ET2-PR3 Reale Spule

Prof. Dr. Thorsten Jungmann (Stand 2026-03-17)

Überblick über dieses Praktikum

---

Thema: Reale Spule

Termin: 09.06.2026

Schwerpunkte:

• Selbstinduktion
• Ersatzschaltbild
• Transformator

---

Bezug zu Lektionen: ET2-08, ET2-09

Wichtiger Hinweis: Bereiten Sie sich unbedingt vor!

Erscheinen Sie niemals unvorbereitet zum Praktikum! Zur Vorbereitung gehört:

• Die Unterlagen zum Praktikum im ILIAS-Kurs aufmerksam und vollständig lesen.
• Die theoretischen Grundlagen sicher beherrschen — Sie müssen die Theorie auf dem Kasten haben.

Wer unvorbereitet erscheint, wird nicht zum Praktikum zugelassen.

Ziel des Praktikums

Reale Spulen verhalten sich anders als das, was die ideale Theorie vorhersagt — und genau das wird in diesem Versuch erfahrbar. Sie ermitteln messtechnisch das Ersatzschaltbild einer unbekannten Spule und erleben an einer Spule mit Eisenkern, was Selbstinduktion konkret bedeutet: Was passiert, wenn man den Strom durch eine Spule plötzlich ein- oder ausschaltet? Wohin geht die gespeicherte Energie? Optional kommen Sie am Ende sogar zum Transformator — zwei magnetisch gekoppelte Spulen und die Frage, wie gut Spannung und Leistung tatsächlich übertragen werden.

Inhalt

Der Versuch gliedert sich in zwei Pflichtteile und einen optionalen dritten Teil:

Versuchsteil 1 — Ersatzschaltbild einer unbekannten Spule

• Sie haben eine unbekannte Spule $L_{\text{X}}$ vor sich. Zuerst messen Sie deren ohmschen Anteil per Widerstandsmessung — und klären dabei, warum das Multimeter bei einer Gleichstrommessung die Blindanteile gar nicht „sieht”.
• Dann betreiben Sie die Spule mit sinusförmiger Wechselspannung und messen für verschiedene Frequenzen (25 Hz bis 1 kHz) jeweils Strom, Spannung und die Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom. Ein Shunt-Widerstand dient dabei zur Stromdarstellung auf dem Oszilloskop; für die Spulenspannung nutzen Sie den Differentialtastkopf.
• Aus diesen Messdaten bestimmen Sie für jede Frequenz die komplexe Impedanz und zerlegen sie in Wirk- und Blindanteil. Daraus lässt sich die Induktivität $L$ frequenzabhängig berechnen.
• Sie stellen $R$, $X$ und $|{\underline{Z}}_L|$ über der Frequenz dar und beurteilen, ob das einfache Ersatzschaltbild (Induktivität in Reihe mit ohmschem Widerstand) die Realität zufriedenstellend beschreibt.
• Ein Blick auf sehr hohe Frequenzen (120 kHz) zeigt dann, dass das einfache Modell dort versagt — die parasitäre Kapazität der Wicklungen macht sich bemerkbar.

Versuchsteil 2 — Ladekurve und Selbstinduktion (Spule mit Eisenkern)

• Hier nutzen Sie eine Spule mit Eisenkern (N = 300 Windungen) in einer RL-Schaltung mit einem Schalter.
• Sie nehmen die Sprungantwort (Ladekurve) auf, indem Sie den Schalter schließen und mit dem Oszilloskop im Single-Trigger-Modus das einmalige Ereignis einfangen. Aus dem exponentiellen Anstieg bestimmen Sie die Zeitkonstante $\tau$ und daraus die Induktivität.
• Dann öffnen Sie den Schalter und beobachten die Entladekurve: Die Spule versucht, den Strom aufrechtzuerhalten — eine Schutzdiode ermöglicht dabei den Stromfluss. Hier wird das Prinzip der Selbstinduktion direkt sichtbar.
• Sie berechnen die im Magnetfeld gespeicherte Energie, die beim Abschalten in den Widerständen und der Diode in Wärme umgewandelt wird.

Versuchsteil 3 (optional) — Transformator

• Falls nach den Pflichtteilen noch Zeit bleibt, koppeln Sie die Eisenkernspule (N = 300) mit einer zweiten Spule (N = 900) zu einem Transformator.
• Sie messen das Spannungsverhältnis im Leerlauf und vergleichen es mit dem theoretischen Übersetzungsverhältnis.
• Danach belasten Sie die Sekundärseite mit verschiedenen Lasten ($R$, $C$) und beobachten, wie sich Ströme, Spannungen und Phasenverschiebungen ändern.

Ablauf und Vorbereitung

Vorbereitung ist Pflicht

Unvorbereitete Studierende werden nicht zugelassen.

Was Sie vorher auf dem Kasten haben müssen:

• Das Ersatzschaltbild einer realen Spule kennen: Induktivität $L$ in Reihe mit ohmschem Widerstand $R$ (einfaches Modell), ergänzt um parasitäre Kapazität $C_P$ für höhere Frequenzen
• Komplexe Impedanzen aufstellen und in Wirk- und Blindanteil zerlegen können: $\underline{Z}=R+jX$, wobei $|\underline{Z}|=\frac{U}{I}$ und $\phi =\arctan \frac{X}{R}$
• Die Sprungantwort einer LR-Schaltung verstehen: exponentieller Anstieg mit Zeitkonstante $\tau =\frac{L}{R}$, nach einer Zeitkonstante sind 63 % des Endwerts erreicht
• Die Energie im Magnetfeld einer Spule berechnen können: $E=\frac{1}{2}L{i}^2$
• Wissen, was Selbstinduktion bedeutet und warum eine Spule beim Abschalten hohe Spannungen erzeugen kann

Praktische Vorbereitung — das ist neu in diesem Versuch:

• Machen Sie sich mit dem Differentialtastkopf vertraut — Sie brauchen ihn, um die Spannung über der Spule zu messen, ohne das Oszilloskop-Masseproblem zu bekommen
• Üben Sie die Triggerfunktion des Oszilloskops für einmalige Ereignisse (Single-Modus) — das brauchen Sie für die Aufnahme der Sprungantwort
• Cursor- und Messfunktionen zur Bestimmung von Zeitkonstanten und Phasenverschiebungen

Wie der Versuch abläuft:

• Sie messen Effektivwerte mit den Multimetern und nutzen das Oszilloskop für Phasenmessungen und die Darstellung transienter Vorgänge.
• Im ersten Teil variieren Sie systematisch die Frequenz und tragen Messwerte in eine Tabelle ein.
• Im zweiten Teil arbeiten Sie mit dem Schalter und fangen mit dem Single-Trigger einzelne Lade- und Entladevorgänge ein — hier ist etwas Geschick beim Timing gefragt.
• An definierten Stellen besprechen Sie Ergebnisse mit dem Betreuer.