Elektromagnet

Ein Elektromagnet besteht aus einer Spule, um die sich bei Stromdurchfluß ein magnetisches Feld bildet. In der und um die Spule befindet sich meist ein Eisenkern, der das Magnetfeld führt und verstärkt.

Die Verstärkung des Magnetfeldes durch ferromagnetische Materialien funktioniert nur bis zu deren Sättigungs-Flussdichte, die bei etwa 1 bis 2 Tesla liegt. Sehr starke Elektromagnete müssen daher ohne Kernmaterial hergestellt werden.

Wirkprinzip

Ein stromdurchflossener Leiter bildet ein Magnetfeld um sich aus (Ørsted 1820).

Die Richtung der magnetischen Feldlinien lässt sich mit der 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. In der vom Daumen gezeigten Richtung liegt auch der "Nordpol".

Durch gleichsinnige Wicklung des Leiters in der Spule konzentriert sich das über dem Leiter verteilte Magnetfeld im Inneren der Spule und um die Spule herum. Dabei entsteht ein zusammenhängender resultierender magnetischer Fluss in Achsrichtung, dessen Flussdichte im Zentrum am höchsten ist.

Soll Arbeit verrichtet werden, muss der Magnetfeldkreis ferromagnetisch und inhomogen sein, d.h. eine Unterbrechung enthalten.
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 z.B. 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 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

$H = I \cdot \frac{n}{l} \,$

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

$B = \mu_{0} \cdot \mu_{r} \cdot I \cdot \frac{n}{l} \,$ .

Darin ist $μ 0$ die magnetische Feldkonstante und $μ r$ die Permeabilität des von der Spule umschlossenen Raumes.

$\mu_{0} = 4 \cdot \pi \cdot 10^{-7} \frac{\mathrm{H}}{\mathrm{m}} \,$ .

In Vakuum bzw. in Luft ist die relative Permeabilität $μ r = 1$ , in ferromagnetischen Materialien liegt ihr Wert zwischen 4 und 15.000 bis zum Erreichen des spezifischen Sättigungspunktes.

Mit Gleichspannung betriebene Zug- und Haltemagnete besitzen eine stark nichtlineare Kraft-Weg-Kennlinie. Ursache ist die mit der Verringerung des Luftspaltes ansteigende magnetische Flussdichte. Die zu Beginn des Anziehens geringe Kraft macht sie ungeeignet für Einsatzfälle, die sofort eine große Kraft benötigen. Ein Ausweg ist eine überhöhte Spannung als Anzughilfe.
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.
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 sind Drehstrom-Zugmagnete, diese erfordern jedoch drei separate Schenkel von Joch und Anker.

Anwendungen

Zugmagnete

1. Spule mit ferromagnetischem Kern (meist aus Eisen)

Betätigungsmagnete von Relais und Schützen
Türöffner-Magnet, Magnete in Summern und Tür-Gongs
Magnetkupplungen (z. B. in Vakuumpumpen oder Klimakompressoren im Kfz) und Bremsen (z. B. mit Rückstellfeder in Rasenmähern und an Kranen)
Zugmagnete, Schubmagnete
Hubmagnete (Magnetkran in Stahlwerken)
Magnetschienenbremse bei Schienenfahrzeugen
Magnete, um Weichen von Schienenfahrzeugen zu stellen
Wechselstrom-Magnete in Membranpumpen (z. B. Luftpumpe für Aquarien) und Schwingförderern
Magnetfelderzeugung in fremderregten Motoren (z. B. Staubsauger) und Generatoren (Autolichtmaschine, Kraftwerk)
Separatoren zur Stofftrennung „ferromagnetisch“ / „nicht ferromagnetisch“ (z. B. Müllsortierung)
Ablenkmagnete in Teilchenbeschleunigern und für Elektronenstrahlen (Bildröhre, Elektronenmikroskop, Elektronenstrahlschweißen)

2. Spule ohne ferromagnetisches Kernmaterial

Felderzeugung für Wanderfeldröhren
Betätigungsspule für Reedkontakte
supraleitende Magnete in Kernspinresonanz-Tomografen und zur Forschung
ungekühlte Magnetspulen für Hochfeld-Untersuchungen (nur Impulsbetrieb - oft muss die Spule nach jedem Experiment erneuert werden)

Siehe auch: Liste elektronischer Bauteile

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