Worum geht es?
Eine Spule ist ein aufgewickelter Draht. Fließt Strom hindurch, entsteht ein Magnetfeld. Darin speichert die Spule Energie.
Ihr wichtigstes Merkmal: Sie mag keine Änderung beim Strom. Wie ein schweres Schwungrad: Es ist schwer anzuschieben und ebenso schwer anzuhalten. Steigt der Strom, bremst die Spule ihn. Fällt er, schiebt sie nach. Das nennt man Selbstinduktion.
Wie stark eine Spule das tut, sagt die Induktivität L, gemessen in Henry (H). Oft rechnest du mit mH und µH.
Wovon hängt L ab?
- Windungszahl: geht im Quadrat ein. Doppelt so viele Windungen ergeben die vierfache Induktivität.
- Kern: Ein Eisen- oder Ferritkern verstärkt das Feld um das Hundert- bis Tausendfache (große Permeabilitätszahl μr).
- Bauform: großer Querschnitt und kurze Länge ergeben eine größere Induktivität.
Foto: Peripitus, „Toroidal inductor“, Lizenz: CC BY-SA 4.0, Quelle: Wikimedia Commons, verkleinert.
Ein- und Ausschalten
Schaltet man eine Spule an Gleichspannung, steigt der Strom nicht sofort auf seinen Endwert, sondern verzögert, ähnlich wie die Spannung beim Kondensator. Das Tempo bestimmt die Zeitkonstante:
Gefährlich wird das Abschalten: Die Energie im Magnetfeld muss irgendwohin. Die Spule erzeugt eine hohe Induktionsspannung, die ein Vielfaches der Betriebsspannung erreichen kann. Am Schalter entsteht ein Funke, Transistoren können zerstört werden.
Bei Schützspulen an Wechselspannung nimmt man statt der Diode RC-Glieder oder Varistoren als Schutzbeschaltung. Viele Schütze haben dafür einen Steckplatz.
Spule am Wechselstrom
An einer Wechselspannung ändert sich der Strom ständig, und die Spule bremst ständig. Sie wirkt wie ein Widerstand, der mit der Frequenz steigt, der induktive Blindwiderstand:
Der Strom eilt der Spannung um bis zu 90° nach (siehe Phasenverschiebung). Spulen lassen also tiefe Frequenzen und Gleichstrom gut durch und bremsen hohe Frequenzen. Das nutzt man in Netzfiltern, um Störungen vom Netz fernzuhalten.
| Anwendung | Wozu die Spule dient |
|---|---|
| Relais, Schütz | Magnetfeld zieht den Anker an und schaltet die Kontakte |
| Transformator | überträgt Energie über das gemeinsame Magnetfeld |
| Motor | Wicklungen erzeugen das Drehfeld |
| Drossel | begrenzt Ströme, glättet, filtert Störungen |
| Induktionskochfeld | hochfrequentes Feld erwärmt den Topfboden |
Rechenbeispiele
Eine Drossel hat 0,5 H. Wie groß ist ihr Blindwiderstand bei 50 Hz, und welcher Strom fließt an 230 V, wenn man ihren Wicklungswiderstand vernachlässigt?
- XL = 2 · π · 50 Hz · 0,5 H ≈ 157 Ω
- I = 230 V157 Ω ≈ 1,46 A
- Ergebnis: XL ≈ 157 Ω, I ≈ 1,46 A
Achtung: An Gleichspannung würde nur der kleine Wicklungswiderstand begrenzen. Eine Drossel für 230 V AC darf nie an 230 V DC.
Eine Gleichstrom-Schützspule hat 2 H und 20 Ω. Nach welcher Zeit hat der Strom praktisch seinen Endwert erreicht?
- τ = 2 H20 Ω = 0,1 s
- Praktisch eingeschwungen nach 5 τ = 0,5 s
- Ergebnis: rund 0,5 s
Durch eine Spule mit 0,5 H fließen 2 A. Wie viel Energie ist gespeichert?
- W = ½ · 0,5 H · (2 A)² = 1 J
- Ergebnis: W = 1 J
Einordnung: Diese Energie wird beim Abschalten frei, und zwar in Bruchteilen einer Sekunde. Daher kommen die hohen Abschaltspannungen.
Typische Fehler
- Freilaufdiode falsch herum: Mit der Kathode an Minus schließt sie die Spule kurz, sobald eingeschaltet wird. Kathode gehört an Plus.
- AC-Spule an Gleichspannung: Ohne Blindwiderstand fließt ein viel zu großer Strom, die Spule brennt durch.
- Abschaltspannung unterschätzt: Induktive Lasten ohne Schutzbeschaltung zerstören Transistorausgänge von Steuerungen.
- Windungszahl linear gerechnet: Die Induktivität steigt mit dem Quadrat der Windungszahl.
Eine Spule speichert Energie im Magnetfeld und wehrt sich gegen Stromänderungen. Einheit Henry. Am Wechselstrom gilt XL = 2 · π · f · L, der Strom eilt nach. Beim Abschalten entstehen hohe Spannungsspitzen, deshalb Freilaufdiode oder Schutzbeschaltung.
Quiz: Teste dich
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