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Spulen

In der Elektrotechnik als Teilbereich der Elektrodynamik innerhalb der Physik sind Spulen Wicklungen aus elektrischen Leitern, meist isolierter Kupferdraht unterschiedlicher Stärke, die überwiegend einen Kern (Spulenträger) besitzen. Spulen können einerseits über einen an der Spule angelegten Strom ein Magnetfeld erzeugen und sind so ein elektrisches Bauelement, oder andrerseits durch ein externes Magnetfeld eine Spannung aufbauen, in diesem Fall ist die Spule ein induktives passives Bauelement.

Die Spule als elektrisches Bauelement

Das Bewegen geladener Teilchen erzeugt Magnetfelder. Dies wurde erstmals im frühen 19. Jahrhundert beobachtet. Während eines Experiments zeigte sich, dass ein in der Nähe befindlicher Kompass die Richtung ändert, wenn ein elektrischer Strom durch einen Draht floss. Wenn der Strom abgeschaltet wird, kehrt der Kompass zu seiner ursprünglichen Nord-Süd-Ausrichtung mit dem Erdmagnetfeld zurück. Durch das Experiment wurde der Schluss gezogen, dass Elektronen, die sich durch einen gewickelten Draht bewegen, ein Magnetfeld erzeugen, etwas, das beim Ausschalten des Stroms nicht existierte. Geladene Teilchen erzeugen nur dann Magnetfelder, wenn sie sich bewegen. Das im 19. Jahrhundert durchgeführte Experiment zeigte, dass ein Draht, der elektrischen Strom führt, tatsächlich ein Magnet ist. Da sich alle Elektronen in einer Richtung durch den Draht bewegen, gibt es ein genau definiertes Magnetfeld, das die Spule umgibt. Die Stärke des Magnetfeldes ist proportional zur Strommenge, die durch den Draht fließt. Durch Erhöhen des Stroms wird die Stärke des Magnetfelds erhöht. Wenn kein Strom durch die Spule fließt, gibt es auch kein Magnetfeld.

Die Anzahl der Wicklungen auf der Spule beeinflusst ebenso die Magnetfelder. Seine Stärke ist direkt proportional zur Anzahl der der Spule hinzugefügten Wicklungen. Mit anderen Worten, durch Erhöhen der Wicklungen wird die Stärke des Magnetfelds erhöht.

Wenn der Strom im Uhrzeigersinn um die Spule fließt, ist diese Seite der Spule der Südpol. Wenn andererseits der Strom gegen den Uhrzeigersinn um die Spule fließt, ist diese Seite der Spule der Nordpol. Spulen, die jedes Mal, wenn ein elektrischer Strom durch die Spule fließt, wie Stabmagnete mit einem unterschiedlichen Nord- und Südpol wirken, werden als Elektromagnet bezeichnet.

Der Spulenträger oder Kern

Als Kern oder Spulenträger werden meist sogenannte Ferrite verwendet. Ferromagnetische Materialien sind Elemente, die leicht magnetisieren können und normalerweise aus Stahl, Kobalt, Nickellegierungen oder Weicheisen bestehen. Ferromagnetische Materialien reagieren stark auf Magnetfelder. Wenn diese Materialien einem Magnetkreis ausgesetzt werden, entsteht ein konzentrierter und dichterer Magnetfluss, der dann das durch den Strom in der Spule verursachte Magnetfeld verstärkt.

Das Faradaysche Induktionsgesetz besagt, dass ein sich änderndes Magnetfeld eine elektromotorische Kraft (EMK) in einem Schleifendraht induziert. Die elektromotorische Kraft bewirkt, dass sich Elektronen bewegen und einen Strom bilden. Das Ändern des Bereichs der Drahtschleife und das Ändern des Winkels zwischen der Schleife und dem Magnetfeld können beide einen Strom induzieren. Dies liegt an der Eigenschaft, die direkt eine EMK induziert, die als magnetischer Fluss bekannt ist. Der magnetische Fluss ist das Maß für das gesamte Magnetfeld, das durch eine Drahtschleife verläuft, und wenn sich dieses Feld ändert, induziert es eine elektromotorische Kraft.

Anwendungen von Spulen

Ein Großteil der früheren Anwendungsbereiche von Spulen ist heute von der Halbleitertechnik besetzt. Widerstände, Kondensatoren und Transistoren besitzen bei ähnlichem Leistungsvermögen geringere Abmessungen und sind wesentlich preiswerter als Spulen.

So werden heute Spulen mit fester Induktivität meist in Bereichen eingesetzt, die eine stabile Feldausrichtung verlangen, etwa in Transformatoren, Elektromagneten, Relais, Schaltschützen, hochwertigen Lautsprechern, Stromwandlern oder Elektromotoren.

Für Spulen mit veränderlicher Induktivität gibt es heute kaum noch Anwendungsgebiete. Früher waren sie vor allem in der Funktechnik unverzichtbar.

Quizfragen zum Thema

1. Was ist die sogenannte Helmholtzspule?

   Der Physiker Hermann von Helmholtz ordnete zwei gleichsinnig mit Strom durchflossene Spulen mit genau definierten Radien und Abständen so an, das zwischen ihnen ein homogenes Magnetfeld entstand. Die Helmholtzspule wird bis heute in verschiedenen Anwendungen genutzt, beispielsweise in der Magnetresonanztomographie (MRT).

2. Was ist eine Drossel?

   Eine Drossel ist eine induktive Spule, die unter anderem dazu dient, unerwünschte Frequenzen an elektrischen Leitern zu dämpfen, sie dient aber auch zur Strombegrenzung oder zur Energiespeicherung.

3. In welcher Einheit wird die Induktivität einer Spule gemessen?

   Die Induktivität einer Spule wird mit der SI-Einheit H angegeben. H steht dabei für Joseph Henry, einem US-Physiker des 19. Jahrhunderts.

4. Was sind Luftspulen?

   Bei dem Begriff Luftspulen handelt es sich um Spulen ohne magnetischen Kern. Sie kommen hauptsächlich in der Nachrichtentechnik und in Lautsprechern zum Einsatz.

5. Schreibe eine Gleichung, in der die Induktivität einer Spule gesucht wird, anhand einer Spule, die länger ist als ihr Durchmesser?

   H = I * (n ⁄ l)

   H = x
   I = Strom fließt
   n = Anzahl der Windungen
   l = Länge der Spule

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