfiltern können.

(1) Netzfilter
Induktivitäten werden in Leistungsschaltungen, insbesondere in Schaltnetzteilen, eingesetzt, um Strom und Spannung zu glätten, Rauschen und Spannungsspitzen zu reduzieren. Sie dienen der Unterdrückung hochfrequenter Störungen und der Bereitstellung einer stabilen Gleichstromversorgung für die Schaltungen.
(2) Resonanzkreis und Frequenzauswahl
Induktivitäten und Kondensatoren werden gemeinsam verwendet, um Resonanzkreise zu bilden, die Signale bei bestimmten Frequenzen auswählen oder verstärken können. Dies ist besonders wichtig für drahtlose Kommunikationsgeräte wie Radios und Mobiltelefone, da es zur Frequenzfilterung und -abstimmung eingesetzt werden kann.

(3) Energiespeicherung und -übertragung
Induktivitäten dienen in Schaltungen als Energiespeicher, insbesondere in Impulsnetzteilen und Anwendungen zur temporären Energiespeicherung. In Transformatoren werden Induktivitäten eingesetzt, um Energie mittels magnetischer Kopplung zwischen verschiedenen Stromkreisen zu übertragen und Änderungen von Spannungs- und Stromstärken zu ermöglichen.
(4) Strombegrenzung und Überstromschutz
In den Anlauf- und Stromversorgungsschaltungen von Elektromotoren können Induktoren die Anstiegsgeschwindigkeit des Stroms und den Spitzenstrom begrenzen und so einen Überstromschutz gewährleisten und Schäden an der Schaltung verhindern.

(5) Signalverarbeitung
In der analogen Signalverarbeitung werden Induktivitäten eingesetzt, um hochfrequente Signale herauszufiltern, die Impedanz anzupassen und Signale zu verzögern. Sie sind in verschiedenen Filterdesigns weit verbreitet.
(6) Unterdrückung elektromagnetischer Störungen (EMI)
Induktivität wird zur Unterdrückung und Filterung elektromagnetischer Störungen (EMI) eingesetzt. Dadurch wird verhindert, dass Störungen in den Stromkreis gelangen oder von ihm abgegeben werden, wodurch Interferenzen mit anderen Geräten vermieden werden.

(7) Sensoren
In einigen Sensortechnologien werden Induktoren verwendet, um Änderungen in Magnetfeldern zu erfassen, die mit der Position, der Geschwindigkeit oder anderen physikalischen Größen in Zusammenhang stehen können.
(8) Leistungsfaktorkorrektur
In Wechselstromsystemen werden Induktoren und Kondensatoren gemeinsam eingesetzt, um den Leistungsfaktor zu verbessern, den Blindleistungsverbrauch zu reduzieren und somit die Effizienz der elektrischen Energienutzung zu steigern.

6. Maßeinheit
Die Einheit der Induktivität ist Henry (H), benannt nach dem amerikanischen Wissenschaftler Joseph Henry. Beträgt die Induktivität einer Spule 1 Henry, so erzeugt jede Stromänderung von 1 Ampere pro Sekunde eine induzierte Spannung von 1 Volt in der Spule.

Zusammenfassung
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Induktivität eine Eigenschaft eines Bauteils ist, die Stromänderungen entgegenwirkt, indem sie innerhalb des Bauteils eine Gegenspannung erzeugt, um schnellen Stromänderungen entgegenzuwirken. Dieses einfache Prinzip findet vielfältige Anwendungen in der Elektronik und Elektrotechnik, von der einfachsten Leistungsfilterung bis hin zur komplexen Hochfrequenzabstimmung.