Weshalb können an der Sekundärspule gefährliche Spannungen auftreten, wenn man den Gleichstrom ausschaltet?

Du denkst gerade an einen Transformator. Ein Transformator besteht aus 2 Spulen einer Primär und eine Sekundär spule. Einen Transformator mit Gleichspannung zu versorgen macht so zunächst einmal herzlich wenig Sinn.

Darum schauen wir uns das ganze nochmal mit einer einfachen Induktivität also einer einfachen Spule im Gleichstromkreis an. Ich versuche das ganze hier ein wenig ausführlicher zu machen. Wir schauen uns also erst einmal an, was wir grundlegend bei Induktivitäten also Spulen berücksichtigen müssen.

Zunächst einmal ist es so, das wir es hier mit magnetischen Feldern zutun haben. Das heißt ein elektrischer Leiter wird von einen elektrischen Strom durchflossen und es baut sich daraufhin ein magnetisches Feld auf aufgrund der Bewegung von Ladungsträgern oder anders gesagt, Magnetfelder hängen IMMER mit der Bewegung von Ladungsträgern zusammen. Zurückzuführen ist es auf die gute alte Maxwell Gleichung:

Jetzt erstmal nicht erschrecken. Es gibt insgesamt 4 Gleichungen und alles in der Elektrotechnik basiert zum Schluss auf diese. Es ist nicht schlimm, solltest du es jetzt nicht alles verstehen.

Interessant ist für uns jetzt vor allem erstmal die 3. Gleichung Übersetzt sagt diese uns nämlich, dass das rotieren des elektrischen Feldes die Ursache für das rotieren des magnetischen Feldes ist. Das Minuszeichen bedeutet nur, dass diese Rotation der Rotation des elektrischen Feldes entgegen gerichtet ist.

Schauen wir uns nochmal unseren elektrischen Leiter an. Wir lassen durch diesen einen elektrischen Strom I fließen und wir erkennen es baut sich um den Leiter herum ein magnetisches Feld auf. Nun stell dir vor, wir machen diesen Leiter immer dünner und dünner bis wir in die Welt der Atome vordringen und noch immer kommen wir darauf, dass hier ein magnetisches Feld existiert und stellen fest, dass diese Rotation des Feldes durch die Rotation des Ladungsträgers entsteht. Wir haben also einen Ladungsträger der in seiner eigenen Achse Rotiert und davon eben ein paar Mehr den die Stromstärke ist ja die anzahl der Ladungsträger pro Zeit I=Q/t. Je mehr Ladungsträger sich in gleiche Richtung bewegen und dabei rotieren, desto stärker rotiert auch unser magnetisches Feld.

So weit so gut. Was auch interessant ist, ist die 2. Gleichung, denn hier sehen wir, dass es keinen anderen Ursprung für ein magnetisches Feld im Universum gibt, aus dem es entspringen und enden kann also Magnetfelder haben immer mit der Bewegung von Ladungsträgern zutun.

So weit so gut. Das Magnetfeld was dabei nun entsteht verhält sich folgendermaßen:

H=I/2*Pi*r

Je größer die Stromstärke, desto stärker wird das Magnetfeld. Dieses Magnetfeld wirkt allerdings schwächer, je weiter man sich von der Quelle entfernt also der Radius größer wird. Nah dran wirkt das Magnetfeld also am stärksten.

Wir wickeln nun den elektrischen Leiter auf. Wir haben nun eine Spule gebaut mit der Windungszahl N und in jeder Windung wirkt nun das Magnetfeld welcher im Leiter Vorher durch den Stromfluss entsteht. Mit anderen Worten die Spule erfährt sein eigenes Magnetfeld wenn man so will.

Aus all dem was wir jetzt wissen, lässt sich gut das Induktionsgesetz ableiten:

Magnetfelder können demnach also Spannungen induzieren. Die induzierte Spannung Ui ist dabei abhängig von der Windungszahl N der Spule die das Magnetfeld erfährt, der ÄNDERUNG des magnetischen Flusses und die ÄNDERUNG der Zeit.

Nun wissen wir eigentlich alles was wir wissen müssen um das zu verstehen. Bauen wir also unser Versuch auf. Wir haben eine Spannungsquelle und eine Spule. Durch diese Spule lassen wir einen Strom I fließen. Es baut sich ein Magnetisches Feld auf, welcher sich wie folgt verhält: H=I/2*Pi*r aufgrund dessen, dass wir von jetzt auf gleich einen Strom fließen kommt es auch zu einer Änderung des Magnetfeldes, denn vorher hatten wir kein Magnetfeld und dadurch das wir ein Strom fließen lassen baut sich ein Magnetfeld auf.

Diese Magnetfeld Änderung bezogen auf die die zeitliche Änderung in der es sich ändert induziert jetzt eine Spannung die der Ursache entgegen wirkt, deshalb das - als Vorzeichen. Die induzierte Spannung ist in dem Moment genauso hoch wie die angelegte Spannung, weshalb der Stromfluss zum erliegen kommt. Dadurch, dass wir dann keine Änderung im des magnetischen Flusses haben beginnt ein Strom zu fließen welcher sich dann dem maximal Wert angleicht und die Spule wirkt wie ein Widerstand, der durch die Leitfähigkeit des Leiters, seiner Länge und seinem Querschnitt bestimmt wird. Mit anderen Worten. Der Stromfluss durch die Spule kann anders wie die Spannung nicht Sprunghaft sondern nur exponenziell ansteigen.

Nun haben wir eine maximale Spannung und ein maximaler Strom, die magnetische Feldstärke H ergibt sich dann durch den Stromfluss.

So weit so gut. Wir haben eine Spannung UL an der Induktivität, einen Strom I welcher durch die Induktivität fließt und wir haben ein dadurch resultierendes magnetisches Feld.

Nun schalten wir die Spannungsquelle ab. Was passiert? Nach dem Induktionsgesetz ist es jetzt so, dass wir hier aufgrund der schlagartigen Änderung des Stromflusses eine schlagartige Änderung des magnetischen Feldes haben und jetzt nehmen wir mal rein theoretisch an, die Zeitdauer, in der sich das Magnetfeld ÄNDERT ist 0. Wir hatten z.b. vorher einen magnetischen Fluss Phi von meinetwegen 50Milliweber und innerhalb einer Zeitdauer von 0 Sekunden ist der magnetische Fluss nur noch 0 Weber und was ist 50/0 ? unendlich. Vereinfacht gesagt. Aus einen Kuchen welcher in 50 Stücken aufgeteilt ist kannst du unendlich 0 Stücke herausnehmen. Rein theoretisch müsste die Spannung also unendlich groß sein.

In der Praxis ist es natürlich nicht unendlich groß, doch es kann durch die Induktivität eben aufgrund der Gesetze passieren, dass eine so hohe Spannung induziert werden kann, sodass der Strom trotzdem zum weiterfließen gezwungen wird, damit sich das Magnetfeld langsamer ändern kann. Das führt dann z.b. zu Funkenbildung am Schalter. Bei einem Funken wird die Luft Ionisiert wodurch diese Leitfähig wird, man spricht dann von einem Plasma förmigen Zustand was wiederum bedeutet, dass hier extrem hohe Temperaturen wenn auch nur für kurze Zeit mitspielen, die zur Zerstörung des Schalters führen können. Funken Bildungen sind daher alles andere als Gesund für einen mechanischen Schalter darüberhinaus ist diese hohe Spannung besonders gefährlich für Halbleiter Elektronik, denn diese arbeiten selbst mit extrem kleinen Zeitlichen Änderungen. Selbst wenn auch nur ganz kurz eine hohe Spannung anliegt, reicht es aus, um das elektronische Bauteil durch die hohe Spannung zu durchbrechen eine Diode z.b. wird dann durchbrochen, wodurch die Sperrschicht die Diode zerstört wird. Für einen Schalter welcher mechanisch arbeitet nimmt das vielleicht noch nicht ganz so schlimm mit, wenn die Einwirk dauer nicht zu groß wird, gesund ist es aber trotzdem nicht.

Kurz einmal zu den Physikalischen Größen die bei Magnetfelder wichtig sind das Thema Magnetismus ist ebenfalls wirklich wieder ein Thema für sich, deshalb ist die Verwirrung wenn man die ganzen unterschiedlichen Größen in den Gleichungen sieht nur verständlich. Deshalb eine kleiner Aufklärung

Magnetismus Physikalische Größen

• Die Magnetische Durchflutung theta. Berechnet wird sie: theta=I*N die Aussage die man hier machen kann und wofür die Magnetische Durchflutung auch wichtig ist, ist die, dass die magnetische Durchflutung umso größer ist, je größer die Windungszahl N der Spule und oder die elektrische Stromstärke I ist. Angegeben wird sie daher ebenfalls in Ampere oder AW also Amperewindungen.
• Magnetische Feldstärke H. Die Magnetische Feldstärke ist die magnetische Durchflutung pro mittlere Feldlinienlänge oder Spulen länge. Die Einheit ergibt sich aus der magnetischen Durchflutung (A) und der Spulenlänge/mittleren Feldlinienlänge. Daraus ergibt sich A/m
• Magnetischer Fluss Phi Obwohl in Wirklichkeit nichts fließt, vergleicht man die Summe aller magnetischen Feldlinien mit dem elektrischen Strom und nennt den magnetischen Fluss Phi Die Maßeinheit des magnetischen Flusses wird aus dem Induktionsgesetz abgeleitet und lautet Voltsekunde (Vs) oder auch Weber (Wb)
• Magnetische Flussdichte B Die magnetische Wirkung eines Magneten ist umso größer, je dichter der magnetische Fluss ist. Die magnetische Flussdichte B bildet sich aus dem magnetischen Fluss und der Querschnittsfläche des Magneten in m^2. Die Maßeinheit ist Tesla (T).
• Induktivität einer Spule. Die Induktivität berechnet sich folgendermaßen L=n^2*A*Müh0*Müh r * 1/l n ist die Windungszahl, A ist die wirksame Fläche im Magnetfeld, Müh 0 ist die Magnetische Feldkonstante und hat den Wert: µ0= 4π •10-7 Vs/Am. Sie wird auch als Vakuumpermeabilität bezeichnet. Die magnetische Feld konstante resultiert aus der Definition das Ampere als eine Größe, die von der Kraft zwischen zwei parallelen stromdurchflossenen Leitern abhängig ist. Müh r ist dabei die sogenannte Permeabilitätszahl und gibt an wie durchlässig ein Material für das magnetische Feld ist. Mit anderen Worten: Die geometrischen und stofflichen Eigenschaften einer Spule fasst man als Induktivität L einer Spule zusammen. Die Induktivität wird dann also zu einer festen Eigenschaft der jeweiligen Spule. Die Einheit ist Henry (H)

Ein Transformator im Gleichstromkreis ist vor allem in Zündanlagen in Autos von Bedeutung. Dort wird zunächst eine Gleichspannung an der Primärspule angelegt. Zunächst passiert dabei auch nicht sehr viel. Beim Abschalten durch das umlegen eines Schalters z.b. wird in die Sekundär spule eine extrem hohe Spannung aufgrund des Induktionsgesetzes induziert, die für den Zündfunken sorgt.

Weil sich der manetische Fluss (fast) schlagartig ändert und auf Null geht. Daduch entsteht eine hohe Spannung.

Deine Frage ist unverständlich, die solltest du mal anders formulieren. Welchen Gleichstrom, aus einer Sekundärspule kommt Wechselstrom.