Die Strom-Laufzeit in einer Spule

Diese Seite ist eine zusammenfassende Übersetzung von http://www.w8ji.com/inductor_current_time_delay.htm.

Viele stellen sich vor, dass der Strom Windung für Windung durch die Spule fließt. Dieses Bild sorgt für alle möglichen eigenwilligen Ideen, wie eine Verlängerungsspule für eine Antenne funktioniert.

Eine Möglichkeit, diese Vorstellung zu überprüfen, ist die Untersuchung der Ströme an beiden Enden der Spule – also wie lange es dauert, bis eine Stromänderung wieder aus der Spule heraus kommt.

Für unsere Untersuchungen nutzen wir eine typische Verlängerungsspule für 80 m: 100 Windungen, Steigung 2,5 mm/Windung, 5 cm Innendurchmesser, Drahtdurchmesser 1 mm. Die Spule hat bei 4 MHz eine Güte von 290.

In der Spule stecken rund 16 m Draht, während die Spule 25 cm lang ist. Die Messeinrichtung hat zusätzlich eine Drahtlänge von 30 cm. Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist 300.000 km/s, in allen anderen Medien ist sie geringer.

1 m Draht verzögert den Strom also um mindestens 3,3 ns. 16 m Draht sollten also für eine Verzögerung von 53 ns sorgen. Hier das Messergebnis für einen weiten Frequenzbereich.

Über einen weiten Frequenzbereich messen wir also 3 ns Verzögerung oder eine effektive Länge von knapp einem Meter. Ziehen wir die 30 cm für die Anschlussleitungen ab, ist die Spule elektrisch also etwa 60 cm lang. Wie kommt der Strom so schnell durch die Spule?

Das erscheint erst mal unmöglich, aber dann ist das doch ganz offensichtlich: Die Stromänderung am Eingang führt zu einer Änderung des Magnetfelds am Anfang der Spule. Über die magnetische Kopplung der Windungen induziert die Magnetfeldänderung eine Spannung in den anderen Windungen. Das pflanzt sich durch die Spule fort, viel schneller als entlang des Drahts. Die magnetische Kopplung der Windungen ist offensichtlich der überwiegende Teil des Transportmechanismus.

Man kann die Verzögerungszeit auch durch die Phasenverschiebung zwischen Eingangs- und Ausgangsstrom bestimmen. Auch da ergeben sich sehr niedrige Werte.

Woher bekommt eine Induktivität eigentlich die bekannte Stromverzögerung her, wenn wir hier ganz anderes messen? Ganz einfach: Die Verzögerung zwischen den Strömen am Eingang und Ausgang ist gering, so lange die Ausgangskapazitäten entsprechend gering sind. Messen wir aber die Spannung über einem passend großen Kondensator am Ausgang der Spule, dann bekommen wir auch die bekannte Verzögerung.

Hätten wir eine ideale Spule, müssten wir in unserer Testeinrichtung weniger als 2 ns Verzögerung messen. Die Spule hat aber ein Streufeld, d.h. die Magnetlinien umfassen nicht alle Windungen. Das verdoppelt die Laufzeit gegenüber der idealen Induktivität.