Spule
Kurzinfo
Eine Spule ist eines der wichtigsten Bauelemente der Elektrotechnik. Sie besteht aus einer Anordnung von parallelen, gleichsinnig stromdurchflossenen Leiterschleifen. Im Inneren besteht ein annähernd homogenes Magnetfeld. Ihre wichtigsten Parameter sind Windungszahl, Länge und Induktivität. Anwendungen reichen von Elektromotor und Generator über Transformator zu verschiedensten Aufgaben in der Wechselstrom- und Messtechnik.
Von der Leiterschleife zur Spule
Ein gerader stromdurchflossener Leiter ist von kreisförmigen magnetischen Feldlinien umgeben. Das elektrische Feld (und die elektrische Spannung) verlaufen geradlinig entlang des Leiters. Man kann nun in Gedanken elektrische und magnetische Feldlinien vertauschen. Man kommt auf einen kreisförmigen Leiter mit entsprechend kreisförmigem elektrischem Feld und einem Magnetfeld, das in der Mitte des Kreises genau senkrecht auf der Kreisfläche steht (elektromagnetische Induktion). Werden nun sehr viele (oft viele hundert) gleichartige Leiterschleifen dicht aneinandergefügt, so ist das Magnetfeld im Inneren geradlinig, homogen und wesentlich stärker als im Außenbereich. Eine solche Anordnung heißt Spule.
| magnetische Flussdichte B (Betrag) im Innenraum der Spule |  | μ0, μr: magnetische Feldkonstante und Permeabilitätszahl; I: Stromstärke; l: Länge der Spule |
| Induktivität L der Spule |  | A: Querschnittfläche der Spule |
| gespeicherte magnetische Energie Emag |  | |
| Differenzialgleichung für Strom und Spannung |  | U: elektrische Spannung; t: Zeit |
Tab.: Wichtige Gleichungen für eine Spule
Technische Ausführung
Die Gleichungen zeigen, dass Magnetfeld, Induktivität und Energie einer Spule mit der Windungszahl zunehmen. Daher haben technische Spulen oft hohe Windungszahlen zwischen 100 und 1000. Es gibt auch Spulen mit mehrlagigen Windungen. Wichtig ist dabei aber immer, dass die Windungen hinreichend gut isoliert sind.
Auch eine große Permeabilitätszahl des Innenraums erhöht die Leistungsfähigkeit einer Spule. Während μr bei Luft nur minimal über 1 liegt, erreichen gute Eisenkerne Werte von über 10 000, spezielle Modifikationen von ferromagnetischen Metallen sogar über 100 000. Wird eine Spule mit Wechselstrom betrieben, so kann im Eisenkern ein Kreisstrom induziert werden. Dies führt zu sog. Wirbelstromverlusten, welche durch Schlitze im Kernmaterial begrenzt werden.
Anwendungen
- Elektromagnet
- Elektromotor und Generator
- Spulenpaar zur Übersetzung von Spannungswerten im Transformator
- Drosselspule zur Dämpfung hochfrequenter Wechselspannungen
- Spulen mit veränderlicher Induktivität als Messgeräte
- Transduktor (Magnetverstärker)
Helmholtz-Spulen
Eine besondere Spulenanordnung ist die Helmholtz-Spule, die von dem deutschen Physiker und Arzt Hermann von Helmholtz (1821-1894) ersonnen wurde. Dabei sind zwei kurze Spulen oder Leiterschleifen mit Radius R parallel so angeordnet, dass ihr Abstand gerade R beträgt. Ihre jeweils inhomogenen Magnetfelder überlagern sich in der Mitte zwischen den Spulen so, dass dort ein annähernd homogenes Feld entsteht. Dadurch erhält man einen frei zugänglichen Bereich mit homogenen Feldlinien, der beim Experimentieren große Vorteile gegenüber einer langen geschlossenen Spule bietet.
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