Spule

verschiedene Spulen

größere Spule mit Ringkern

Eine Spule besteht aus einer Drahtwicklung (meist mit Lack überzogener Kupferdraht) und kann einen Kern haben (z. B. voneinander isolierte Bleche). Spulen gibt es in verschiedenen Formen und Größen. In vielen Haushaltsgeräten sind Spulen enthalten. Das sind z. B. alle Geräte mit Motoren. Spulen können, wie Kondensatoren, elektrische Energie speichern. Spulen im Wechselstromkreis wirken als Widerstand (induktiver Blindwiderstand) und erzeugen eine induktive Blindleistung, die durch einen Kondensator, der kapazitive Blindleistung erzeugt, kompensiert (neutralisiert) werden kann. In vielen Geräten werden Spulen auch zum Entstören eingesetzt. Solche Entstörfilter findet man häufig an Datenübertragungskabeln (z.B. USB - Kabel).

Spulen werden unter anderem nach folgenden Kriterien unterschieden:

• Induktivität
• Ohmscher Widerstand
• Windungszahl
• Baugröße
• Maximaler Strom

Verwendung

Eine Spule wird unter Anderem verwendet, um

• einen Elektromagneten, zum Beispiel in einem Relais oder Lautsprecher, zu realisieren,
• in Kombination mit anderen Bauteilen Resonanzkreise und Filter zu bauen,
• elektrische Energie mit Hilfe von Magnetfeldern zu übertragen (Beispiel Transformator),
• Gleich- und Wechselstrom zu trennen (Drosselspulen),
• Änderungen von Magnetfeldern festzustellen (Sensoren).

Einfache Zusammenhänge und Erklärungen zur Spule

Magnet und Spule

Nähert man sich mit einem Magneten einer nur an einem Voltmeter angeschlossenen Spule, dann misst man eine Spannung. Diese Spannung ist nur da, solange sich der Magnet bewegt. Man kann den Magneten einer Spule nähern und entfernen, die Richtung der Spannung ist dann unterschiedlich, was man leicht an dem Vorzeichen der Anzeige des Voltmeters ablesen kann.

Man kann hier einige Beobachtungen machen:

• Je schneller sich der Magnet auf die Spule bewegt, desto größer ist die an den Klemmen der Spule entstehende Spannung.
• Je mehr Wicklungen die Spule hat, desto größer ist die Spannung.
• Je „stärker“ der Magnet ist, desto größer ist die Spannung. Dies kann man zum Beispiel mit mehr Magneten oder so genannten „Supermagneten“ ausprobieren.
• Ruht ein Magnet neben einer Spule, dann ist keine Spannung da.

Fahrraddynamos und Generatoren in Wasserkraftwerken und Windparks nutzen Kombinationen aus Spulen und Magneten, um Bewegungsenergie in elektrische Energie umzuwandeln.

Spule im Gleichstromkreis

Schaltet man eine Spule an eine Batterie, hat man einen Elektromagneten gebaut, mit dem man Eisen, Nickel und Cobalt anziehen kann. Die „Stärke“ dieses Elektromagneten kann man mit einem Eisenstück in der Spule, mehr Wicklungen und größerer Stromstärke vergrößern.

Schaltet man irgendwann die Spule wieder ab, beispielsweise mit einem Schalter, dann wird das Magnetfeld sehr schnell abgebaut. Das ist so, als würde man sich mit einem Magneten sehr schnell von einer Spule entfernen. Dadurch entsteht eine sehr große Spannung, die größer sein kann als die ursprünglich wirkende Spannung.

Spule im Wechselstromkreis

Dieses Buch oder Kapitel bedarf einer Überarbeitung oder Erweiterung. Hier müssen zielgruppenspezifische (Bastler, Schüler, Erstsemester) Zusammenhänge über die Spule eingefügt werden, die dem Kapitel gerecht werden. Wenn du Lust hast, beteilige dich an der Verbesserung! Dort steht, wie es geht: Hilfe:Seiten bearbeiten. Beachte aber, ob jemand aktuell an der Seite arbeitet.

Induktivität

Das Kennzeichen einer Spule ist ihre Induktivität, bezeichnet mit dem Buchstaben L.

Je größer die Induktivität, desto größer ist die an den Spulenenden entstehende Spannung, wenn sich die Stromstärke durch die Spule ändert.

Die Einheit der Induktivität ist das Henry $1H={\frac {1V\cdot s}{A}}$

Bauteilgleichung

Die Grundgleichung für eine Spule ist ähnlich dem Ohmschen Gesetz die folgende Gleichung: $u_{L}=L\cdot {\frac {di_{L}}{dt}}$

Die Gleichung beschreibt wie das Ohmsche Gesetz den Zusammenhang zwischen Strom ($i_{L}$), Spannung ($u_{L}$) und Induktivität ($L$). Das di/dt steht für die Änderung des Stroms während der Zeit. Der Einfluss der Induktivität ist also vom Verlauf des Stroms abhängig, oder – im Fall von Wechselstrom – abhängig von der Frequenz. Fließt Gleichstrom durch die Spule entsteht dieser Effekt nur kurz beim Einschalten. Danach verhält sich die Spule wie eine lange Leitung. Genauso, wie ein Kondensator im Gleichstromfall wie eine Unterbrechung des Stromkreises wirkt.

Material-Details

Bei Spulen unterscheidet man zwischen dem Material des Kernes, des Drahtes, der Isolation und des Spulenträgers (quasi des Gehäuses).

Draht

Der Draht dient der Fortleitung des elektrischen Stroms. Spulenwicklungen sind daher aus Kupfer (wegen des sehr geringen spezifischen elektrischen Widerstandes) oder (seltener) aus Aluminium (wegen des geringeren Gewichtes). Man unterscheidet hier außerdem Einzeldrähte und Litzen.

Isolation

Man unterscheidet zwischen der Isolation des Drahtes und der Isolation der Drahtschichten bei mehrĺagigen Spulen und der Isolation der Gesamtspule. Für die Isolation des Drahtes wird in der Regel Lack verwendet, weil er sehr dünn aufgetragen werden kann und biegsam genug ist, um beim Wickeln der Spule nicht brüchig zu werden. Zum Isolieren der einzelnen Drahtlagen wird Folienkunststoff verwendet. Die Außenisolierung dient dem Schutz gegen Beschädigung und dem Schutz gegen Berührung. Der Spulenkörper besteht aus Kunststoff, seltener aus Holz.

Kern

Bei Kernen, die keinen Einfluss auf die Eigenschaften der Spule haben sollen, verwendet man in der Regel Plastik oder Holz. Besonders bei sehr hohen Ansprüchen an die Verlustarmut wird auch Teflon verwendet.

Soll der Kern Einfluss auf die Eigenschaften der Spule haben (in der Regel eine Erhöhung der Induktivität), verwendet man Ferrite. Deren Eigenschaften sind auf einen bestimmten Frequenzbereich beschränkt.

Für Fortgeschrittene

Im Folgenden stehen die Integral- und Differentialform der Bauteilgleichung. Differentialform:

$u_{L}\left(t\right)=L\cdot {\frac {di_{L}\left(t\right)}{dt}}$

Integralform:

$i_{L}\left(t\right)={\frac {1}{L}}\int \limits _{t_{S}}^{t}u_{L}\left(t'\right)dt'+i_{L}(t_{S})$

$t_{S}$: Startzeitpunkt

$t$: Endzeitpunkt

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