Spule

Schaltzeichen einer Spule. Oben nach IEC 617-4 (1983), unten nach DIN EN 60617-4 (1997))

verschiedene Bauformen von Spulen

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.

Grundlagen

Physik

Jeder stromdurchflossene Leiter erzeugt um sich herum ein elektromagnetisches Feld, dessen Stärke direkt vom fließenden Strom abhängt. Dieses Feld kann nun mit anderen Magnetfeldern wechselwirken. Es entstehen dabei Effekte, wie:

nebeneinander liegende Leiter mit gleicher Stromrichtung ziehen sich an,
nebeneinander liegende Leiter mit unterschiedlicher Stromrichtung stoßen sich ab,
auf stromdurchflossene Leiter in einem äußeren Magnetfeld wirkt ein Kraft.

Gerade der letzte physikalische Vorgang gilt aber auch umgekehrt: Bewegt man einen Leiter in einem äußeren Magnetfeld, so wird eine Spannung erzeugt.

Diese Effekte lassen sich verstärken, wenn man den Stromleiter nicht in seiner ursprünglich geraden Form belässt, sondern ihn eben zu einer Spule aufwickelt. Durch viele nebeneinander liegende Leiterstücke mit gleicher Stromrichtung addiert sich das von ihnen erzeugte Magnetfeld auf; die Spannungen der hintereinander geschalteten Leiterstücke addiert sich, z.B. bei Bewegung im Magnetfeld.

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 oder µH angegeben. Bei gegebenem Kern oder konstanten Abmessungen bei einer Luftspule ist die Induktivität proportional zum Quadrat der Windungszahl: L = A_L * n². Eine Spule mit doppelter Windungszahl hat also schon die 4 fache Induktivität. Wenn mit A_L die charakteristische Größe des Kerns bekannt ist, kann so die Induktivität von selbst gewickelten Spulen (z.B. auf einem Ringkern) berechnet werden.

- 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 I_S fließt, entsteht ein Magnetfeld mit der Feldstärke H (Einheit A/m):

H = I_S * ( n / L )

und die Flussdichte B (Einheit Vs/m²) ergibt sich mit der vom Spulenkern abhängigen Materialkonstanten μ_r und der magnetischen Feldkonstanten μ₀ = 4 * pi * 10⁻⁷ H/m zu:

B = μ₀ * μ_r * H

Diese einfachen Formeln gelten aber nur bei einer wirklich langen Spule (die Länge ist viel größer als µ_r * 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.

Die Stärke der Magnetischen Induktion abhängig vom Strom in der Spule lässt sich auch über die Induktivität berechnen:

B = L*I /(n*A) = n * I * A_L / A

Dabei ist A die Querschnittsfläche des Kerns und L die Induktivität (in H). Diese Formel gilt anders als die Formel oben mit der Permeabilität auch bei nicht so langen Spulen, oder Kernen mit Luftspalt. Einzig der Querschnitt sollte konstant sein.

Herleiten kann man sich diese Formel aus der Berechnung der Spannung: Die Spannung berechnet sich einerseits aus der Definition der Induktivität: U = L * dI/dt und andererseits über das Induktionsgesetz: U = n*A*dB/dt. Die Gleichheit gilt nicht nur für die Spannung, sondern insbesondere auch für das Integral über die Zeit. Damit Fallen die Ableitungen weg.

Sättigung

Ein ferromagnetischer Kern hat die hohe Permeabilität und die Spule damit die höhere Induktivität nur bei nicht zu großer Flussdichte. Bei höheren Stromstärken steigt dann die Feldstärke nicht mehr wesentlich an - der Kern geht in die Sättigung. Bei Induktivitäten mit Kern ist entsprechen der maximale nutzbare Strom durch die Sättigung begrenzt. Ein höherer Strom führt dann zu einer deutlich reduzierten Induktivität. Vor allem bei Spulen mit nicht geschlossenem Kern, gibt es ggf. noch vorher eine Begrenzung durch die Wärmeentwicklung vom Widerstand der Spule.

- 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

Filter und Schwingkreise

Eine Spule setzt einem durch sie fließenden Gleichstrom nur ihren realen ohmschen Widerstand entgegen, der meist sehr gering ist. Je höher aber die Frequenz eines angelegten Wechselstromes wird, desto höher wird der frequenzabhängige Blindwiderstand der Spule; für (theoretisch) unendlich hohe Frequenzen ist auch dieser Blindwiderstand unendlich hoch. Diese Eigenschaft macht die Spule zu einem Tiefpass - tiefe Frequenzen können nahezu ungehindert passieren, höhere Frequenzen werden mehr oder weniger stark gedämpft.
Weitere Informationen findet man unter Filter (Elektronik)

Elektromagnete

Elektromagnete sind einfache elektrische Bauelemente. Sie bestehen üblicherweise nur aus einer Spule und einem Kern, die beide für die Erzeugung eines starken elektromagnetischen Feldes optimiert wurden. Ihre Konstruktionsmerkmale sind entscheidend für die Funktionalität vieler anderer zusammengesetzter Bauelemente, u.a. auch der meisten der Folgenden.

Transformatoren

Transformatoren sind zusammengesetzte elektrische Bauelemente. Sie bestehen aus zwei oder mehr mechanisch miteinander gekoppelten Spulen. Mindestens eine der vorhandenen Spulen erzeugt ein Magnetfeld, die Kopplung sorgt dafür, daß mindestens eine weitere Spule auf dieses Magnetfeld reagieren kann.
Für weitere Informationen siehe unter Transformatoren.

Relais

Relais sind zusammengesetzte elektromechanische Bauelemente. Sie bestehen üblicherweise aus einer Spule, die für die Erzeugung eines starken elektromagnetischen Feldes optimiert wurde. Wird dieses Feld erzeugt, können über die mechanische Konstruktion verschiedene Schalter betätigt werden.
Für weitere Informationen siehe unter Relais.

Motoren

Motoren sind zusammengesetzte elektromechanische Bauelemente. In ihnen wird der Effekt ausgenutzt, daß sich verschiedenartige Magnetpole anziehen, gleichartige Magnetpole aber abstoßen. Eine Kombination aus von Spulen erzeugten elektromagnetischen Feldern (ggf. werden zusätzlich auch Permanentmagnete eingesetzt) und dem Anziehungs-/Abstoßungseffekt wird durch geeignete mechanische Konstruktion in eine Bewegung (meist Drehbewegung) umgesetzt.
Für weitere Informationen siehe unter Getriebemotoren und Schrittmotoren.

Weitere Einsatzgebiete

In analogen Meßgeräten wird der mechanische Zeiger über eine Kombination aus Permanent- und Elektromagneten bewegt. Drehspulinstrumente nutzen die Effekte der Lorentzkraft (Einfluß magnetischer Felder auf bewegte elektrische Ladungen). Bei Dreheiseninstrumenten ist der Elektromagnet der feststehende Teil der Zeigermechanik, es werden die Anziehungs-/Abstoßungseffekte genutzt.
Bei fast allen Lautsprechern wird über einen Elektromagneten die Membran bewegt und damit Schall erzeugt. Einige Mikrofonen nutzen die umgekehrte Technik: Die Membran bewegt einen kleinen Permanentmagneten in einer Spule (oder die Spule im Magneten).
Ablenkspulen in TV-Geräten erzeugen starke Magnetfelder, um den elekrisch negativ geladenen Elektronenstrahl in horizontaler und vertikaler Richtung zu beeinflussen (Ausnutzung der Lorentzkraft).
Zündspulen im KFZ arbeiten wie ein Transformator mit hohem Übersetzungsverhältnis. Wenige Windungen aus dickem Draht bilden die Primärspule, tausende Windungen sind sekundärseitig zu finden. Fließt Strom durch die Primärwicklung, baut sich im Eisenkern ein Magnetfeld auf; das Öffnen des Unterbrechers im Primärkreis induziert im Sekundärkreis einen Hochspannungsimpuls.

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:

Bilder...

Weblinks

Autor

--Williwilli 08:00, 27. Okt 2009 (CET)