Induktionsspændinger – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Niels Bohr Institutet > Spørg om fysik > ? om Fysik > Induktionsspændinger

02. oktober 2009

Induktionsspændinger

Hej Spørg om Fysik
Jeg vil spørge, om I kan hjælpe mig med følgende spørgsmål.
Jeg underviser en 9. klasse i fysik, pt om induktion mv.

Jeg vil gerne give eleverne en seriøs forklaring på, hvorfor der ved Faradays forsøg dannes et kraftigere strømstød når primærstrømmen afbrydes, end når den sluttes. Kan I sige noget om det ?

Med venlig hilsen
P F

 

 

Induktionsloven kan udtrykkes igennem Lenz lov Heinrich Friedrich Emil Lenz (Russisk-Tysk-Estonisk, 1804 - 1865) som siger: Induktionsstrømme vil søge at modvirke årsagen til deres opståen.

Det skal forstås på den måde, at ændre man fluxen (induktionsfeltet = magnetfeltet) igennem en lukket kreds, vil der opstå strømme i kredsen, som søger at modvirke ændringen (loven kan også anvendes ved bevægelse af en leder i magnetfelt, men det er ikke interessant her)..

Michael Faraday (GB, 1791 - 1867), formulerede induktionsloven som:

 

Hvor ε er den elektromotoriske kraft (spændingen), Δ betyder ændringen, Φ er den magnetiske flux, og t er den tilsvarende tid. Der står altså, at den spænding man måler fra kredsen, er proportional med ændringen af den magnetiske flux divideret med den tilsvarende tidsændring. Stor spænding fås altså enten, hvis fluxændringen er meget stor, eller ændringen går meget hurtigt så tidsændringen bliver lille eller ved kombinationer af disse.

Det der i spørgsmålet, sikkert tale om er en kreds som på figuren, hvor man afbryder og slutter kontakten. Det der er iagttaget er, at der kommer en høj spænding ved afbrydelse og ingen synlig spændingsstød ved slutning af kontakten. 

Når man slutter kontakten kan det vises, at strømmen i kredsen kan skrives:

Her er I strømmen i spolen, ε som før den elektromotoriske kraft, i dette tilfælde af batteriet, R er summen af modstandene i ledninger, batteri og spole, L selvinduktionen af spolen (proportional med vindingstallet opløftet til anden potens) og t tiden. 

Det giver en graf for strømmen som funktion af tiden, som her til venstre, hvor opvæksten ved tilslutning til batteriet ses.

Feltet fra spolen dvs. fluxen er iøvrigt proportional med strømmen.

 

 

Når strømmen vokser op ved slutningen af kontakten giver ohms lov:

Det man ser, er at spændingen, som driver strømmen rundt i spolen, ikke er batterispændingen men denne minus den modelektromotoriske kraft, altså noget der er mindre end batterispændingen. Dette er virkningen af Lenz lov. Det er altså en langsom ændring der sker, kun små induktionsspændinger. 

Svaret på spørgsmålet er så, at ved tænding har vi det viste forløb, der kommer ikke nogen høj spænding, fordi det bare er en ohmsk strøm, som bremses af modspændingen fra induktionsloven. Ved afbrydning, bliver tiden for afbrydelsen af strømmen meget kort, kontaktens brydestid + den tid der går gnist i kontakten. Når tiden er kort, giver Faradays induktionslov, at spændingen bliver meget høj. Man kan afkorte gnisten med magnetfelter eller en passende kondensator over gnistgabet, så spændingen bliver endnu højere.

Store selvinduktioner har mange vindinger dvs. en lang ledning ergo en høj modstand. Det betyder, at man skal bruge en høj spænding til at drive strømmen igennem spolen, og opladningen går langsomt. Derfor udnytter man ofte transformatorprincippet, hvor feltet leveres af en primær spole men forholdsvis få vindinger, lille modstand og ofte stor strøm. En sekundær spole med mange vindinger er så ansvarlig for at lave den høje spænding, og det kan den da dens modstand ikke indgår i systemet. Et godt eksempel på det er den gode gamle tændspole i f.eks. biler, som giver 20 000 - 30 000 V fra 12 V.

Med venlig hilsen
Malte Olsen