Spule (Elektrotechnik)
Schaltzeichen
Eine Induktionsspule ist ein elektrisches Bauteil, das aus einem schraubenförmig (ein- oder mehrlagig) um einen Kern aufgewickelten elektrischen Leiter (Draht) besteht.
- Foto einiger Spulen
| Table of contents |
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2 Induktion 3 Induktivität 4 Feldenergie 5 Wechselstromverhalten 6 Bauformen 7 Anwendung 8 Verwandte Themen: |
Eine solche Spule ist ein Elektromagnet; wenn elektrischer Strom hindurch fließt, bildet sich ein Magnetfeld in Achsenrichtung der Wicklung aus.
Für eine einlagige Spule der Länge l und der Windungszahl n, durch die ein Strom I fließt, berechnet sich die magnetische Feldstärke H zu
Magnetfeld
bzw. die magnetische Flussdichte B zu
- B = μ0 · I · n / l .
- B = μ0 · I · n / l .
- μ0 = 4 · π · 10-7 H/m .
- μ0 = 4 · π · 10-7 H/m .
Induktion
Nach dem Induktionsgesetz ruft eine zeitliche Stromänderung dI/dt in einer Spule eine Induktionsspannung Uind hervor, die zu ihr proportional ist, aber nach der Lenzschen Regel so gepolt, dass sie der Änderung des Stroms entgegen wirkt. Den Proportionalitätsfaktor nennt man die Induktivität L der Spule.
Es gilt:
- Uind = - L · dI/dt .
- Uind = - L · dI/dt .
Induktivität
Eine einlagige Spule der Länge l mit der Querschnittsfläche A und der Windungszahl n, bei der die Länge groß gegenüber dem Durchmesser ist, hat die Induktivität
- L = μr · μ0 · A · n2 / l .
- L = μr · μ0 · A · n2 / l .
| Medium | μr |
| Vakuum | 1 |
| Luft | 1 |
| Eisen | 300 - 10000 |
| Ferrit | 400 - 5500 |
AL-Wert
Für die Praxis werden fertige Spulenkerne verwendet, für die vom Hersteller eine Induktivitätskonstante AL angegeben wird. In ihr sind bereits alle Materialkonstanten zusammengefasst. Wenn man sie mit n Windungen bewickelt, erhält man eine Spule der Induktivität
- L = AL · n2.
- L = AL · n2.
Feldenergie
Eine stromdurchflossene Spule speichert Energie in Form ihres Magnetfeldes. Das Feld einer Spule der Induktivität L, die vom Strom I durchflossen wird, enthält die Energie
- W = L · I2 / 2 .
- W = L · I2 / 2 .
Wechselstromverhalten
Wird die Spule von Wechselstrom durchflossen, so wechselt der Strom periodisch seine Richtung. Durch die Stromänderung wird ständig eine Induktionsspannung erzeugt, die ebenfalls ihre Richtung periodisch wechselt. Da der Strom infolge der induzierten Gegenspannung nur allmählich anwachsen bzw. abfallen kann, ist die Spannung dem 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 zu einem Ohmschen Widerstand keine Leistung in Wärme umsetzt ("Verlustleistung"), man nennt ihn daher einen Blindwiderstand. Für eine Spule der Induktivität L und einen Wechselstrom der Frequenz f errechnet sich der Blindwiderstand zu
Wobei
Die Trägheit einer Spule gegen Stromänderungen wird zur Stromstabilisierung und zur Erzeugung höherer Spannungen angewendet.
Die Abhängigkeit des Blindwiderstandes von der Frequenz wird zur Trennung von Signalen unterschiedlicher Frequenz verwendet (Tiefpass, Hochpass, Bandpass).
Bei Leuchtstoffröhren werden Drosselspulen zur Reduzierung der Betriebsspannung vorgeschaltet.
Winkelfrequenz oder Winkelgeschwindigkeit heißt.
Bauformen
Spulen werden häufig nach dem verwendeten Kernmaterial unterschieden.Anwendung
