Archiv Papiertechnik

Induktivität und Transformator

Mit dem Prinzip der Induktivität machte der britische Physiker und Chemiker Michael Faraday im Jahr 1831 eine der für unsere heutige Technik bedeutendsten Entdeckungen.

HLD

Nach Faraday ist jedoch das Maß der elektrischen Kapazität benannt (siehe PapierMacher 6/2005), wogegen die Maßeinheit für die Induktivität den Namen des amerikanischen Physikers Joseph Henry trägt, der die Induktion zwar wohl als erster erkannt, aber nicht als erster veröffentlicht hatte.

Induktion bedeutet in der Elektrizität die Erzeugung von elektrischem Strom in einem Leiter, der durch ein magnetisches Feld bewegt wird. Die vollständige und richtige Bezeichnung dieses Phänomens ist deshalb „elektromagnetische Induktion“. Diese Entdeckung führte zur Entwicklung des elektrischen Rotationsgenerators, der mechanische Bewegung in elektrische Energie umwandelt und den umgekehrten Vorgang, bei dem der Elektromotor den elektrischen Strom wieder zur Erzeugung von mechanischer Energie benutzt. Das Prinzip der Induktion ist folgendes: Wenn ein elektrischer Leiter von einem Strom I durchflossen wird, so bildet sich ein magnetisches Feld, dessen Stärke von der magnetischen Induktion abhängt. Ein zweiter geschlossener Leiter wird dann von dem magnetischen Fluss F durchsetzt, der durch den ersten Leiter entsteht. Dabei ist der magnetische Fluss proportional der Stromstärke:

F = L x I,

wobei der Faktor L der Induktivität des Leiters entspricht. Jede von Strom durchflossene Leiterschleife wird auch von dem von ihr selbst erzeugten Magnetfluss durchsetzt, was man als Selbstinduktivität bezeichnet. Selbstinduktion tritt zum Beispiel bei Spulen auf und ist der Basiseffekt für den Wechselstromtransformator, der wie auch Elektrogenerator und -motor ein in der Technik unverzichtbares Gerät ist.

Als ein Henry wird die Induktivität eines Leiters bezeichnet, der von einem Strom von ein Ampere (A) durchflossen und von einem magnetischen Fluss der Stärke ein Weber (Wb) durchsetzt wird. Es besteht also die folgende Beziehung zwischen diesen Einheiten: 1 H = 1 Wb A-1 oder 1 H = 1 Wb/A (1 Henry = 1 Weber pro Ampere).

Joseph Henry, ein amerikanischer Physiker, dessen wichtigste Arbeit sich mit dem Elektromagnetismus beschäftigt, lebte von 1797 bis 1878. Er wurde in Albany (New York) geboren, studierte an der Albany-Akademie und wurde 1826 dort Professor für Mathematik und Naturphilosophie. 1832 erhielt er die Professur für Naturphilosophie an der berühmten Universität Princeton. Er entdeckte zwar die Prinzipien der elektromagnetischen Induktion noch bevor der britische Physiker Michael Faraday seine Entdeckung des elektromagnetisch erzeugten Stromes bekannt gab, Faraday veröffentlichte jedoch zuerst und gilt deshalb als der Entdecker. Die von Henry 1832 nachgewiesene Selbstinduktion gilt jedoch als seine eigene Entdeckung, deshalb trägt die Einheit der Induktivität den Namen Henry (Einheitenzeichen H). Schon 1829 hatte Henry Elektromagneten mit großer Kraft und Wirksamkeit entwickelt, die denen entsprachen, die später in Dynamos und Motoren verwendet wurden. Im Jahr 1831 entwickelte er den ersten praktisch verwendbaren elektromagnetischen Telegraphen. Er erfand und baute auch einen der ersten Elektromotoren. 1846 wurde Henry zum Sekretär und Direktor des neu gegründeten Smithsonian Instituts gewählt. Er organisierte dort meteorologische Studien, benutzte als erster den Telegraphen, um Wetterberichte zu übermitteln und wagte es sogar, Wettervorhersagen zu machen. Das amerikanische Wetteramt führt sich auf diese Arbeiten am Smithsonian Institut zurück. Henry gründete die American Association for the Advancement of Science und war von 1868 bis zu seinem Tode Präsident der Nationalen Akademie der Wissenschaften.

Eine Induktionsspannung kann sowohl durch die Änderung des Magnetfeldes selbst (der magnetischen Flussdichte) als auch durch eine Änderung der vom Feld senkrecht durchsetzten Fläche A erzeugt werden, in beiden Fällen ist die zeitliche Änderung des magnetischen Flusses ausschlaggebend. Das erstere ist das Transformatorprinzip, das letztere das Generatorprinzip. Neben Generator, Motor und Trafo als Hauptaggregate hat die Induktion noch viele weitere Anwendungen gefunden, zum Beispiel als

· Antenne für den Empfang elektromagnetischer Wellen,

· Induktionsschleife zur Steuerung von Verkehrsampelanlagen und Schranken (diese Anwendung betrifft auch die Steuerung des Bahnverkehrs und in Papierfabriken zum Beispiel die der führerlosen Transportfahrzeuge!),

· das dynamische Mikrofon,

· das dynamische (Magnet-) Tonabnehmersystem für Plattenspieler,

· Tonabnehmer für elektrische Saiteninstrumente (beispielsweise von E-Gitarre und E-Bass)

· Tonkopf zur Abtastung von Magnetbändern und

· als Anlagen zum induktiven Erwärmen (Trafoprinzip), zum Beispiel beim Induktionshärten und beim Induktionsherd.

Induktion tritt auf, wenn der Leiter senkrecht zur Richtung des Magnetfeldes bewegt wird oder aber, wenn ein pulsierendes Magnetfeld einen Strom in einem feststehenden Leiter erzeugt. So wie der Strom in dem Elektromagneten ansteigt oder abfällt, wächst beziehungsweise schrumpft sein Magnetfeld. Das Wechselfeld induziert einen Strom in einem benachbarten unbewegten Leiter. Diese Induktion ohne eine mechanische Bewegung ist die Grundlage des elektrischen Transformators, der zwar ohne bewegte Teile auskommt, aber nur für Wechselstrom funktioniert. Ein Transformator besteht im einfachsten Falle aus zwei benachbarten Drahtspulen, die um einen einzigen Kern aus magnetischem Material gewickelt sind. Der Transformator wird zur Kopplung von zwei oder mehreren Wechselstromkreisen verwendet und erzeugt je nach dem Verhältnis der Länge der Leiter auch höhere oder niedrigere Spannungen in der anderen Spule.

Von Netztransformatoren erwartet man, dass sie möglichst wirkungsvoll arbeiten und nur wenig Energie in Form von Wärme abgeben. Spezielle Stahllegierungen zur Kopplung der induzierten Magnetfelder lassen hohe Wirkungsgrade erreichen, aber selbst Verluste von nur 0,5 Prozent der übertragenen Energie in einem großen Transformator erzeugen enorme Wärmemengen, die spezielle Kühlanlagen erfordern. Es gibt bei großen Einheiten luftgekühlte Trockentransformatoren und flüssigkeitsgekühlte Öltransformatoren mit Selbst- und Fremdkühlung. Die Ölfüllung kann zum Beispiel aus Chlorbiphenylen bestehen und unterliegt dann auch wasserrechtlichen Sicherheitsanforderungen.