Eine Spule ist zum einen ein passives Bauelement, deren wesentliche Eigenschaft eine definierte Induktivität ist. Sie werden überwiegend im Bereich der Signalverarbeitung für Schwingkreise oder Filter eingesetzt.
Zum anderen sind Spulen definiert als Wicklungen, die ein Magnetfeld erzeugen oder erkennen können. Sie sind dann Bestandteil eines zusammengesetzten Bauelementes, wie z.B. eines Transformators, eines Relais oder eines Elektromotors.
Inhaltsverzeichnis
Grundlagen
Aufbau einer Spule
Eine Spule bestehen aus mindestens einer Wicklung aus Draht, wobei diese Wicklung mindestens eine volle Windung besitzen muß. Der Draht kann dabei um einen festen Spulenkörper gewickelt sein; meist ist zudem ein magnetisierbarer Kern vorhanden. Die Windungsanordnung, ihr Durchmesser, der verwendete Draht sowie das Kernmaterial legen dabei den Wert der Induktivität und andere Eigenschaften der Spule fest.
Der Spulenkörper dient der mechanischen Stabilisierung des Drahtes und hat im Gegensatz zum Spulenkern keinen magnetischen Einfluß. Man spricht von Luftspulen, wenn der Spulenkörper fehlt oder aus nichtmagnetischem Material besteht.
Neben dem aufgewickelten Draht und dem Spulenkörper weisen Spulen im Inneren oft einen Spulenkern aus magnetisierbarem Material auf, um die Induktivität zu erhöhen.
Spulen gibt es in beliebig geformtem Spulenquerschnitt. Darüber hinaus sind auch spiralförmig angelegte Leiterbahnen auf Leiterplatten Spulen in diesem Sinne.
Spulen besitzen eine bestimmte Induktivität, diese kann ihr eigentlicher Zweck (z.B. bei Filterspulen) oder nur eine sekundäre Eigenschaft sein (z.B. bei Transformatoren oder Relais).
Spule an Gleichspannung
Schaltet man eine Spule an eine Gleichspannung, so zeigt der fließende Strom zeitlich einen exponentiellen Verlauf. Dies zeigt, daß sich der in einer Spule fließende Strom nicht sprunghaft ändern kann. Beim Einschalten eines Gleichstromkreises mit einer Spule verhindert die der Betriebsspannung entgegenwirkende Induktionsspannung einen raschen Stromanstieg.
Ein plötzliches Abschalten des Spulenstromes ist ebenfalls nicht möglich. Beim Versuch, den Strom zu unterbrechen, entsteht eine Spannungsspitze umgekehrter Polarität, deren Höhe von der parasitären Kapazität der Spule und anderen spannungsbegrenzenden Effekten abhängt. Diese Spannungsspitze kann Schäden durch Überspannung verursachen.
Mit Gleichstrom betriebene Spulen werden daher oft mit einer parallelgeschalteten Schutz-(Freilauf-)diode betrieben, die beim Abschalten der Spannung das Weiterfließen des Stromes ermöglicht. Dadurch kann die in der Spule gespeicherte magnetische Energie in Wärme umwandelt werden. Allerdings dauert es dadurch länger, bis der Strom auf geringe Werte abgesunken ist.
Spule an Wechselspannung
Da der Strom wegen des Energietransports in das magnetische Feld sich nur langsam ändern kann, folgt er dem Verlauf der Spannung stets mit zeitlicher Verzögerung. Der Strom ist durch die Sinus-Funktion um 90° phasenverschoben, d.h. er eilt der Spannung mit einer Phasenverschiebung von 1/4 Periode nach (ein Strom kann nur durch die Spule fließen, wenn vorher eine Spannung angelegen hat). Es besteht eine Trägheit der Spule gegen Stromänderungen.
Wenn man bei konstanter Spannung die Frequenz erhöht, nimmt die Änderungsgeschwindigkeit der Stromes ab. Um die gleiche Energie in das magnetische Feld zu bewegen, wird eine immer längere Zeit benötigt. Folglich muss die Amplitude des Stroms abnehmen. Der Strom ist dabei umgekehrt proportional zur Frequenz, bei doppelter Frequenz fließt daher nur der halbe Strom.
Technisch bedeutsame Größen
- Induktivität
Wird eine Spule von einem sich ständig ändernden Strom durchflossen, so entsteht um die Spule herum ein sich ständig änderndes Magnetfeld. Jede Änderung des Stroms bzw. des magnetischen Flusses erzeugt dabei in der Spule eine Selbstinduktionsspannung. Diese Spannung ist dabei so gerichtet, dass sie einer Änderung entgegen wirkt. Eine Abnahme des Stroms führt also zur Erhöhung der Spannung, die der Abnahme des Stroms entgegen wirkt. Der Einfluss der Spule auf diese Selbstinduktionsspannung wird durch den Selbstinduktionskoeffizienten angegeben, den man auch Induktivität nennt.
Die Induktivität L ist eine bauliche Größe. Die Selbstinduktionsspannung ist umso größer, je größer die Induktivität und je größer die Stromänderung, aber je kleiner die Zeit für diese Stromänderung ist.
Die Induktivität hat die Einheit Ωs; die Einheit Ωs wird mit H (Henry) bezeichnet. Eine Spule hat eine Induktivität von 1 H, wenn bei gleichförmiger Stromänderung von 1 A in einer Sekunde eine Selbstinduktionsspannung von 1 V entsteht.
Bei einer Reihenschaltung von Spulen, so addieren sich ihre Induktivitäten (wie bei der Reihenschaltung von Widerständen). Werden mehrere Spulen parallel zueinander geschaltet, wird die Summe ihrer Reziprokwerte addiert (wie bei der Parallelschaltung von Widerständen).
In der Elektronik wird bei Spulen mit einer kleinen Induktivität diese meist in mH angegeben.
- Magnetfeld und Flußdichte
Im Inneren einer schlanken Spule (die Länge dieser Spule ist viel größer als ihr Durchmesser) der Länge L mit n Windungen, in der ein elektrischer Strom IS fließt, entsteht ein Magnetfeld mit der Feldstärke H (Einheit A/m):
H = IS * ( n / L )
und die Flußdichte B (Einheit Vs/m²) ergibt sich mit der vom Spulenkern abhängigen Materialkonstanten μr und der magnetischen Feldkonstanten μ0 = 4 * pi * 10−7 H/m zu:
B = μ0 * μr * H
Diese einfachen Formeln gelten aber nur bei einer wirklich langen Spule (die Länge ist viel größer als µr * Durchmesser). Eine ähnliche Formel gilt für einen geschlossenen Kern (z.B. bei einem Transformator), wobei die Länge dabei durch die Länge des Feldes im Kern (entspricht etwa dem Umfang) ersetzt wird.
- Merksätze
- Bei Induktivitäten die Ströme sich verspäten.
- Schaut man auf das Ende einer Spule, und wird dieses im Uhrzeigersinn vom elektrischen Strom durchflossen, so schaut man auf einen magnetischer Südpol. Analog dazu:
- Schaut man auf das Ende einer Spule, und wird dieses gegen den Uhrzeigersinn vom elektrischen Strom durchflossen, so schaut man auf einen magnetischer Nordpol.
Verwendung
Transformatoren
siehe unter Transformatoren
Relais
siehe unter Relais
Motoren
siehe unter Getriebemotoren und Schrittmotoren
Filter und Schwingkreise
siehe unter Filter (Elektronik)
Weitere Einsatzgebiete
Meßgeräte, Elektromagnete, Lautsprecher und Mikrofone, Ablenkspulen (TV), Zündspule (KFZ)
Anmerkungen
Der Autor möchte hier weder die an anderen Stellen zu findenden Formelsammlungen wiedergeben, noch mit diesem Artikel ein Fachbuch ersetzten. Einzig die Grundlagen, die (aus eigener Erfahrung) für einen Hobby-Bastler von Interesse sind, sollen hier dargestellt werden.
| Dieser Artikel ist noch lange nicht vollständig. Der Auto/Initiator hofft das sich weitere User am Ausbau des Artikels beteiligen.
Das Ergänzen ist also ausdrücklich gewünscht! Besonders folgende Dinge würden noch fehlen: Das Kapitel "Verwendung" muß noch ausgebaut werden. Dazu Bilder.. |
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Autor
--Williwilli 08:00, 27. Okt 2009 (CET)
