Warum erzeugt ein Spulenkern eine hohe Spannung und nicht einen hohen Strom?

Wenn ein Spule zusammenbricht (zum Beispiel, wenn ein Schalter im Spulenkreis plötzlich geöffnet wird), erzeugt sie eine hohe Spannung anstelle eines hohen Stroms. Dies lässt sich durch die grundlegenden Eigenschaften einer Spule und ihr Energiespeichersystem erklären. Hier ist eine detaillierte Erklärung:

Grundlegende Eigenschaften einer Spule

Die grundlegende Eigenschaft einer Spule kann durch die folgende Formel ausgedrückt werden:

wo:

V die Spannung über der Spule ist.

L die Induktivität der Spule ist. dI/dt ist die Änderungsrate des Stroms in Abhängigkeit von der Zeit.

Diese Formel zeigt, dass die Spannung über der Spule proportional zur Änderungsrate des Stroms ist. Mit anderen Worten, eine Spule widersteht schnellen Änderungen des Stroms.

Energiespeicherung

Eine Spule speichert Energie, wenn Strom durch sie fließt, und diese Energie wird im Magnetfeld gespeichert. Die Energie E, die in einer Spule gespeichert wird, kann durch die folgende Formel ausgedrückt werden:

wo:

• E die gespeicherte Energie ist.

• L die Induktivität ist.

• I der durch die Spule fließende Strom ist.

Wenn der Schalter geöffnet wird

Wenn ein Schalter im Spulenkreis plötzlich geöffnet wird, kann der Strom nicht sofort auf Null fallen, da das Magnetfeld in der Spule Zeit braucht, um seine gespeicherte Energie freizugeben. Da der Strom nicht instantan ändern kann, versucht die Spule, den bestehenden Stromfluss beizubehalten.

Da jedoch der Schalter geöffnet ist, wird der Weg für den Strom unterbrochen. Die Spule kann den Strom nicht weiter aufrechterhalten, weshalb sie eine sehr hohe Spannung an ihren Enden erzeugt. Diese hohe Spannung versucht, den Strom weiter fließen zu lassen, aber da der Kreis unterbrochen ist, kann der Strom nicht passieren, und die Spule gibt ihre gespeicherte Energie durch die hohe Spannung ab.

Mathematische Erklärung

Gemäß dem Spannungs-Strom-Verhältnis einer Spule V=L（dI/dt）muss, wenn der Schalter plötzlich geöffnet wird, der Strom I sehr schnell auf Null fallen. Das bedeutet, dass die Änderungsrate des Stroms dI/dt sehr groß wird, was zu einer sehr hohen Spannung V führt.

Praktisches Phänomen

In praktischen Schaltungen kann diese hohe Spannung Funkenentladungen verursachen oder andere Komponenten im Schaltkreis beschädigen. Um dies zu vermeiden, wird oft eine Diode (bekannt als Rückspuldiode oder Freilaufdiode) parallel zur Spule geschaltet. Dies ermöglicht es, dass der Strom durch die Diode weiterfließen kann, wenn der Schalter geöffnet wird, und verhindert so die Erzeugung von extrem hohen Spannungen.

Zusammenfassung

Wenn ein Schalter im Spulenkreis plötzlich geöffnet wird, wird eine hohe Spannung anstelle eines hohen Stroms erzeugt, weil die Spule versucht, den bestehenden Stromfluss beizubehalten. Da jedoch der Kreis unterbrochen ist, kann der Strom nicht weiter fließen, und die Spule gibt ihre gespeicherte Energie durch die Erzeugung einer hohen Spannung ab. Diese hohe Spannung ist aufgrund der sehr großen Änderungsrate des Stroms dI/dt bedingt.