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Spule: Aufbau, Magnetfeld und Elektromagnet
Eine Spule ist ein vielfach gewickelter, isolierter Draht. Fließt Strom durch ihn, überlagern sich die Magnetfelder der einzelnen Windungen zu einem stärkeren Gesamtfeld. Mit der Stromstärke, der Windungszahl und einem Eisenkern lässt sich dieses Feld beeinflussen.
Auf dieser Seite untersuchst du den Aufbau einer Spule, ihr Magnetfeld und ihre Verwendung als steuerbaren Elektromagneten.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Wie ist eine Spule aufgebaut?
Eine Spule besteht aus einem langen Leitungsdraht, der in vielen Schleifen aufgewickelt ist. Jede vollständige Schleife heißt Windung. Häufig liegen die Windungen dicht nebeneinander und bilden einen Zylinder.
Der Draht muss elektrisch isoliert sein. Dafür wird oft Kupferlackdraht verwendet: Eine dünne Lackschicht trennt benachbarte Windungen voneinander. Ohne diese Schicht könnte der Strom direkt zwischen Windungen abkürzen. Mit der Isolierung muss er dem gesamten gewickelten Draht folgen.
Windung
Eine Windung ist eine vollständige Drahtschleife einer Spule. Eine Spule enthält viele solcher Windungen hintereinander.
Wie entsteht das Magnetfeld?
Ein stromdurchflossener Leiter erzeugt ein Magnetfeld. Deshalb erzeugt auch jede einzelne Windung ein Magnetfeld und wirkt ähnlich wie ein kleiner Stabmagnet.
In einer Spule liegen viele Windungen hintereinander. Ihre Magnetfelder überlagern sich: Im Inneren wirken viele Feldanteile in dieselbe Richtung und verstärken sich zu einem gemeinsamen Spulenfeld.
Eine lange, eng gewickelte Zylinderspule besitzt im Inneren ein annähernd homogenes Magnetfeld. Annähernd homogen bedeutet: Stärke und Richtung des Feldes sind dort in weiten Bereichen nahezu gleich. An den Enden und außerhalb der Spule ist diese Vereinfachung weniger genau.
Die Spule hat wie ein Stabmagnet einen Nord- und einen Südpol. Im Inneren verlaufen die Feldlinien vom Südpol zum Nordpol, außerhalb zurück vom Nordpol zum Südpol.
Ohne Strom kein Spulenfeld: Erst der Strom durch die Windungen erzeugt das Magnetfeld der Spule.
Beobachtung: Eine Spule ist an eine ausschaltbare Stromquelle angeschlossen.
- Bei ausgeschaltetem Strom erzeugt die Spule kein eigenes Magnetfeld.
- Nach dem Einschalten fließt Strom durch jede Windung.
- Die Magnetfelder der Windungen überlagern sich.
- Die Spule wirkt nun als Magnet mit Nord- und Südpol.
- Nach dem Ausschalten verschwindet das strombedingte Magnetfeld wieder.
Der entscheidende Unterschied liegt also nicht in der Form der Spule, sondern darin, ob Strom fließt.
Wodurch wird das Magnetfeld stärker?
Du kannst die Wirkung einer Spule auf drei Arten verstärken, wenn die übrigen Bedingungen gleich bleiben:
- Stromstärke erhöhen: Ein größerer Strom erzeugt ein stärkeres Magnetfeld.
- Windungszahl erhöhen: Mehr Windungen lassen mehr einzelne Magnetfelder zusammenwirken.
- Eisenkern einsetzen: Ein geeigneter ferromagnetischer Kern verstärkt das vorhandene Spulenfeld zusätzlich.
Ferromagnetisch nennt man Stoffe, die stark auf ein Magnetfeld reagieren und magnetisiert werden können. Eisen ist ein wichtiges Beispiel.
Im unmagnetisierten Eisenkern sind die magnetischen Bereiche zunächst ungeordnet. Das Feld der stromdurchflossenen Spule richtet viele von ihnen aus. Dadurch entsteht zum Spulenfeld ein zusätzliches Feld des Kerns; beide Wirkungen verstärken einander.
Eine Spule zieht eine Büroklammer nur schwach an. Was kann helfen?
- Erhöhst du bei unveränderter Spule die Stromstärke, wird ihr Feld stärker.
- Verwendest du bei sonst gleichen Bedingungen mehr Windungen, wird ihr Feld ebenfalls stärker.
- Schiebst du einen geeigneten Eisenkern in die Spule, verstärkt der magnetisierte Kern die Feldwirkung.
Alle drei Änderungen zielen auf dasselbe Ergebnis, beruhen aber auf unterschiedlichen Ursachen.
Wähle in jeder Lücke die passende Form und prüfe anschließend deine Antworten.
Bei sonst gleichen Bedingungen wird das Spulenfeld durch eine Stromstärke und durch Windungen stärker. Ein geeigneter kann das Feld zusätzlich verstärken.
Was macht die Spule zum Elektromagneten?
Eine stromdurchflossene Spule ist ein Elektromagnet. Mit einem Eisenkern kann ihre magnetische Wirkung besonders stark werden.
Elektromagnet
Ein Elektromagnet erzeugt seine magnetische Wirkung mithilfe von elektrischem Strom. Er lässt sich daher ein- und ausschalten und seine Stärke lässt sich beeinflussen.
Ein Permanentmagnet besitzt dagegen ohne angeschlossene Stromquelle eine dauerhafte magnetische Wirkung. Die beiden Magnetarten unterscheiden sich deshalb vor allem in ihrer Steuerbarkeit.
| Merkmal | Elektromagnet | Permanentmagnet |
|---|---|---|
| Ursache der nutzbaren Magnetwirkung | elektrischer Strom | dauerhafte Magnetisierung |
| Ein- und ausschaltbar | ja, über den Strom | nicht auf diese Weise |
| Stärke beeinflussbar | etwa durch Stromstärke, Windungszahl und Kern | nicht durch einfaches Regeln eines Spulenstroms |
Elektromagnete kommen beispielsweise in Relais, Türklingeln, Lautsprechern und Lastenhebemagneten vor. Auf Schrottplätzen können starke Elektromagnete Eisenteile anheben und wieder freigeben. Kupfer, Aluminium und Kunststoffe werden dabei nicht wie Eisen angezogen.
Warum reagiert eine Spule auf Stromänderungen?
Beim Einschalten wächst der Strom nicht sofort ungehindert an. Der Grund ist die Selbstinduktion: Ändert sich der Strom, ändert sich auch das Magnetfeld der Spule. Diese Änderung erzeugt in derselben Spule eine induzierte Spannung.
Nach der Lenzschen Regel ist diese Spannung so gerichtet, dass ihre Wirkung der verursachenden Änderung entgegenwirkt. Sie richtet sich also nicht grundsätzlich gegen jeden Strom, sondern gegen seine Veränderung.
- Beim Einschalten wirkt die Selbstinduktion dem Anstieg des Stroms entgegen. Der Strom steigt verzögert.
- Beim Ausschalten wirkt sie dem Abfall des Stroms entgegen. Die Spule versucht, den bisherigen Strom zunächst aufrechtzuerhalten.
- Bei einem unveränderten Gleichstrom ändert sich das Magnetfeld nicht mehr. Dann entsteht durch diesen Vorgang keine weitere Induktionsspannung.
Im Magnetfeld der Spule ist Energie gespeichert. Das erklärt, warum die Spule beim Ausschalten noch eine elektrische Wirkung zeigen kann, während ihr Magnetfeld abgebaut wird.
Selbstinduktion wirkt der Änderung des Stroms entgegen, nicht einfach dem Strom selbst.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Spule
- Aufbau: isolierter Draht und viele Windungen
- Magnetfeld: überlagerte Felder der Windungen
- Verstärkung: mehr Strom, mehr Windungen oder Eisenkern
- Elektromagnet: steuerbar durch den Strom
- Selbstinduktion: wirkt einer Stromänderung entgegen
Abschluss-Check
Kannst du nun Aufbau, Feldentstehung und Feldverstärkung erklären sowie Elektromagnet, Permanentmagnet und Selbstinduktion sicher unterscheiden? Dann hast du die Kernideen der Spule erfasst.