Spule
Schaltzeichen Spule
Die Spule ist ein elektrisches Bauteil, bestehend aus einem aufgewickelten Draht, dessen Windungen voneinander isoliert sind.
Die Induktivität L ist die wichtigste Eigenschaft einer Spule.
In Abhängigkeit von Spannung U und Strom I kann ein Magnetfeld erzeugt werden oder umgekehrt wird durch ein äußeres magnetisches Wechselfeld Spannung U und Strom I in der Spule induziert.
Ein Spulenkörper muss nicht zwingend vorhanden sein und fehlt z.B. bei den sogenannten Luftspulen.
Ist ein Spulenkern vorhanden, kann dieser nichtmagnetisch sein und dient dann der mechanischen Stabilisation des Drahtes der Spulenwindungen, oder er besteht aus einem mehr oder weniger magnetischen Material und hat dann die Aufgabe, die Induktivität L der Spule zu verstärken oder zu verringern.
Bei Luftspulen, oder Spulen mit nichtmagnetischen Wickelkörpern, hat der Kern keinen induktiven Einfluss auf die Spule und zeigt nur relativ kleine Induktivitäten.
Magnetische Spulenkerne verstärken oder verringern die Induktivität L der Spule.
Erhöht der magnetische Kern die Induktivität L, führt das zu einer Verringerung der Windungszahl (N) bzw. Leiterlänge (l) und damit zu einer Verringerung des elektrischen Widerstands R der Spule.
Symbolische Darstellung des homogenen, magnetischen Feldes einer stromdurchflossenen Spule mittels Feldlinien.
Magnetische Feldstärke H→(Spule)
Die magnetische Feldstärke H→ einer stromdurchflossenen Spule:
H→ = magnetische Feldstärke [Am-1]
N = natürliche Zahl [1]
I = Strom [A]
l = Länge [m]
N = natürliche Zahl (Anzahl der Windungen) [1]
A = Fläche [m2]
l = Länge [m]
Die Berechnung bei Reihen- oder Parallelschaltung erfolgt wie beim Widerstand.
Für Spulen, die in Reihe geschaltet sind, addieren sich die Induktivitäten.
L = L1 + L2 + ... + Ln
Für Spulen, die parallel geschaltet sind, addieren sich die Kehrwerte der parallelen Induktivitäten zum Kehrwert der gesamten Induktivität L.
Induktive Phasenverschiebung:
Bei Wechselspannung U∿ erzeugt der Anstieg der Spannung U der ersten Viertelperiode des Amplitudenverlaufs (λ/4) durch die Induktivität L der Spule ein spannungsinduziertes Magnetfeld, welches die zugeführte Energie E speichert und den Stromfluss I verzögert.
Nach Erreichen des Spannungsmaximums Umax (≙ Strom Imin) gibt das Magnetfeld im weiteren Amplitudenverlauf (λ/4) die Energie wieder frei und der Stromfluss I nimmt wieder zu.
Daraus folgt eine Phasenverschiebung von Spannung U und Strom I. Der Stromfluss I ist als Resultat dieses Vorgangs bei Wechselspannung U∿ um 90°, bzw. 1/4 λ phasenverschoben, der Spannungsänderung nachlaufend.
Dem Wechselstrom ≂ wirkt durch die Phasenverschiebung, zusätzlich zum rein ohmschen Widerstand R, noch ein weiterer, frequenzabhängiger Blindwiderstand X entgegen.
Induktiver Blindwiderstand XL:
(Wechselstromwiderstand Z der Spule)
X = Blindwiderstand [Ω]
U = Spannung [V]
I = Strom [A]
L = Induktivität [H]
Eine Spule verhält sich wie ein Widerstand, der jedoch im Gegensatz zu einem ohmschen Widerstand R keine Leistung P in Wärme (Verlustleistung PV) umsetzt.
Die während einer Viertelperiode (λ/4) von der Spule aufgenommene Energie wird in der darauffolgenden Viertelperiode wieder abgegeben. Dabei pendelt die Energie nur hin und her und verrichtet keine Arbeit.
Diese spezielle Form des Widerstands wird Blindwiderstand X genannt.
Für eine Spule der Induktivität L und einem Wechselstrom ≂ der Frequenz f errechnet sich der Blindwiderstand X:
XL = induktiver Blindwiderstand [Ω]
U = Spannung [V]
I = Strom [A]
π = Kreiszahl (Pi) [1]
f = Frequenz [Hz]
L = Induktivität [H]
ω = Kreisfrequenz [s-1]
Der Wechselstromwiderstand Z einer Spule ist also umso größer, je größer die Induktivität L der Spule ist und je höher die Frequenz f des Wechselstroms ≂.
Ableitung: Ohm
Ableitung: Henry [H: Henry]
⇒ Antenne
⇒ Blindwiderstand
⇒ Induktivität
⇒ Kapazität
⇒ Kondensator
⇒ LC-Schwingkreis [ ⇒Schwingkreis ]
⇒ Schwingkreis