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Nachricht |
HighVoltage
Gast
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 HighVoltage Verfasst am: 15. Apr 2026 07:04 Titel: Unendlich große Induktionsspannung |
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Meine Frage:
Moin moin,
ich habe eine vermutlich etwas dämliche Frage. Und zwar:
Wenn ich eine Spannungsquelle, eine Induktivität, einen Widerstand und einen Schalter in Reihe schalte. Anschließend öffne ich den Schalter. Müsste die induzierte Spannung nicht theoretisch unendlich groß werden?
Der magnetische Fluss würde ja instantan unterbrochen werden.
Meine Ideen:
Ich gehe mal davon aus, dass es in der Realität nicht so ist, sonst hätten wir ja ein Problem. Nur warum? Was begrenzt die Spannung? |
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ML
Anmeldungsdatum: 17.04.2013
Beiträge: 3563
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| ML Verfasst am: 15. Apr 2026 09:37 Titel: Re: Unendlich große Induktionsspannung |
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Hallo,
| HighVoltage hat Folgendes geschrieben: |
Wenn ich eine Spannungsquelle, eine Induktivität, einen Widerstand und einen Schalter in Reihe schalte. Anschließend öffne ich den Schalter. Müsste die induzierte Spannung nicht theoretisch unendlich groß werden?
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Ja, zumindest wenn du unendlich schnell schaltest.
| Zitat: |
Der magnetische Fluss würde ja instantan unterbrochen werden.
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Im Magnetfeld ist Energie gespeichert. Beim Abschalten des Stromes muss diese Energie irgendwie wegtransportiert werden. Wenn Du unendlich schnell abschaltest, muss die Energie mit unendlich großer Leistung abtranspoertiert werden.
Eine der möglichen Wege, um die Energie aus dem Feld zu nehmen, ist durch Funkenschlag beim Schalter. Unmittelbar nach dem Umlegen des Schalters fließt der Strom erst einmal weiter, da er über
mit der Feldenergie verknüpft ist und diese Feldenergie nicht instantan verschwindet.
Der weiter fließende Strom transportiert Ladung und lädt die Enden des Schalters gegeneinander auf. Die Enden des Schalters bilden eine winzige Kapazität, die durch diesen Strom aufgeladen wird. So entsteht am Schalter eine hohe Spannung. Die Spannung wird rasch so groß, dass die Isolationsstrecke durchbricht (z. B. mit Funkenschlag), so dass bei hoher Spannung ein Strom fließt. Die Stromstärke ist im ersten Moment ungefähr so groß ist wie die Stromstärke durch die Spule zum Zeitpunkt des Abschaltens*.
Auf diese Weise wird die Leistung
abgeführt und ein Teil der oder die ganze ursprünglich im Magnetfeld befindliche Energie in Wärme umgesetzt.
Üblicherweise nutzt man sogenannte Freilaufdioden, um den Spannungsanstieg zu verhindern. Diese schaltet man parallel zur Spule und zwar so, dass die Diode im Normalbetrieb nicht leitet. Wenn man den Schalter umlegt, kann der Spulenstrom erstmal durch die Diode weiter- bzw. zurückfließen. Es bildet sich dann ein Ringstrom, der durch Spule die Spule "hinfließt" und durch die Diode wieder zurück im Kreis fließt. Aufgrund der Kombination aus der Stromstärke und der Diodenspannung von typischerweise 0,7V** entsteht eine Verlustleistung. Die Spulenenergie wird so in Wärme umgesetzt.
Viele Grüße
Michael
* Er ist ein kleines Bisschen kleiner als der Abschaltstrom, da inzwischen ja die parasitäre Kapazität des Schalters aufgeladen wurde.
** und durch z B. Ohm'sche Verluste in der Spule |
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HighVoltage
Gast
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| HighVoltage Verfasst am: 15. Apr 2026 20:22 Titel: |
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Hallo Michael, danke für deine Antwort.
Das hilft mir schon mal weiter. Das einzige, was mir noch nicht ganz in den Kopf geht: Im Moment des Schaltens geht der Stromfluss doch erstmal ganz kurz auf 0 zurück, bis die Spannung so hoch ist, dass am Schalter ein Funkenüberschlag stattfindet. Sehe ich das so richtig?
Wie ist das bei Halbleiterelementen als Schalter (Transistoren)? Diese schalten vermutlich auch nicht unendlich schnell, oder? |
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Aruna_17
Gast
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| Aruna_17 Verfasst am: 15. Apr 2026 22:53 Titel: |
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| HighVoltage hat Folgendes geschrieben: | Im Moment des Schaltens geht der Stromfluss doch erstmal ganz kurz auf 0 zurück, bis die Spannung so hoch ist, dass am Schalter ein Funkenüberschlag stattfindet. Sehe ich das so richtig?
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Nein, die induzierte Spannung ist der zeitlichen Änderung der Stromstärke proportional
d.h. der Strom muss nicht auf 0 zurückgehen, er muss nur schnell genug abnehmen, dass ein alternativer Strompfad genutzt werden kann. |
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HighVoltage
Gast
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| HighVoltage Verfasst am: 16. Apr 2026 05:34 Titel: |
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Aber real betrachtet muss er beim Öffnen eines Schalters doch mal ganz kurz, wenn die Kontakte voneinander abheben und bevor der Funke überschlägt, auf 0 zurück gehen. Oder? |
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ML
Anmeldungsdatum: 17.04.2013
Beiträge: 3563
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| ML Verfasst am: 16. Apr 2026 06:23 Titel: |
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Hallo,
| HighVoltage hat Folgendes geschrieben: |
Das hilft mir schon mal weiter. Das einzige, was mir noch nicht ganz in den Kopf geht: Im Moment des Schaltens geht der Stromfluss doch erstmal ganz kurz auf 0 zurück, bis die Spannung so hoch ist, dass am Schalter ein Funkenüberschlag stattfindet. Sehe ich das so richtig?
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An sich ist das richtig gedacht. Die Physik ist an dieser Stelle aber etwas kniffeliger.
Unmittelbar nach dem Öffnen des Schalters fließt in der Lücke zwischen den Schalteranschlüssen tatsächlich kein (ladungsgebundener) Strom. Im Leiter und in der Spule fließt der Strom aber trotzdem unbeeindruckt weiter.
Das Ding ist, dass es zwei Arten von Strom gibt:
- den "normalen" durch Ladung hervorgerufenen Strom und
- den sogenannten Verschiebungsstrom
Beim Öffnen des Schalters fließt im Leiter der (normale) Ladestrom für den parasitären Kondensator und in der Lücke zwischen den beiden Anschlüssen des Schalters (d. h. im Kondensator) fließt der Verschiebungsstrom. Der Verschiebungsstrom besteht nicht aus fließenden Ladungen, sondern kommt durch Änderungen des elektrischen Feldes zustande.
Beim Laden von "normalen" Kondensatoren ist das ja genauso:
- Im Leiter fließt ein Konvektionsstrom (Strom, der durch Ladungen hervorgerufen wird).
- Mit jeder Ladung, die auf die Kondensatorplatte trifft, ändert sich das elektrische Feld zwischen den Kondensatorplatten.
- Und genau diese Änderung des elektrischen Feldes zwischen den Platten bestimmt den Verschiebungsstrom, der -- wie normaler Strom auch -- ein Magnetfeld um sich herum ausbildet.
Nur deshalb kann man davon sprechen, dass der Stromkreis beim Vorhandensein von Kondensatoren geschlossen ist.
Im Durchflutungsgesetz, einer der Maxwellgleichungen, taucht der Verschiebungsstrom gleichberechtigt mit dem Konvektionsstrom auf. Das Durchflutungsgesetz lautet:
 \mathrm{d}\vec A)
Mit  ist dabei die durch Ladungen hervorgerufene Stromdichte gemeint, also eine Stromstärke durch die Fläche geteilt. Dem gegenüber ist  die sogenannte Verschiebungsstromdichte. Im Vakuum ist  direkt proportional zur elektrischen Feldstärke  .
Das Integral der Stromdichte über eine Fläche ist die Stromstärke, das Integral der Verschiebungsstromdichte über eine Fläche ist der Verschiebungsstrom.
| Zitat: | | Wie ist das bei Halbleiterelementen als Schalter (Transistoren)? Diese schalten vermutlich auch nicht unendlich schnell, oder? |
Transistoren schalten schneller als mechanische Schalter, aber eben auch nicht unendlich schnell.
Viele Grüße
Michael |
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