Magnetspule

Ein Elektromagnet besteht aus einer Spule, in der sich bei Stromdurchfluss ein magnetisches Feld bildet. In der Spule befindet sich meist ein offener Eisenkern, der das Magnetfeld führt und verstärkt. Die Erfindung des Elektromagneten gelang dem Engländer William Sturgeon im Jahre 1826.

Wirkprinzip

Ein stromdurchflossener Leiter bildet ein Magnetfeld um sich herum (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 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 μ₀ 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. genähert in Luft) ist die relative Permeabilität μ_r = 1, in ferromagnetischen Materialien liegt ihr Wert zwischen 4 und 15.000 bis zum Erreichen der materialabhängigen magnetischen Sättigung.

Besonderheiten

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.

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 eingesetzt.

Eigenschaften von Elektromagneten

Gleichspannungsmagnet	Wechselspannungsmagnet
konstant hohe Stromaufnahme	Stromaufnahme stark von Ankerstellung abhängig
längere Schaltzeit	schnelles Schalten
beim Abschalten oft Schutz des Schaltelementes z. B. durch eine Freilaufdiode nötig	Entstörglied (Boucherotglied) empfehlenswert
große Abfallverzögerung bei Freilaufdiode	geringe Abfallverzögerung
Restluftspalt als Klebeschutz erforderlich	Spaltpol/Kurzschlusswindung zur Vermeidung von Brumm-Geräuschen erforderlich
Schaltzeit durch Überspannung verringerbar	Schaltzeit nicht beeinflussbar

Anwendungen

Zugmagnete für Gleichspannung

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 oder Dosierpumpen (z. B. Luftpumpe für Aquarien, Additive oder Kraftstoffe) und Schwingförderern
• Erregerfeld-Erzeugung in Elektromotoren (z. B. Staubsauger) und Generatoren (KFZ-Lichtmaschine, Kraftwerk)
• Separatoren zur Stofftrennung „ferromagnetisch“ / „nicht ferromagnetisch“ (Magnetscheider, z. B. zur Müllsortierung)
• Ablenkmagnete in Teilchenbeschleunigern für geladene Teilchenstrahlen
• Ablenkspulen- und Fokussiermagnete (Elektronenmikroskop, Elektronenstrahlschweißen, Bildröhren)
• Stickstoffgekühlte Pulsmagneten für Hochfelduntersuchungen. Bestes Beispiel liefert der Europarekordhalter für hohe Magnetfelder, das Institut Hochfeld-Magnetlabor Dresden.

2. Spule ohne ferromagnetisches Kernmaterial

• Felderzeugung für Wanderfeldröhren
• Betätigungsspule für Reedkontakte
• supraleitende Magnete in Kernspinresonanz-Tomografen und zur Forschung, z.B. in Kernfusionsreaktoren auf Basis der Fusion mittels magnetischen Einschlusses
• ungekühlte Magnetspulen für Hochfeld-Untersuchungen (nur Impulsbetrieb – oft muss die Spule nach jedem Experiment erneuert werden)
• Bittermagnet (benannt nach seinem Entwickler am National Magnet Laboratory des MIT Francis Bitter), bestehend aus einem Stapel von etwa 250 Leiter- und Isolatorplatten, durch Wasserkühlung Felder bis 20 Tesla im Dauerbetrieb, bis zu 100 Tesla im Impulsbetrieb erreichbar, siehe: Magnet.

Fachliteratur

• 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
• Prof. Dr. 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

Siehe auch

• Liste elektronischer Bauteile