Magnetismus (Grundgrößen)

Magnetische Durchflutung

Elektromagnetismus

Wenn ein Strom durch einen Leiter fließt, bildet sich um den Leiter herum ein Magnetfeld ( = Elektromagnetismus). Der Lauf der Feldlinien kann mit einer Kompassnadel untersucht werden. Er ist kreisförmig in Richtung einer Rechtsschraube, die dem Strom folgt. Die Beobachtung geht auf den Physiker Oersted zurück.

Wenn dieser Leiter zu einer Spule gewickelt wird, wird das Magnetfeld mit jeder Windung stärker. Die Magnetischen Feldlinien "durchfluten" die Kupferwindungen.

Die Durchlutung Θ (sprich: "THETA") in A ist das Produkt von:

  • Elektrischer Stromstärke I in A und
  • Windungszahl der Spule N

Magnetische Feldstärke

Ein einfacher Versuch zeigt, wovon die Stärke des Magnetfeldes abhängt.

  • Je länger die magnetischen Feldlinien werden (Entfernung von der Quelle),
  • und je weniger die Durchflutung (Anzahl der Feldlinien in der Spule oder um einen Leiter herum)

umso weniger Einfluss hat das Leitermagnetfeld auf die Kompassnadel, und desto stärker richtet sie sich nach dem allgegenwärtigen Erdmagnetfeld aus.

Die Magnetische Feldstärke eines Elektromagneten H in A/m ist umso größer,

  • je größer die Durchflutung Θ in A und
  • je kleiner die durchschittliche (mittlere) Feldlinienlänge lm in m ist.

Magnetische Durchlässigkeit (Permeabilität)

Magnetfeld in Luft (Vakuum)

In einer Luftspule werden immer die gleiche Anzahl von Feldlinien ( = Feldstärke) je Ampere Strom erzeugt. Das führt zur sogenannten Magnetischen Feldkonstanten μ0.

Die Feldstärke ist klein, da die Feldlinien lange sind. Auch ist ihre Anzahl gering, da sich Luft schlecht magnetisieren lässt.

Magnetfeld in Eisen

In einem Eisenkern wird die Kraft bei der gleichen Durchflutung einiges stärker. Magnetische Feldlinien breiten sich lieber in Eisen aus. Die magnetische Durchlässigkeit oder Permeabilität der Luft wird um den Faktor der Relativen Durchlässigkeit erhöht.

Die Magnetische Durchlässigkeit &mue; eines Stoffes ergibt sich aus dem Produkt

  • der Magnetischen Feldkonstante μ0 und
  • der relativen Permeabilität μr

    Wir unterscheiden:

    Werkstoff relative Permeabilität μr in Vs/Am
    ferromagnetisch
    (Eisen, Nickel oder Kobalt)
    2.000 bis 900.000
    dia- oder paramagnetisch ca. 1

    Die Feldstärke ist gößer. Das zeigt allein schon die Kraft, wenn man einen geschlossenen Kern von Hand öffnen will. Die Feldlinien verlaufen lieber im Eisenkern und sind daher viel kürzer. Auch ist ihre Anzahl größer, da sich Eisen wesentlich besser magnetisieren lässt.

    Magnetischer Widerstand

    So wie der elektrische Widerstand eines Leiters von Materialzahlen abhängig ist, ist der Widerstand eines Stoffes gegen das Erzeugen eines Magnetfeldes von Materialzahlen abhängig.

    Die folgende Tabelle zeigt uns die entsprechenden Größen im Vergleich:

    Leiterwiderstand Magnetischer Widerstand
    Leiterlänge l in m mittlere Feldlinienänge lm in m
    Leitwert γ in Sm/mm2 Magnetische Durchlässigkeit μ in Vs/Am
    Leiterquerschnitt A in mm2 Spulen- oder Eisenquerschnitt AFe in m2

    Die Berechnungsformel kann einfach mit der Formel für den Leitungswiderstand verglichen werden:

  • Magnetische Flussdichte (Induktion)

    Die Flussdichte kann man sich als Feldliniendichte vorstellen. Also die Anzahl der Feldlinien je m2. Die Induktion B in T (Tesla) ist umso größer

    • je höher die magnetische Permeabilität μ in Vs/Am, und
    • je größer die magnetische Feldstärke H in A/m ist.

    Nicola Tesla

    Tesla wanderte 1882 in den USA ein und wurde zunächst Mitarbeiter von Edison. Zu seinen Erfindungen zählen die Mehrfasenströme sowie Drehfeld- oder Induktionsmaschinen.

    Bekannt ist bis heute die Teslaspule, in der hochfrequente Ströme erzeugt werden, die als Grundlage zur Funktechnik oder der drahtlosen Energieübertragung diente.

    Der Zusammenhang von Induktion und Feldstärke

    Er kann in einem Diagramm festgehalten werden und zeigt uns die Magnetisierungskennlinie:

    Während die Kennlinie der Luftspule eine Gerade ist (die Induktion verhält sich proporzional zur Feldstärke), ist die Kennlinie der Eisenspule gebogen. Das bedeutet, dass der Faktor μ in Eisen nicht konstant ist.

    Magnetischer Fluss

    Den magnetischen Fluss Φ (sprich:"PHI") in Vs kann man sich als die Feldlinien selbst vorstellen. Er ist umso größer,

  • je größer die Induktion B in T ist, und
  • je größer die magnetisierte Fläche (der Eisenquerschnitt) AFe in m2 ist.

    Die magnetischen Feldlinien breiten sich kreisförmig aus und sind geschlossen. Sie können damit mit dem elektrischen Strom verglichen werden. Der Magnetismus fließt in einem geschlossenen Magnetischen Kreis. Der Ausbreitung des Magnetismus wirkt ein Magnetischer Widerstand entgegen. Die Ursache für den Magnetismus ist eine stromdurchflossene Spule.

    Die Überlegung führt uns zum "Ohmschen Gesetz des Magnetischen Kreises":

    Der magnetische Kreis kann eigentlich ähnlich wie ein Stromkreis dargestellt und berechnet werden: