Spule (Elektrotechnik)

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Schaltzeichen

Eine Induktionsspule ist ein elektrisches Bauteil das aus einem schraubenförmig (ein- oder um einen Kern aufgewickelten elektrischen Leiter ( Draht ) besteht. Es gibt aber auch freitragende ohne Kern.

Es gibt zwei Schaltzeichen. In der verwendet man vorrangig das linke in der Hochfrequenztechnik das rechte. International sind noch weitere im Gebrauch.

Foto einiger Spulen

Inhaltsverzeichnis

1 Magnetfeld

2 Induktion

3 Induktivität

4 Feldenergie

5 Wechselstromverhalten

6 Bauformen

7 Anwendung

8 Verwandte Themen

Magnetfeld

Eine solche Spule ist ein Elektromagnet ; wenn elektrischer Strom hindurch fließt bildet sich ein Magnetfeld in Achsenrichtung der Wicklung aus. Für einlagige Spule der Länge l und der Windungszahl n durch die ein Strom I fließt berechnet sich die magnetische Feldstärke H zu

<math>

H = I \cdot \frac{n}{l} </math>

bzw. die magnetische Flussdichte B zu

<math>

B = \mu_{0} \cdot I \cdot </math>

Darin ist <math>\mu_{0}</math> die magnetische Feldkonstante

<math>

\mu_{0} = 4 \cdot \pi \cdot \frac{\mathrm{H}}{\mathrm{m}}. </math>

Induktion

Nach dem Induktionsgesetz ruft eine zeitliche d I /d t in einer Spule eine Induktions spannung U _ind hervor die zu ihr proportional ist nach der Lenzschen Regel so gepolt dass sie der Änderung Stroms entgegen wirkt. Den Proportionalitätsfaktor nennt man Induktivität L der Spule.

Es gilt:

<math>

U_{ind} = - L \cdot \frac{\mathrm{d}I}{\mathrm{d}t}.

Induktivität

Eine einlagige Spule der Länge l mit der Querschnittsfläche A und der Windungszahl n bei der die Länge groß gegenüber Durchmesser ist hat die Induktivität

<math>

L = \mu_{r} \cdot \mu_{0} \cdot \cdot \frac{n^{2}}{l}. </math>

<math>\mu_{0}</math> ist die magnetische Feldkonstante (s. <math>\mu_{r}</math> ist eine dimensionslose Materialkonstante des Spulenkerns die Permeabilitätszahl.

Beispiele:

Medium μ _r

Vakuum 1

Luft 1

Eisen 300 - 10000

Ferrit 400 - 5500

A _L -Wert

Für die Praxis werden fertige Spulenkerne für die vom Hersteller eine Induktivitätskonstante A _L angegeben wird. In ihr sind bereits Materialkonstanten zusammengefasst. Wenn man sie mit n Windungen bewickelt erhält man eine Spule Induktivität

<math>

L = A_{L} \cdot n^{2}. </math>

Feldenergie

Eine stromdurchflossene Spule speichert Energie in Form ihres Magnetfeldes. Das Feld Spule der Induktivität L die vom Strom I durchflossen wird enthält die Energie

<math>

W = L \cdot \frac{I^{2}}{2}. </math>

Wechselstromverhalten

Wird die Spule von Wechselstrom durchflossen so wechselt der Strom periodisch Richtung. Durch die Stromänderung wird ständig eine erzeugt die ebenfalls ihre Richtung periodisch wechselt. der Strom infolge der induzierten Gegenspannung nur anwachsen bzw. abfallen kann ist die Spannung Strom zeitlich (in der Phase um 90°) voraus ( Trägheit der Spule gegen Stromänderungen).

Der Spule kann ein Wechselstromwiderstand X zugeordnet werden der jedoch im Gegensatz einem Ohmschen Widerstand keine Leistung in Wärme umsetzt ("Verlustleistung") man nennt daher einen Blindwiderstand . Für eine Spule der Induktivität L und einen Wechselstrom der Frequenz f errechnet sich der Blindwiderstand zu

<math> X = 2 \cdot \pi f \cdot L = \omega \cdot L

Wobei <math>\omega := 2 \cdot \pi f</math> Winkelfrequenz oder Winkelgeschwindigkeit heißt.

Bauformen

Spulen werden häufig nach dem verwendeten unterschieden.

Luftspule
- Flachspule
- Toroidspule Kreisringspule
- Zylinderspule
Eisenkernspule
- Blechkernspule
- Bandkernspule
- Ferritkernspule

Anwendung

Die Trägheit einer Spule gegen Stromänderungen zur Stromstabilisierung und zur Erzeugung höherer Spannungen

Die Abhängigkeit des Blindwiderstandes von der wird zur Trennung von Signalen unterschiedlicher Frequenz ( Tiefpass Hochpass Bandpass ).

Durch Veränderung der Lage des Kerns man bei einigen Spulen die Induktivität abstimmen. abstimmbaren Spulen werden zum Beispiel in Bandfiltern

In einem Radioempfänger wird eine auf Ferritkern gewickelte Spule im Lang- Mittel- und zugleich als Antenne verwendet.

Bei Leuchtstoffröhren werden Drosselspulen zur Reduzierung der Betriebsspannung vorgeschaltet.