mini|Spulen in unterschiedlichen Formen mit und ohne Ferritkern (Hochfrequenz­drosseln) Spulen sind in der Elektrotechnik einerseits Wicklungen und Wickelgüter, die geeignet sind, ein Magnetfeld zu erzeugen oder zu detektieren. Sie sind elektrische Bauelemente oder Teile eines Gerätes, wie beispielsweise eines Transformators, Relais, Elektromotors, Lautsprechers oder Elektromagneten.

Andererseits sind separate Spulen induktive passive Bauelemente, deren wesentliche Eigenschaft eine definierte Induktivität ist. Sie werden überwiegend im Bereich der Signalverarbeitung für frequenzbestimmende Kreise, z. B. in LC-Schwingkreisen, Tiefpässen, Hochpässen, Bandpässen, zur Signalphasengangkorrektur, zur Störungsunterdrückung, zur Stromflussglättung oder als Energiespeicher in Schaltnetzteilen sowie vielen weiteren elektrischen und elektronischen Geräten eingesetzt. Siehe auch Drossel (Elektrotechnik).

Die Einsatzhäufigkeit der Spulen ist allerdings wesentlich geringer als die von Widerständen und Kondensatoren, da diese vielfach billiger und einfacher herstellbar sind und auch günstiger in elektronischen Halbleiterschaltkreisen integrierbar sind. Beim elektronischen Schaltungsentwurf wird daher häufig – wenn irgend möglich – die Nutzung von Spulen vermieden, wenn diese mit Kondensatoren, Widerständen und aktiven Bauelementen (Transistoren) nachgebildet werden können, beispielsweise mittels einer Gyrator-Schaltung.

Die meisten Spulen bestehen aus mindestens einer Wicklung eines Stromleiters aus Draht, Kupferlackdraht, versilbertem Kupferdraht oder Hochfrequenzlitze, der meist auf einem Spulenkörper (Spulenträger) gewickelt ist sowie überwiegend mit einem weichmagnetischen Kern versehen ist. Die Windungsanordnung und -form, der Drahtdurchmesser, das Wickel- und das Kernmaterial legen den Wert der Induktivität und die Spulengüte fest.

Darüber hinaus sind auch spiralförmig angelegte Leiterbahnen auf Leiterplatten, die gegebenenfalls mit umschließenden Ferritkernen umgeben sind, „Spulen“ im Sinne eines induktiven passiven Bauelementes. Die Windungen einer Spule müssen immer gegeneinander sowie gegen den häufig elektrisch leitenden Spulenkern isoliert sein, um einen Windungsschluss zu verhindern, der die Funktion der Spule wesentlich beeinträchtigen würde. Bei Spulen und Transformatoren mit mehreren Windungslagen bzw. Wicklungen aus Kupferlackdraht sind außerdem bei Spannungsdifferenzen ab etwa 50 Volt oft die einzelnen Windungslagen bzw. Wicklungen z. B. durch Lackpapier gegen Spannungsdurchschlag zusätzlich isoliert.

mini|Spule als Gedruckte Schaltung mit Ferritkern

Aufbau, Bauteilbezeichnungen mini|hochkant=0.5|Schaltzeichen für Spulen, links nach IEC 617-4 (1983), rechts nach IEC 617-4 (1996) und DIN EN 60617-4 (1997) Eine Spule ist ein aufgewickelter Draht, wobei die Windungen voneinander isoliert sind. Eine Windung ist ein Umlauf einschließlich der Zuleitungen. Es gibt nur ganzzahlige Windungszahlen. Ein Wickelkörper (Spulenkörper) muss nicht zwingend vorhanden sein. Fehlt der Wickelkörper oder ist er aus nichtmagnetischem Material, spricht man im mechanischen bzw. elektrischen Sinne von Luftspulen. Der Spulenkörper dient hier meist nur der mechanischen Stabilisation des Drahtes und hat im Gegensatz zum Spulenkern keinen magnetischen Einfluss.

Spulen gibt es auch in flacher Spiralform und mit rechteckigem oder beliebig anders geformtem Spulenquerschnitt. Sie können als spiralförmige Leiterbahn auch direkt auf einer Leiterplatte realisiert sein.

Spulen besitzen eine bestimmte Induktivität, diese Induktivität kann ihr eigentlicher Zweck (z. B. Drosselspulen, Filterspulen) oder nur sekundäre Eigenschaft sein (z. B. Transformatoren, Zugmagnete, Relaisspulen).

Bei Elektromotoren werden die Spulen als Wicklung und z. B. bei der Pupinspule als Bespulte Leitung bezeichnet.

Neben dem aufgewickelten Draht und dem Spulenkörper weist die Spule im Inneren oft einen (Spulen-)Kern (s. u.) auf, um die Induktivität zu erhöhen.

Das Wort Spule weist auf die Bauform hin (siehe Spule (Rolle)).

Die Induktivität einer Spule wird in der Einheit Henry gemessen (siehe Henry (Einheit)).

Funktionsweise Die Haupteigenschaft von Spulen ist ihre Induktivität. Die Induktivität ergibt sich aus der Anzahl der Windungen der Spule, dem von der Spule eingeschlossenen Material und den Abmessungen. Durch die magnetische Verkettung (Flussverkettung) der einzelnen Windungen untereinander, bedingt durch die räumlich nahe Anordnung der einzelnen Windungen, steigt die Induktivität von gewickelten Spulen theoretisch im Quadrat mit der Windungsanzahl. Eine Verdoppelung der Windungszahl bei gleichen geometrischen Abmessungen bewirkt somit eine Vervierfachung der Induktivität. (PDF; 599 kB) Ausführliche Beschreibung der FH Emden

Wird an die Anschlüsse der Spule eine elektrische Spannung angelegt, so ändert sich der Strom (welcher bei diesem Versuch durch die Spannungsquelle hindurchfließt) nicht schlagartig. Bei einer idealen Spule mit der Induktivität 1 H und einer Spannung von 1 V ist der Strom nach 1 s auf 1 A angewachsen. Eine Spannung kann auch am ohmschen Widerstand (Innenwiderstand) einer nicht idealen Spule selbst entstehen, oder an einem in den Stromkreis der Spule eingefügten Widerstand. Die Änderung des Stromes durch die angelegte Spannung bzw. den Spannungsabfall kommt erst zum Erliegen, wenn durch den Strom am Innenwiderstand eine entsprechende Gegenspannung entsteht. Eine kurzgeschlossene ideale Spule (vergleiche: Supraleiter) entlädt sich theoretisch niemals. Gleichzeitig mit dem Strom durch den Spulendraht entsteht ein Magnetfeld in der Spule.

Ein sich ändernder magnetischer Fluss eines von außen angelegten Magnetfeldes erzeugt an einer (kurz-)geschlossenen Leiterschleife einen Induktionsstrom und an den Enden des offenen elektrischen Leiters entsprechend eine Induktionsspannung. Diese Spannung ist dabei so gerichtet, dass sie ihrer Ursache (dem Strom) entgegenwirkt (Lenzsche Regel). Eine Zunahme der Änderungsrate des magnetischen Flusses führt zur Erhöhung der Spannung, die dem Strom entgegenwirkt. Der Proportionalitätsfaktor zwischen sich zeitlich änderndem Strom durch den Leiter und der dabei entstehenden Selbstinduktionsspannung wird als Induktivität bezeichnet.

Reale Spulen besitzen neben der eigentlichen gewünschten Induktivität auch noch andere, im Regelfall unerwünschte elektrische Eigenschaften wie einen elektrischen Widerstand, parasitäre Kapazitäten und damit mindestens eine elektrische Resonanzstelle (Eigenresonanz, Parallelschwingkreis) oder bei einem die Induktivität erhöhenden Spulenkern eine störende Remanenz sowie Wirbelstromverluste. Alle diese Parameter sind temperatur- und arbeitsfrequenzabhängig. Ihr Einsatz ist daher auch nur bis zu einer bauelementetypischen maximalen Grenzfrequenz sinnvoll, wo noch ein ausreichender induktiver Blindwiderstand bzw. Phasenwinkel in der entsprechenden Einsatzschaltung wirkt.

Soll ein hochwertiger Widerstand, bestehend aus einem langen aufgewickelten (Widerstands-)Draht, dagegen eine besonders geringe Induktivität haben, muss der mechanische Widerstandsdrahtträger, z. B. ein Porzellanrohr mit Kontaktschellen, bifilar mit einem gegenläufigen Draht bewickelt werden. So heben sich die entgegengesetzt gerichteten magnetischen Flüsse nahezu auf. Dieses Verfahren wird beispielsweise für Drahtlastwiderstände für den hohen Niederfrequenzbereich bis etwa 100 kHz angewendet.

Magnetfeld und Stromfluss mini|Magnetfeld einer Spule Folgende Merksätze können benutzt werden, um festzustellen, welches Ende einer Spule bei einem durch sie fließenden Gleichstrom einen magnetischen Nord- und welches Ende einen Südpol bildet (als Stromrichtung ist die technische Stromrichtung, d. h. vom Plus- zum Minus-Pol, zu benutzen): Schaut man auf ein Spulenende und wird dieses im Uhrzeigersinn vom elektrischen Strom durchflossen, so entsteht dort ein magnetischer Südpol. Schaut man auf ein Spulenende und wird dieses gegen den Uhrzeigersinn vom elektrischen Strom durchflossen, so entsteht dort ein magnetischer Nordpol. Umfasst man mit seiner rechten Hand die Windungen der Spule so, dass die Finger (außer dem Daumen) entlang der Windungen jeweils in die technische Stromrichtung gerichtet sind, so zeigt der Daumen in die Richtung des magnetischen Nordpols der Spule.

Im Inneren einer schlanken Spule (Länge viel größer als Durchmesser) der Länge  mit  Windungen, in denen ein elektrischer Strom  fließt, entsteht das Magnetfeld mit der Feldstärke

Die Flussdichte B ergibt sich mit der vom Spulenkern (s. u.) abhängigen Materialkonstanten μr und der magnetischen Feldkonstanten μ0 somit zu

Spulenkerne

Spulenkerne haben die Aufgabe, die Induktivität der Spule zu verstärken oder zu verringern. Die durch einen magnetischen Kern erreichte Erhöhung der Induktivität führt zu einer Verringerung der für einen bestimmten Induktivitätswert erforderlichen Windungszahl bzw. Leiterlänge und damit zur Verringerung des störenden elektrischen Widerstandes der Spule.

Kerne aus elektrischen Leitern wie Kupfer oder Aluminium, die durch Feldverdrängung die Induktivität verringern, werden zur Abstimmung von (Schwingkreis-)Spulen im Hochfrequenzbereich, z. B. bei UKW-Tunern, verwendet.

Spule mit Eisenkern mini|Wirbelströme im Eisenblock (oben) und in laminierten Blechen (unten) mini|Spule mit Schalenkern mini|Festinduktivitäten mit Farbringen.Oben: 6,8 µHMitte: 22 µHUnten: 2,2 µH Wird in eine Spule ein Eisenkern eingesetzt, so werden durch dessen ferromagnetische Eigenschaften die Permeabilität und damit auch die magnetische Flussdichte in der Spule erhöht. Somit kommt man mit wesentlich weniger Windungen und dadurch mit viel weniger Bauelementevolumen aus, um eine benötigte Induktivität zu erreichen. Ab einer bestimmten materialabhängigen Flussdichte tritt aber eine störende Sättigungsmagnetisierung des Kerns auf.

Weil das Eisen des Kerns ein elektrischer Leiter ist, wird darin wie in einer von Wechselstrom durchflossenen Kurzschluss-Spule ein unerwünschter Wirbelstrom induziert, der den Eisenkern erwärmt. Diesen Wirbelstrom kann man verringern, wenn der Kern nicht aus einem massiven Stück Eisen, sondern aus einem Stapel von Eisenblechen besteht. Diese müssen voneinander durch Lackschichten oder (früher) Papier isoliert sein, um den Wirbelstrom zu unterbrechen.

Bei sehr hohen Frequenzen wird die Spule mit elektrisch nichtleitendem Pulver-Pressstoff oder ferrimagnetischem Material wie zum Beispiel Ferrit gefüllt, um die Induktivität zu erhöhen.

Diese magnetischen Kernmaterialien weisen typischerweise einen Hysterese-Effekt (Remanenz) auf, der zu elektrischen Verlusten führt, weil bei jeder Periode eines Wechselstroms der Kern ummagnetisiert werden muss. Außerdem kommt dadurch eine Verformung der Stromkurve mit zusätzlichen Spitzen in jeder Periode zustande, die bei manchen Anwendungen unwillkommen ist, da sie den Klirrfaktor erhöhen. Die Verluste, die durch Wirbelströme und Hysterese auftreten, nennt man Eisenverluste.