Das dritte passive Bauelemenet in der Funktechnik ist die Hochfrequenzspule. Sie besitzt eine Induktivität L, die in Henry angegeben wird. Der Formelbuchstabe L wurde zu Ehren des Professors Emil Lenz aus St. Petersburg (1804 – 1864) gewählt. Die Benennung einer Induktivität ist zu Ehren des amerikanischen Physikers Joseph Henry (1797 – 1878) nach ihm benannt. 1 Henry ist die Induktivität, die bei einer Stromänderung von 1A in einer Sekunde eine Selbstinduktionsspannung von
In der Praxis wird die Induktivität im Bereich von Millihenry (mH), Mikrohenry (µH) oder Nanohenry (nH) liegen.
Siehe Abbildung 119.
Die einfachste Bauform einer Spule nennt man „gerade Zylinderspule“.
Betrachtet man den Aufbau einr Spule, dann findet man folgende Größen:
Aus diesen Abmessungen läßt sich die Induktivität L nach folgender Formel berechnen:
$L = \dfrac{\mu_0 \cdot \mu_r \cdot N^2 \cdot A_S}{l}$
siehe Anhang Formelsammlung Seite 236 „Induktivität einer langen Zylinderspule“ oben rechts
Verschiedene Spulenarten sieht man in 115, 116 und 117.
Merke:
Wenn die Windungszahl verringert wird, dann sinkt die Induktivität, aber selbst bei einer halben oder Viertelwindung ist noch eine Induktivität vorhanden, sodass man sagen kann, jedes Stück Draht besitzt eine Induktivität.
Im Gegensatz zum Kondensator, erzeugt die Spule ein Magnetfeld, sobald ein Strom durch die Spule fließt. Die Stärke des Magnetfeldes hängt von der Stromstärke und der Windungszahl ab. Daraus ergibt sich folgende Formel für die magnetische Feldstärke H:
siehe Formelsammlung Seite 236 „Magnetische Feldstärke einer Ringspule“ oben rechts
Die Formel gilt auch für eine Zylinderspule.
Wenn sich innerhalb der Spule ein magnetisch leitfähiges Material befindet (z.B. Eisen, Ferrit) dann wird das Magnetfeld verstärkt. Diese Eigenschaft lässt sich mit folgender Formel berechnen:
siehe Formelsammlung Seite 236 oben rechts
$\mu_0 = 1,2566 \cdot 10^{-6}\frac{H}{m}$: magnetische Feldkonstante
siehe Anhang Formelsammlung Seite 243 „Magnetische Feldkonstante“ unten rechts
Praktische Anwendungen:
Schwingkreisspulen mit hoher Güte: siehe Abschnitt Schwingkreise
Drosselspulen in Verstärkern zur Abschwächung von unerwünschen Hochfrequenzströmen: siehe Abschnitt parasitaere Schwingungen
Transformatorspulen: siehe Abschnitt Transformator
Spulen als kurzzeitiger Energiespeicher in Schaltnetzteilen oder Step-Up/Step-Down Wandlern
Ringkernspulen für HF-Übertrager
Verwendete Schaltzeichen für Spulen.
| Luftspule | 
|
| Spule mit festem Eisenkern | |
| Spule mit drehbarem Ferritkern | |
| Rollspule zur Veränderung der Induktivität im Betrieb | |
Experiment:
Werden 50 Windungen dünner Kupferlackdraht (Durchmesser
Wenn man jetzt einen Nagel in die Nähe der Spule bringt, dann wirkt durch das Magnetfeld eine Kraft auf ihn ein.
Wird ein Kompass in die Nähe des Elektromagnetfeldes gebracht, dann kann man sogar den Nord-und Südpol dieses Elektromagneten erkunden. Es gilt die Reger:
Ungleiche Pole ziehen sich an. Zeigt der Nordpol des Kompasses auf den Elektromagneten, dann befindet sich dort ein Südpol.
Professors Emil Lenz aus St. Petersburg (1804 – 1864) hat die Lenzsche Regel verfasst.
Sie lautet für den Einschaltstrom durch eine Spule, die an einer Gleichspannung angeschlossen ist:
Die Spule erzeugt eine Selbstinduktionsspannung, die der Ursache, also dass ein Strom fließen soll, entgegenwirkt, deshalb wird der Einschaltstrom nur langsam ansteigen. Die Spule wird über einen Vorwiderstand an eine rechteckförmige Gleichspannung angeschlossen, dann wird im Einschaltmoment der Stromfluss „behindert“ und steigt deshalb nur langsam bis zu einem Maximalwert an. Im Ausschaltmoment will die Selbstinduktionsspannung den Stromfluss aufrecht erhalten. Die Spule wirkt dann als Generator, dessen Induktionsspanung entgegengesetzt zur vorherigen Polarität entsteht. Diese Vorgänge kann man gut mit Hilfe eines Oszilloskops beobachten,
Hinweis: Der Stromfluss durch Lampe 2 steigt langsamer an, als durch Lampe 1, da eine Spule vorgeschaltet ist, deren Selbstinduktionsspannung den Einschaltstrom nur langsam ansteigen lässt.
Ähnlich wie beim Kondensator verhält sich eine Spule unterschiedlich, wenn sie an Gleichspannung oder an Wechselspnnung angeschlossen wird.
In der Funktechnik ist vor allem das Verhalten an Wechselspannung wichtig.
Die Spule zeigt, ähnlich wie ein Kondensator, einen „Wechselstromwiderstand $X_{\textrm{L}}$“, dass heißt, obwohl der Spulendraht nur einen sehr kleinen ohmschen Widerstand (Leiterwiderstand) besitzt, fließt ein Strom, der aber mit steigender Frequenz der Wechselspannung kleiner wird. Der Wechselstromwiderstand (induktiver Blindwiderstand $X_{\textrm{L}}$) steigt an.
Die Berechnungsformel findet man in der Formelsammlung auf Seite 236 unter „Induktiver Blindwiderstand $X_{\textrm{L}}$“ links oben.
In den Fragen zur Klasse A werden wir näher darauf eingehen.
Mit einem vektoriellen Network Analyzer (VNA) läßt sich die Abhängigkeit des induktiven Blindwiderstandes
von der Frequenz leicht darstellen. Wir sprechen auch hier von einem Blindwiderstand, da eine verlustfreie Spule keine Wirkenergie aufnimmt. Sollte eine Spule bei Hochfrequenzanwendungen warm werden, dann besitzt sie Verluste, die diese Erwärmung bewirken.
Die Verluste entstehen durch den ohmschen Widerstand des Drahtes und zusätzlich wirkt auch noch der Skin-Effekt, der den Drahtquerschnitt scheinbar verkleinert.
Die richtige Lösung kann man in Abbildung an der roten Linie erkennen.
Lösungshinweise:
EC306 : 12 µH : 2
EC307 : 12 µH x 2
EC305 : Länge l verringern
