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Gegeninduktivität



Der elektrotechnische Begriff der Gegeninduktivität kennzeichnet die gegenseitige magnetische Beeinflussung zweier oder mehrerer räumlich benachbarter Stromkreise. Die Gegeninduktivität ist im Gegensatz zur Selbstinduktivität für die magnetische Kopplung mehrerer galvanisch getrennter Leitersysteme verantwortlich. Die wichtigste technische Anwendung findet die Gegeninduktivität bei einem Transformator.

Inhaltsverzeichnis

Prinzip

Eine stromdurchsetzte (erste) Leiterschleife bewirkt abhängig von ihrer Geometrie die Erzeugung eines Magnetfeldes in ihrer räumlichen Umgebung. Dieses ist aufgrund des Biot-Savart'schen Gesetzes direkt proportional zum Momentanwert der Stromstärke. 

\vec B(\vec r) \propto i_1

Der Fluss durch die zweite Leiterschleife ist dann

\Phi_2 = \int_{S2} \vec B(\vec r) \cdot \mathrm{d} \vec A

und somit ebenfalls proportional zum Strom; die Proportionalität von Strom und Fluss wird genau durch die Gegeninduktivität M vermittelt:

\Phi_2 = M_{21}\cdot i_1

Aufgrund dieser Definition kann die Gegeninduktivität als Verallgemeinerung der Selbstinduktivität angesehen werden. Sie wird wie diese in der SI Einheit Henry [H] angegeben.

Symmetrie

Eine erstaunliche Tatsache ist die Symmetrie der Flussverkettungen: Die Gegeninduktivität vom System 1 auf System 2 ist gleich groß wie für den umgekehrten Fall:

M_{21} = M_{12} \quad

Diese Beziehung erleichtert in vielen Fällen die praktische Berechnung von Flussverkettungen. So kann beispielsweise leicht ein Ausdruck für die Flussverkettung einer langen Spule mit einer kleineren, konzentrisch angebrachten Empfängerspule berechnet werden. Der umgekehrte Fall, nämlich die Verkettung des Flusses der kleinen mit der großen Spule würde ohne Kenntnis der obigen Relation vermutlich auf erhebliche analytische Schwierigkeiten stoßen. Die beschriebene Symmetrie welche auch als magnetisches Reziprozitätstheorem bezeichnet wird, kann mit den mathematischen Mitteln der Vektoranalysis unter Zuhilfenahme der Maxwellgleichungen bewiesen werden.

Beweis der magnetischen Reziprozität

Das Magnetfeld B kann als Rotor eines Vektorpotenzials ausgedrückt werden:

\vec B = \vec \nabla \times \vec A

Der magnetische Fluss durch die zweite Leiterschleife wird dann (da bezeichnet ein infinitesimales Flächenelement)

\Phi_2 =\int_{S_2} \vec B \cdot \mathrm{d} \vec a  = \int_{S_2} \big( \vec \nabla  \times \vec A \big) \cdot \mathrm{d} \vec a = \int_{S_2} \vec A \cdot \mathrm{d} \vec s_2

Nun kann aber das Vektorpotenzial A auf das Linienintegral des Stroms i in der ersten Leiterschleife zurückgeführt werden (dies ist eine andere Schreibweise für das Gesetz von Biot-Savart):

\vec A(\vec r) = \frac{\mu_0 i}{4\pi} \int_{L_1} \frac{\mathrm{d} \vec s_1}{\vert \vec r - \vec x_1 \vert}

Dies eingesetzt in die vorletzte Gleichung ergibt:

\Phi_2 = \frac{\mu_0 i}{4\pi} \int_{L_1}\int_{L_2} \frac{\mathrm{d} \vec s_1 \cdot \mathrm{d} \vec s_2 }{\vert \vec x_2 - \vec x_1 \vert}

M wird daher

M_{12} = \frac{\mu_0}{4\pi} \int_{L_1}\int_{L_2} \frac{\mathrm{d} \vec s_1 \cdot \mathrm{d} \vec s_2 }{\vert \vec x_2 - \vec x_1 \vert} = M_{21}

Anwendung

  • Das Prinzip der Gegeninduktion wird zum Betrieb eines Spaltmotors genutzt.
  • Transformatoren werden in der Elektrotechnik oft durch eine Gegeninduktivität modelliert.
  • Die induzierte Spannung in einer Leiterschleife, welche durch eine andere Leiterschleife bewirkt wird, ist
U_{2} = M_{12} \cdot \frac{\mathrm{d} i_1}{\mathrm{d}t}
  • Aufgrund der Symmetrie ist eine Gegeninduktivität formal ein reziproker Vierpol

Siehe auch

 
Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Gegeninduktivität aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.
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