Was sind die Eigenschaften von Elektromagneten und Elektrostrom?

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2 Antworten

Ein stromdurchflossener Leiter verursacht ein Magnetfeld in seiner Umgebung (Entdeckung durch Hans Christian Ørsted 1820).

Die Richtung der magnetischen Feldlinien einer einzelnen Windung der Spule lässt sich mit der Korkenzieherregel (auch Rechte-Hand-Regel) bestimmen: Wird der Leiter so von der Hand umfasst gedacht, dass der abgespreizte Daumen in die Richtung vom Plus- zum Minuspol (technische Stromrichtung) zeigt, dann zeigen die Finger die Richtung der Feldlinien des Magnetfeldes an. Die Felder der einzelnen Windungen summieren sich zu einem den Wicklungsquerschnitt umlaufenden Gesamtfeld. Die Feldlinien verlaufen ebenso wie bei einer einzelnen Windung (alle Stromrichtungen der Windungen sind gleichsinnig!) und verlassen den Eisenkern – dort bildet sich der magnetische Nordpol. Alle Feldlinien treten am magnetischen Südpol wieder in den Eisenkern ein.

Die Magnetfeldlinien konzentrieren sich im Inneren der Spule. Die magnetische Flussdichte ist im Zentrum der Spule am höchsten. Außerhalb der Spule ist die magnetische Flussdichte geringer, sie nimmt mit der Entfernung schnell ab, so dass Elektromagnete nur in geringen Entfernungen eine große Wirkung haben.

Soll Arbeit verrichtet werden, muss der Magnetfeldkreis ferromagnetisch und inhomogen sein, d. h. eine Unterbrechung im Eisenkern enthalten, welche durch die Arbeit verkleinert werden soll.

Die Lenzsche Regel besagt sinngemäß, dass eine Kraft oder Bewegung so gerichtet ist, dass sie ihrer Ursache (in diesem Fall dem Stromfluss) entgegenwirkt. Folglich ist ein Magnetkreis um eine stromdurchflossene Spule bestrebt, seinen magnetischen Widerstand zu verringern und auch Luftspalte zu schließen: Dadurch erhöht sich die Induktivität und in der Spule wird eine Spannung induziert, die die gleiche Polarität wie die Speisespannung hat – der Strom verringert sich während des Zueinander-Bewegens der Eisenteile des Magnetkreises.

Eisenteile des Magnetkreises bestehen aus einem Joch (feststehender Teil) und beweglichen Teilen wie Zuganker, Klappanker oder zu transportierenden Eisenteilen (Magnetkran).

Theorie

Für eine lange elektromagnetische Spule der Länge l {Maßeinheit: m (Meter)} und der Windungszahl n {ohne Maßeinheit}, durch die ein Strom I {Maßeinheit: A (Ampère)} fließt, berechnet sich die magnetische Feldstärke H {Einheit: A/m} zu

H = I \\\\cdot \\\\frac{n}{l} \\\\,
" src=" https://upload.wikimedia.org/math/d/8/9/d894f3f27a7a2ceb802239a14593a86b.png" style="border: none; vertical-align: middle; display: inline-block;">

bzw. die magnetische Flussdichte B {Maßeinheit: T (Tesla)} zu

B = \\\\mu_{0} \\\\cdot \\\\mu_{r} \\\\cdot I \\\\cdot \\\\frac{n}{l} \\\\,
" src=" https://upload.wikimedia.org/math/f/6/8/f6827211e8cbd2f228409098a8bf25b5.png" style="border: none; vertical-align: middle; display: inline-block;">.

Darin ist  die magnetische Feldkonstante und  die Permeabilität des von der Spule umschlossenen Raumes.

\\\\mu_{0} = 4 \\\\cdot \\\\pi \\\\cdot 10^{-7} \\\\frac{\\\\mathrm{H}}{\\\\mathrm{m}} \\\\,
" src=" https://upload.wikimedia.org/math/a/f/5/af5c80b152d61aeb87c936a92d99a01c.png" style="border: none; vertical-align: middle; display: inline-block;">.

In Vakuum (bzw. genähert in Luft) ist die relative Permeabilität , in ferromagnetischen Materialien liegt ihr Wert zwischen 4 und 15.000 bis zum Erreichen der materialabhängigen magnetischen Sättigung.

Bauformen und Besonderheiten

Elektromagnet mit variablem Luftspalt für experimentelle Anwendungen, mit dem magnetische Flussdichten bis 2 Tesla erzeugt werden können.

Zug-, Klappanker- und Haltemagnete

Sie dienen der Betätigung (Zug-, Druck- und Klappankermagnete), als Kupplung oder zum Transport. Sie unterscheiden sich durch die Ankerform:

Zug- und Druckmagnete besitzen stabförmige AnkerSchütz-Betätigungsspulen besitzen I- oder T-förmige Anker und entsprechend ein E-förmiges Jochbeim Klappanker (siehe auch Klappanker-Relais) schwenkt ein abgewinkeltes Ankerblech um eine der Kanten des Jochsbei Kupplungsmagneten (Magnetkupplung) ist der Anker eine ScheibeHalte- und Transportmagnete verwenden das Transportgut als „Anker“. Beispiele sind auch

 

Magnetscheider

 

und Magnetkran.

Mit Gleichspannung betriebene Magnete besitzen eine stark nichtlineare Kraft-Weg-Kennlinie bei Annäherung des Ankers an das Joch. Berühren sich beide, ist die Kraft am größten. Mit der Entfernung sinkt sie nahezu hyperbolisch ab. Ursache ist die mit der Verringerung des Luftspaltes ansteigendemagnetische Flussdichte. Die zu Beginn des Anziehens geringe Kraft macht sie ungeeignet für Einsatzfälle, die sofort eine große Kraft benötigen. Auswege sind:

überhöhte Spannung als Anzughilfekonstruktive Gestaltung der Magnetpole (Anker und Joch):Andrehungen vergrößern die Kraft auch bei großen HübenProportionalmagnete (zum Beispiel für

 

Proportionalventile) besitzen einen bei kleiner werdendem Abstand wirksam werdenden magnetischen Nebenschluss

Anders ist das bei Wechselspannung: Hier bewirkt die bei großem Luftspalt verringerte Induktivität einen erhöhten Stromfluss beim Anziehen. Wechselstrom-Zugmagnete (oder auch Relais- und Schützspulen) haben daher bereits zu Beginn des Anziehens eine große Kraft.

Prinzipielles Zeitdiagramm für Zugmagnet mit Spaltpol (F~H²)

Um die Kraft bei Wechselstrom-Zugmagneten während der Strom-Nulldurchgänge aufrechtzuerhalten, setzt man Kurzschlusswindungen wie bei einem Spaltpolmotor ein – diese erzeugen in einem Teil des Magnetkreises ein phasenverschobenes Magnetfeld. Eine weitere Möglichkeit sindDrehstrom-Zugmagnete, diese erfordern jedoch drei separate Schenkel von Joch und Anker.

Beim Abschalten des Stromes können durch Selbstinduktion Überspannungen entstehen, die wiederum Funken oder Lichtbögen hervorrufen. Diese können zur Zerstörung des Schalters führen. Als Abhilfe werden bei Gleichstrom Schutzdioden, bei Wechselstrom Varistoren sowie diskret antiseriellgeschaltete Z-Dioden (bzw. integrierte Leistungs-Suppressordioden) und – oder in Kombination mit – Boucherotgliedern eingesetzt.

Relais, Schaltschütz

Elektromechanische Relais sind meistens mit einem Klappankermechanismus aufgebaut, der über einen Hebel den oder die Kontakte betätigt. Relais werden mit Gleich- oder Wechselstromspulen gebaut. Ein Schaltschütz benutzt zumeist Tauchanker-Elektromagnete für Gleich- oder Wechselstrom. Die Anzugskräfte zum Kontaktschluss sind wesentlich größer als bei Relais, weshalb die Elektromagnete dafür größer sind als bei Relais.

Tauchspulmagnete

Tauchspulen können auch in Zug- und Druckmagneten verbaut sein. Ein üblicher englischer Begriff ist auch voice coil, weil Mikrophone oder Lautsprecher damit gebaut werden. Entweder ist auch eine Parallelführung vorhanden oder der Anwender muss durch die Konstruktion selbst eine Führung der Spule im Dauermagnet gewährleisten. Bei Tauchspulmagneten bewegt sich wie beim elektrodynamischen Lautsprecher eine Spule (Zylinderspule) im Luftspalt eines Dauermagneten durch die Lorentzkraft. Sie weisen gegenüber den oben beschriebenen Bauformen eine nahezu lineare Kraft/Weg-Kennlinie auf (je nach den nichtlinearen Randbedingungen der technischen Umsetzung). Die bewegte Masse ist gering, daher ist die Dynamik hoch. Die erreichbare Kraft pro Masse ist jedoch geringer.

Tauchankermagnete

In Schaltschützen werden zum Schließen der Kontakte größere Kräfte als bei Relais benötigt, weshalb man dafür Elektromagnete benutzt, die einen Eisenkern in die feststehende Spule hineinziehen. Diese werden sowohl für Gleich- als auch für Wechselstrombetrieb gebaut.

Magnetspulen

Elektromagnete mit und ohne Joch, jedoch ohne bewegte Anker oder ähnliches werden meist nicht als Elektromagnet bezeichnet. Relevante Begriffe sind Solenoid (Zylinderspule),Helmholtz-Spule, Ablenkmagnet, Dipolmagnet.

Scheibenwindungen

Scheibenwindung aus einem 16-T-Magneten für 20 kA, ca. 40 cm Durchmesser, mit Durchschlagstelle von einem Crash

Hohe Flussdichten auch ohne Supraleitung lassen sich durch Magnete erreichen, bei denen jede Spulenwindung aus einer geschlitzten Scheibe ausKupfer besteht. Die mittige Lochung dient zur Aufnahme der Probe.

Die nächste Platte wird mit etwas Überlappung zur vorhergehenden platziert. Hier entsteht ein direkter elektrischer Kontakt. Der übrige Bereich wird durch eine Isolationszwischenschicht elektrisch getrennt und bildet so die nächste Windung.

Die außen radial eingebrachten Bohrungen dienen zur Aufnahme von Montagebolzen, darüber hinaus sind über die Fläche verteilt viele kleine Bohrungen eingebracht. Diese gestatten die Passage von Kühlflüssigkeit. Wegen der im Inneren höheren elektrischen Stromdichte (wegen des kürzeren Stromweges auf dem kleineren Kreisumfang) sind nach innen hin im Verhältnis mehr Bohrungen vorgesehen.

Die Platten werden zu einem Plattenstapel zusammengesetzt, der etwa gleich hoch wie breit ist. Bei Scheibendurchmessern von ca. 40 cm, Bohrungsdurchmessern von ca. 5 cm, Scheibendicken von ca. 2 mm, Stromstärken bis 20 kA, Scheibenzahlen von 250 und großem Aufwand an Wasserkühlung lassen sich so Flussdichten bis 16 Tesla erreichen; bei einem Bohrungsdurchmesser von 3 cm bis zu 19 Tesla. Hierbei findet kein Eisenkern Anwendung, weil dieser schon bei 2 Tesla in Sättigung ginge. Die zu untersuchende Probe wird direkt im Mittelpunkt des Magneten positioniert.

Der elektrische Leistungsbedarf erreicht bis zu 5 MW (ca. 1 V je Windung). Für Dauerbetrieb muss die vollständig in Wärme gewandelte elektrische Leistung durch eine ausreichend dimensionierte Kühlung abgeführt werden.

Pulsbetrieb

Im Impulsbetrieb können infolge der Wärmekapazität des Spulenwerkstoffes kurzzeitig hohe Flussdichten erreicht werden ohne dass die Wärmeleistung sofort weggekühlt werden muss (Zeit- Temperatur- Integration). Zur mechanischen Stabilität müssen solche Spulen oft mit Faserverbundwerkstoffen gegen Zerstörung geschützt werden. Pulsmagnetspulen werden unter anderem zur Magnetumformung genutzt. Siehe auch Gaussgewehr.

Bei Experimenten mit magnetischen Flussdichten von einigen tausend Tesla zu wissenschaftlichen Zwecken wird oft hingenommen, dass die Spulen bei jedem Versuch mechanisch oder thermisch zerstört werden. Eine zusätzliche Steigerung der Flussdichte kann bei gleichzeitiger Komprimierung der Spule bzw. des Feldes mittels Sprengladungen erreicht werden; siehe auch Flusskompressionsgenerator oder im Kapitel Impulstechnik bei Sacharow, dem Erfinder des Flusskompressionsgenerators.

Stickstoffgekühlte, wiederverwendbare Pulsmagnetspulen sind für Hochfelduntersuchungen bis etwa 100 Tesla realisierbar und werden unter anderem am Institut Hochfeld-Magnetlabor Dresden entwickelt und erprobt.

Eigenschaften von Betätigungsmagneten

GleichspannungsmagnetWechselspannungsmagnetkonstant hohe StromaufnahmeStromaufnahme stark von Ankerstellung abhängiglängere Schaltzeitschnelles Schaltenbeim Abschalten oft Schutz des Schaltelementes (beispielsweise durch eine

 

Freilaufdiode) nötigEntstörglied (Boucherotglied) empfehlenswertgroße Abfallverzögerung mit Freilaufdiodegeringe AbfallverzögerungRestluftspalt als Klebeschutz erforderlichSpaltpol/Kurzschlusswindung zur Vermeidung von Brumm-Geräuschen erforderlichSchaltzeit durch Überspannung verringerbarSchaltzeit nicht beeinflussbar

Anwendungen

Zugmagnete für

 

Gleichstrom

1. Spule mit ferromagnetischem Kern (meist aus Eisen)

Betätigungsmagnete von

 

Relais

 

und

 

SchützenTüröffner-Magnet, Magnete in Summern und Tür-GongsMagnetkupplungen (in

 

Vakuumpumpen

 

oder Klimakompressoren im Kfz) und Bremsen (mit Rückstellfeder in Rasenmähern und an Kranen)Zugmagnete, SchubmagneteHubmagnete (Magnetkran in Stahlwerken)Magnetschienenbremse

 

bei SchienenfahrzeugenMagnete, um

 

Weichen

 

von Schienenfahrzeugen zu stellenWechselstrom-Magnete in

 

Membranpumpen

 

oder

 

Dosierpumpen

 

(Luftpumpe für Aquarien,

 

Additive

 

oder Kraftstoffe) und

 

SchwingförderernErregerfeld-Erzeugung in

 

Elektromotoren

 

(wie im Staubsauger) und

 

Generatoren

 

(Kfz-Lichtmaschine, Kraftwerk)Separatoren zur Stofftrennung „ferromagnetisch“ / „nicht ferromagnetisch“ (Magnetscheider, zur Müllsortierung)Ablenkmagnete

 

in Teilchenbeschleunigern für geladene TeilchenstrahlenAblenkspulen- und

 

Fokussiermagnete

 

(Elektronenmikroskop, Elektronenstrahlschweißen,

 

Bildröhren)Elektromagnetisch betätigte

 

Einspritzinjektoren

 

bei

 

Dieselmotoren

 

mit dem Einspritzverfahren

 

Common-RailMit

 

Magnetfiltern

 

(überwiegend Elektro-Magnetfilter) werden ferromagnetische Feststoffe (feinverteilte Eisenoxide) aus den Umlaufkondensaten von Kraftwerken und den Umlaufwässern von Fernheiznetzen abfiltriert

[1]

.

2. Spule ohne ferromagnetisches Kernmaterial

Felderzeugung für

 

WanderfeldröhrenFelderzeugung für

 

InduktionsöfenBetätigungsspule für

 

Reedkontaktesupraleitende Magnete in

 

Kernspinresonanz-Tomografen

 

und zur Forschung, so in Kernfusionsreaktoren auf Basis der

 

Fusion mittels magnetischen Einschlussesungekühlte Magnetspulen für Hochfeld-Untersuchungen (nur Impulsbetrieb – oft muss die Spule nach jedem Experiment erneuert werden)Umformen, Schweißen, Fügen und Schneiden von MetallenBittermagnet (benannt nach seinem Entwickler

 

Francis Bitter

 

am damaligen

 

Department of Mining and Metallurgy

 

des

 

MIT), bestehend aus einem Stapel von etwa 250 Leiter- und Isolatorplatten, durch Wasserkühlung Felder bis 45 Tesla im Dauerbetrieb, bis zu 100 T im Impulsbetrieb erreichbar (Inbetriebnahme 1933, kontinuierliche Leistungssteigerung bis Ende der 1960er Jahre: 25 T bei 15 Megawatt Leistung

 

im Dauerbetrieb, 40 T für 2 Sekunden; ein Magnet dieses Typs der

 

Radboud-Universität Nijmegen

 

in den

 

Niederlanden

 

verfügt mit 37,5 T über das derzeit höchste kontinuierliche Magnetfeld bei

 

Raumtemperatur)

[2]

Braunbek-Spulensystem zur Erzeugung von magnetischen Gleichfeldern und niederfrequenten Wechselfeldern bis zu 120 Mikrotesla [µT] zur messtechnischen Kompensation und Simulation des Erdmagnetfelds

[3]

Siehe auch

Liste elektronischer Bauteile

Literatur

Klaus D. Linsmeier, Achim Greis:

 

Elektromagnetische Aktoren. Physikalische Grundlagen, Bauarten, Anwendungen.

 

In:

 

Die Bibliothek der Technik, Band 197.

 

Verlag Moderne Industrie,ISBN 3-478-93224-6.Günter Springer:

 

Fachkunde Elektrotechnik.

 

18.Auflage, Verlag - Europa - Lehrmittel, Wuppertal 1989,

 

ISBN 3-8085-3018-9.Horst Stöcker:

 

Taschenbuch der Physik.

 

4. Auflage, Verlag Harry Deutsch, Frankfurt am Main 2000,

 

ISBN 3-8171-1628-4.

Das große Buch der Technik.

 

Verlag für Wissen und Bildung, Verlagsgruppe Bertelsmann GmbH, Gütersloh 1972.Kallenbach, et al. (2008):

 

Elektromagnete

. 3. Auflage, Vieweg + Teubner Verlag, Wiesbaden,

 

ISBN 978-3-8351-0138-8.Greg Boebinger, Al Passner, Joze Bevk:

 

Elektromagnete höchster Leistung

. Spektrum der Wissenschaften, März 1996, S. 58-63

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Deniz2502 16.05.2016, 16:25

Und jz einmal auf deutsch bitte.

0
Deniz2502 16.05.2016, 16:42

Und jz einmal auf deutsch bitte.

0
jillvalentinee 16.05.2016, 16:45

Wow das sind eine menge angaben :( ich blick da nicht durch trozdem danke 

1

Elektrostrom?

Was ist das?

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