Spule (Elektrotechnik)

Spulen.JPG In der Elektrotechnik sind Spulen wichtige Bestandteile elektrischer Bauelemente oder Geräte oder sie sind für sich allein ein Bauteil. Eine klassische Spule ist ein Leiterdraht, der um einen festen Körper gewickelt ist. Der Spulenkörper, der zur Stabilisierung des Drahtwickels dient, muss nicht zwingend vorhanden sein.

Aufbau

Eine klassische Spule ist um einen festen Körper gewickelter Draht. Dieser Körper muss allerdings nicht zwingend vorhanden sein; In solchen Fällen spricht man von Luftspulen. Er dient meist nur der Stabilisation des dünnen Drahtes. Spulen gibt es auch in Flachbauweise und in Rechteckformwicklung. Spulen können auch als spiralförmige Leiterbahn direkt auf der Schaltplatine aufgedruckt sein. Spulen heißen auch Induktivitäten. Das Wort Spule weist auf die Bauform hin (wie eine Garnspule), das Wort "Induktivität" weist darauf hin, dass ein hindurchfließender Strom ein Magnetfeld erzeugt.

Funktionsweise

Die wichtigste physikalische Eigenschaft von Spulen ist deren Induktivität, daher werden umgangssprachlich die Begriffe Spule und Induktivität austauschbar verwendet. Reale Spulen besitzen aber neben der Induktivität auch noch andere Eigenschaften wie einen elektrischen Widerstand oder parasitäre Kapazitäten.

Wird eine Spule von einem sich zeitlich ändernden Strom durchflossen, so entsteht um die Spule ein sich zeitlich änderndes Magnetfeld. Jede Änderung des Stromes bzw. magnetischen Flusses erzeugt in der Spule eine Selbstinduktionsspannung. Diese Spannung ist dabei so gerichtet, dass sie ihrer Ursache entgegen wirkt (Lenzsche Regel). Eine Zunahme des Stromes führt zur Erhöhung der Spannung, die dem Strom entgegen wirkt.

Soll ein Gebilde aus einem langen aufgewickelten Draht nur eine geringe Induktivität haben, werden diese Gebilde bifilar gewickelt. Das gilt für Drahtwiderstände, die für Tonfrequenz oder Hochfrequenz verwendet werden sollen.

Magnetfeld und Stromfluss

Folgende Merksätze können benutzt werden, um festzustellen welches Ende einer Spule ein Nord- und welches Ende ein Südpol ist (als Stromrichtung ist die Technische Stromrichtung, d.h. vom Plus- zum Minus-Pol zu benutzen):

Schaut man auf ein Spulenende und wird dieses im Uhrzeigersinn vom elektrischen Strom umflossen, so ist dort ein Südpol.
Schaut man auf ein Spulenende und wird dieses gegen den Uhrzeigersinn vom elektrischen Strom umflossen, so ist dort ein Nordpol.

Spule mit Eisenkern

Wird in eine Spule ein Eisenkern eingesetzt, so wird durch dessen ferromagnetische Eigenschaften die Permeabilität und damit auch die magnetische Flussdichte in der Spule erhöht.

Ab einer bestimmten materialabhängigen Flussdichte tritt eine Sättigungsmagnetisierung des Kerns auf.

Weil das Eisen des Kerns ein elektrischer Leiter ist, fließt in einer von Wechselstrom durchflossenen Spule mit Eisenkern im Eisenkern ein Kurzschlussstrom, dieser heißt Wirbelstrom. Der Wirbelstrom wird geringer, wenn der Kern nicht aus einem Stück Eisen, sondern aus einem Stapel von Eisenblechen besteht, die voneinander, etwa durch eine Lackschicht, isoliert sind. Ganz verhindert wird der Wirbelstrom durch einen Spulenkern aus nichtleitendem Material (Ferrit).

Hochfrequenzspulen

Mit zunehmender Frequenz werden die Ströme immer mehr an die Oberfläche des Drahtes verdrängt (Skineffekt). Die Drahtoberfläche entscheidet dann zunehmend über die Güte der Spule. Ab ca. 100 kHz verwendet man zur Verringerung der Verluste daher oft HF-Litze als Wickelmaterial; sie besteht aus mehreren, voneinander isolierten feinen Drähten. Ab etwa 50 MHz werden die Spulen meist freitragend mit dickerem Draht ausgeführt. Eine versilberte Oberfläche kann die Verluste zusätzlich vermindern.

Kerne für Hochfrequenzspulen bestehen aus einem ferromagnetischen, elektrisch nichtleitenden Material. Damit werden Wirbelströme im Kern verhindert.

Spulen für Oszillatoren

Spulen in Oszillatoren sollen ihre Induktivität möglichst genau einhalten. Luftspulen können bei Erschütterung eine Frequenzmodulation verursachen. Sie werden deshalb auf einen Spulenkörper gewickelt und mit Lack fixiert oder ganz in Wachs eingebettet.

Spulenkerne

Spulenkerne haben u.A. die Aufgabe, die Induktivität der Spule zu verstärken. Meist wird für diesen Zweck ein Eisenblechpaket, gepresstem magnetischem Pulver (Pulverkern) oder Ferrit verwendet.

Bei abstimmbaren Spulen werden Ferritkerne mit einem Gewinde verwendet. Durch Hineinschrauben oder Herausschrauben kann die Induktivität einer solchen Spule erhöht bzw. vermindert werden.

Wenn eine HF-Spule einen Kern aus Aluminium (oder einem anderen elektrisch leitfähigem Material) zum Abgleich hat, vermindert ein Hineindrehen des Kerns die Induktivität. Das kommt daher, dass der Kern wie eine kurzgeschlossene Sekundärwicklung eines Transformators wirkt. Ein tieferes Hineindrehen bewirkt eine Verdrängung des Magnetfeldes der Spule.

Anwendungen

Transformatoren
Induktivitäten bzw. Drosseln
Elektromagneten und Relais-Spulen
Fernsehbildröhren als Ablenkspule
Tauchspule

Siehe auch

Induktivität
Liste elektronischer Bauteile
Kapazität
//de.wikibooks.org/wiki/Ing:_GdE:_Die_Spule_als_Energiespeicher Wikibooks - einfach erklärt
//de.wikibooks.org/wiki/Der_elektrische_Strom_-_Eigenschaften_und_Wirkungen:_Teil_I Wikibooks - mathematisch erklärt

Passives Bauelement

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