Spulen sind Komponenten von elektrischen Schaltkreisen. Ähnlich zu Kondensator, können auch Spulen Energie kurzfristig speichern. Sie tun dies jedoch nicht mit einem elektrischen Feld, sondern mit einem Magnetfeld.
Spulen sind sehr einfach aufgebaut: Ein aussen isolierter Draht wird mehrfach aufgewickelt. Wird durch diesen Draht ein elektrischer Strom durchgeschickt, entsteht gemäss Experiment von Ørsted ein Magnetfeld um den Leiter herum. Weil der Leiter spiralförmig aufgewickelt ist, addieren sich die Magnetfelder im Inneren der Spule so auf, dass ein ziemlich uniformes, starkes Magnetfeld in der Spule entsteht. Das Magnetfeld ausserhalb der Spule ist vergleichsweise klein und wir meistens ganz vernachlässigt.
Für die Richtung des Magnetfelds in der Spule dient wieder die Rechte-Hand-Regel.
Betrachten wir das Magnetfeld mit Hilfe von Eisenfeilspänen, erkennen wir das bekannte Bild, das wir vom Stabmagneten kennen. Mit Hilfe einer von Strom durchflossenen Spule lässt sich ein Stabmagnet erschaffen. Der Vorteil der Spule ist aber, dass dieser Elektromagnet über den Strom ein- und ausgeschaltet werden kann. Auch können wir den Elektromagneten schnell umpolen, indem wir den Strom in der anderen Richtung durch die Spule schicken.
Image by OpenStax, licensed under CC BY 4.0
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Eine von einem elektrischen Strom durchflossene Spule baut in ihrem Innern ein relativ starkes Magnetfeld auf. Das Magnetfeld in der Spule ist gleichförmig stark und zeigt in Richtung der Spulenachse. Die Spule erzeugt ein Magnetfeld, das dem eines Stabmagneten gleicht, mit einem Nord- und einem Südpol an ihren beiden Enden.
Im Gegensatz zum Stabmagneten, der ein Permanentmagnet ist, ist die Spule ein Elektromagnet, der sich mit dem Strom ein- und ausschalten lässt. Die Richtung des Magnetfelds lässt sich auch umpolen, indem der Strom durch die Spule umgekehrt wird.
Stärke des Magnetfelds in der Spule
Spulen können sehr starke Magnetfelder in ihrem Innern erzeugen. Das Magnetfeld wird vom Strom \(I\) erzeugt. Die Abhängigkeit ist linear, d.h. ein doppelter Strom erzeugt ein doppelt so starkes Magnetfeld. Durch eine grosse Anzahl Windungen \(n\) (oft auch “Wicklungen” genannt) lässt sich das Magnetfeld um den Faktor \(n\) vergrössern. Spulen können bis zu Hundertausenden von Windungen haben.
Stärke des Magnetfelds in der Spule:
\[ B = \mu_r \mu_0 \frac{nI}{l} \]
Diese Formel gilt näherungsweise für ”dünne Spule”, d.h. Spulen, deren Länge \(l\) deutlich grösser ist als deren Durchmesser \((l>>d)\). \(\mu_0\) ist die magnetische Feldkonstante:
\[ \mu_0 = 4 \pi \cdot 10^{-7}\;\frac{Vs}{Am} \]
Die Stärke des magnetischen Felds in der Spule kann durch einen Kern um Faktoren verstärkt werden. \(\mu_r\) ist die magnetische Permeabilität des eingesetzten Kerns (Materialkonstante) als Faktor im Vergleich zu Vakuum, d.h. für Vakuum gilt genau \(\mu_r=1\) und wird deshalb meist weggelassen. Für Luft gilt \(\mu_r \approx 1\). Spezielle Eisenkerne haben eine magnetische Permeabilität von 300 bis 10’000 und werden deshalb bei Transformatoren eingesetzt.
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