5. Das stationäre magnetische Feld 1 5.1 Grundgrößen und Grundgesetze Die Ablenkung von Kompassnadeln in der Nähe eines stromführenden Drahtes zeigt das Vorhandensein und die Richtung des Magnetfeldes. 2 Die magnetischen Feldlinien 3 Dünne Eisenspäne machen die magnetischen Feldlinien in der Umgebung eines Stabmagneten sichtbar. 4 Das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule (mit Eisenfeilspänen) 5 als Feldbild 6 Einige Eigenschaften des Magnetfeldes 7 Magnetflussdichte und Lorentzkraft F ~Q F ~v F ~ sin α ( Feldlinie,v ) F I B Magnetflussdichte F = Q (v × B) F ~ Q ⋅ v ⋅ sin α ( Feldlinie,v ) Lorentz (Laplace)-Kraft 8 Magnetflussdichte und magnetischer Fluss - die Einheit der Magnetflussdichte Nm [F] N VAs Vs m [ B] = =1 =1 =1 = 1 2 = 1T m [Q][v ] Am Am2 m As s - der Magnetfluss Φ Φ = ∫∫ B ⋅ dA N S magnetischer Knotensatz Vs 2 [ Φ ] = [ B][ A] = 1 2 m = 1Vs = 1Wb m ∑Φ i vorzeichen =0 i 9 Magnetische Spannung dWmag ~ dΦ + dΦ + dΦ dWmag = V dΦ [Wmag ] Ws VAs =1 =1 = 1A [V ] = Vs Vs [Φ ] die magnetische Spannung 10 Magnetische Feldstärke dV = H dl die magnetische Feldstärke [V ] A = [ H] = [l ] m allgemein gilt: V = ∫ H dl l 11 Das Durchflutungsgesetz I1 I2 I3 I4 l Vumlauf = ∫ H dl = ∑I i umfaßt vorzeichen =Θ i 12 Die Rechte-Hand-Regel als Merkregel für das positive Vorzeichen des umfassten Stromes: Wenn die Finger der rechten Hand in die Richtung des umfassenden Weges zeigen, gibt der Daumen die Richtung der positiv zu zählenden umfassten Ströme an. 13 Beispiele: Θ L1 = I 2 − I 3 Θ L2 = wI 14 Magnetischer Widerstand Φ V Φ V V = Rm Φ Rm V Rm = Φ 15 Der Zusammenhang zwischen Flussdichte und Feldstärke (B-H-Kennlinie) B magnetisch lineare Stoffe - diamagnetische Stoffe - paramagnetische Stoffe Φ=B A B= µH H V = H ⋅l µ = µr µ0 Permeabilität des Vakuums (absolute Permeabilität) Vs µ0 = 4π 10 Am −7 Permeabilität µ < 1 für diamagnetische Stoffe r µr > 1 für paramagnetische Stoffe 16 Bemessungsgleichung des magnetischen Widerstandes V Rm = Φ im homogenen Feld gilt V = Hl Φ = BA und damit wird Hl Hl Rm = = BA µHA Rm = l µ A 17 Ferro- und ferrimagnetische Stoffe Magnetisierungsmechanismus Weißsche Bezirke Blochwände 18 Barkhausen Effekt Barkhausensprünge bei Magnetisierung Barkhausen-Sprung – Verschiebung einer Bloch-Wand über eine Störstelle 19 B - H - Kennlinie Br: Remanenzflußdichte Hk: Koerzitivfeldstärke Neukurve Hystereseschleife 20 Hart- und weichmagnetische Werkstoffe 21 - die Kommutierungskennlinie 22 - die Kommutierungskennlinie einiger Werkstoffe ß 23 Fortlaufende Hystereseschleifen während der Entmagnetisierung. 24 Vergleich elektrisches – magnetisches Feld U = R*I U − − U = ∫E *dl − I − I = ∫∫ J * dA − E J =γ *E J v V = R m *Φ φ V = ∫ H * dl H − Φ = ∫∫ B * dA B = µ*H B Elektrisches Strömungsfeld (Materialparameter: γ - spezifische elektrische Leitfähigkeit) Magnetisches Feld (Materialparameter: μ – Permeabilität) 25 5.2 Anwendung des Durchflutungsgesetzes zur Berechnung einfacher Magnetfelder - Beispiel: Magnetfeld eines langen geraden Leiters H lumfassend = ∑I umfaßt vorz i a) P I r H R≤ r≤ ∞ H 2π r = I I H= 2π r R - Drahtradius 26 H lumfassend = ∑I umfaßt vorz i b) 0 ≤ r ≤ R r H 2 π r = I umfaßt vorz P H= H I J= π R2 I umfaßt vorz 2π r I umfaßt vorz = J Aumfaßt = J π r 2 I 2 H= 2 π r 2π r π R 1 H= I r 2 π R2 27 Feldstärkeverlauf 0≤r ≤ R I H= 2 r 2π R I R≤r ≤∞ H= 2π r H(r) R r 28 - Feldstärkeverlauf einer Doppelleitung H(r) r 3 2 1 r -0.2 0.2 0.4 0.6 -1 -2 -3 29 5.3 Berechnung einfacher technischer Magnetkreise - Grundbegriffe magnetischer Knotensatz ∑Φ i vorzeichen =0 i magnetischer Maschensatz ∑V i vorzeichen i = ∑ I i umfaßt vorzeichen i V = Rm Φ 30 - typische Magnetkreisformen 31 - Streufaktor ΦG = Φ L + Φσ Streufaktor Φσ = σ ΦG ΦG = ΦL +σΦG RmL ΦL ΦL=ΦG(1-σ) ΦG Rmσ Φσ 32 - Wirkung des Streufaktors: RmL ΦG ΦL V Rmσ Φσ RmL ΦG = RmL || Rmσ Φ L Φ L = Φ G (1 − σ ) RmL ΦG = RmL || Rmσ Φ G (1 − σ ) RmL || Rmσ = RmL (1 − σ ) 33 magnetischer Knotensatz - ungesättigte (lineare) Magnetkreise ∑Φ ivorzeichen =0 i Φ1 = Φ2 + Φ3 magnetischer Maschensatz Φ1 Φ2 i Φ3 Θ1 ∑V Θ2 i vorzeichen = ∑ I i umfaßt vorzeichen i Θ 1 = I 1 w1 = Rm1Φ 1 + Rm3 Φ 3 Rm1 Rm3 R m2 Θ 2 = I 2 w2 = Rm2 Φ 2 − Rm3 Φ 3 34 - gesättigte (nichtlineare) Magnetkreise 1. Syntheseaufgabe φFe φL φσ RFe RL Θ Rσ Gegeben: A, d, AFe, lFe, w, φ, BFe(HFe), BL Gesucht: benötigter Strom I 35 Lösungsweg: 1. Bestimmen der notwendigen magnetischen Spannung am Luftspalt VL = H L d BL HL = µ0 VL = BL µ0 ⋅d 36 2. Bestimmen der magnetischen Feldstärke im Eisen BFe HFe Φ L = Φ Fe (1 − σ ) BFe = BL AL (1 − σ ) AFe Φ = B⋅ A Φ Fe= Φ L BL AL = = BFe AFe 1− σ 1− σ 37 3. Bestimmen des notwendigen Erregerstromes BFe HFe I ⋅ w = VFe + VL = H Fe ⋅ lFe + VL H Fe ⋅ lFe + VL I= w ( mit VL = BL µ0 ⋅d) 38 2. Analyseaufgabe φFe φδ φσ RFe RL Θ Rσ gegeben z.B.: A, d, AFe, lFe, w, I, Φ, BFe(HFe) gesucht z.B.: magnetischer Zustand, z.B. BL 39 Lösungsweg: d ΦFe Φ in mWb B in T ΦL+Φσ 0,2 1,4 0,7 0,1 12020 40 240 60 360 80 480 H Vin inA/cm A 1. Transformation der Bfe(HFe) - Kennlinie in die ΦFe(VFe) - Kennlinie Φ Fe = BFe AFe VFe = H Fe lFe 40 d Φ in mWb 0,2 σ ΦFe ΦL+Φ0,1 lFe, AFe 120 240 360 480 V in A 2. Ermitteln der Kennlinie des Luftspaltwiderstandes unter Berücksichtigung der Streuung RmL ,σ= (1 − σ ) RmL= (1 − σ ) d µ0 A 41 3. Ermitteln der Summenkennlinie und des Arbeitspunktes: d Φ in mWb 0,2 ΦFe Φ Φ +Φ Fe L Summenkennlinie σ 0,1 lFe, AFe 120 Vfe Vges ( Φ ) = VL (Φ ) + V fe (Φ ) Φ L= (1 − σ ) Φ Fe 360 240 VL Vges ΦL BL = AL 480 V in A Iw 42 43 - Dauermagnetkreise 1. Analyseaufgabe ΦD lD ΦD= BD A BD AP Br DAP N VD Vδ ΦL Φσ S A gesucht: Φ L ,σ =Φ ΦL D VD= HD lD V L + VD = 0 VD = − V L 0 -H HD RmL,σ = (1 − σ ) Φ L δ µ0 A = (1 − σ ) Φ DAP 44 2. Syntheseaufgabe gesucht: lD gegeben: BL BD lD D AP Br L VD N V S BL , AL=AD HD Φ L = (1 − σ ) Φ D V L + VD = 0 H Lδ = µ0 δ = − H D lD -Hk HD 0 BL BD = (1 − σ ) B L AL = (1 − σ ) BD AD BL BD lD BL = − δ µ0 H D 45 4. Die elektromagnetische Induktion 49 4.1 Das Faradaysche Induktionsgesetz - der verkettete Fluss 1 2 3 L1 Ψ = ∑Φ i umfaßt vorzeichen Ψ = 2Φ 1 − Φ 2 i 50 verallgemeinerter Maschensatz (t) uR(t) u(t) i(t) ui ∫ E dl = − dΨ = ui dt das Faradaysche Induktionsgesetz dΨ ui = − dt 51 Beispiel: (t) uR(t) i(t) u(t) ui dΨ dΦ = −w − u( t ) + R i ( t ) = − dt dt andere Schreibweise des Induktionsgesetzes: ∑u j jvz dΨ + = 0 dt und mit der Abkürzung erhält man wieder die bekannte Form des Maschensatzes u Kind ∑u i i dΨ = + dt =0 52 - das Faradaysche Induktionsgesetz in Zusammenfassung Das Faradaysche Induktionsgesetz unter Benutzung der induzierten Spannung ui dΨ ui = − dt Das Faradaysche Induktionsgesetz unter Benutzung der induzierten Klemmenspannung uKind u Kind dΨ = dt Dann gilt der Maschensatz in der Form: ∑u j vz j dΨ = ui = − dt Dann gilt der Maschensatz in der ursprünglichen Form: ∑u j vz =0 j 53 - Induktionserscheinungen: Unterscheidung nach Art der Änderung des verketteten Flusses Ruheinduktion : Magnetfeld ändert seine Größe und/oder seine Richtung als Funktion der Zeit, Induktionsweg und Magnetfeld befinden sich relativ zueinander in Ruhe. Bewegungsinduktion : Magnetfeld ändert seine Größe und/oder seine Richtung als Funktion der Zeit nicht, Induktionsweg und Magnetfeld bewegen sich relativ zueinander. 54 Unterscheidung nach Ort der Ursache (Entstehung des Magnetfeldes) und der Wirkung (induzierte Spannung): Selbstinduktion : Die induzierte Spannung entsteht in der gleichen Schleife, in der der Strom fließt, der das Magnetfeld verursacht. Gegeninduktion : Die induzierte Spannung entsteht nicht in der gleichen Schleife, in der der Strom fließt, der das Magnetfeld verursacht. 55 - Das Bewegungsinduktionsgesetz dΨ ui = − dt B dΨ = dΦ = B dA dA = dh × dl dh dl v dA d Ψ = B(dh × dl ) v dui = − B dh × dl ( dt ) dh ( = v) dt du i = − B v × dl = v × B dl ( u i = ∫ (v × B ) dl ) ( ) Vorzeichenwechsel wegen antizyklischer Vertauschung Spatprodukt! 56 - Berechnungsbeispiele 1. Netzdrossel lfe, Afe, Φfe u(t) Φ(t) i(t) dΨ ui = − dt Ψ (t ) = w Φ (t ) wi (t ) Φ (t ) = Rm Rm = i (t ) = I sin ω t w2 ui = − µ fe AfeωIˆ cos(ωt ) l fe Ψ (t ) = l fe µ fe A fe w2 µ fe A fe l fe i (t ) di (t ) w2 µ fe Afe ui = − l fe dt 57 u i =∫ v × B dr + Ra 2. Unipolarmaschine ( ) Ri u i = ∫ (v × B ) dl ∫( 0 × B dr ) grün Ra u i =∫ v × B dr =∫ ( v ⋅ B ) dr Ra ω ( Ri ) Ri v= ωr v V Ra2 Ri2 ω r B dr 2 π n B − = u i ∫= 2 2 Ri Ra B Ri - Radius der Achse Ra - Außenradius der Scheibe = u i n Bπ ( Ra2 − Ri2 ) u=i c Φ Luftspalt n 58 Weitere Anwendungen des Induktionsgesetzes Vereinfachte schematische Darstellung eines Generators Der Strom zum Erzeugen des Magnetfelds im Elektromagneten (dem Rotor) wird durch durchgehende Schleifringe verbunden. Manchmal, wie in Fahrraddynamos, wird anstelle des Elektromagneten ein Permanentmagnet verwendet. 59 60 Wassergetriebene Generatoren am Fuße des BoulderStaudamms in Nevada. 61 Turbine und Generator in einem Kraftwerk 62 63 Bei der Übertragung der elektrischen Energie von Kraftwerken zu den Haushalten kommen in verschiedenen Abschnitten Transformatoren zum Einsatz. 64 Schematische Darstellung eines Mikrofons, das mittels Induktion arbeitet. 65 66 6.2 Selbstinduktion und Induktivität - Grundbegriffe II →→ HH→ B → Φ → Ψ Ψ = LI I Ψ Induktivität: Ψ L= I [ Ψ ] Vs [ L] = =1 = 1H [I] A 67 - Schaltzeichen für Induktivitäten i u i i u L u L L nichtlineare Spule lineare Spule - Strom - Spannungsgleichung u= + dΨ dt für L konstant : u= +L di dt 68 L konstant Ψ Ferromagnetika I differentielle oder dynamische Induktivität: dΨ Ld = dI 69 - die in Induktivitäten gespeicherte magnetische Energie i ∞ Wm = ∫p el ∞ dt = 0 u 0 L für L konstant : Ψ ∫ ui dt di u= +L dt Wm ∞ I L 2 di Wm = ∫ i L dt = ∫ i L di = I dt 2 0 0 I 70 - das Schaltgesetz an Induktivitäten Wm, i L 2 Wm = I 2 u für L konstant : di u= +L dt t i L ( t − 0) = i L ( t + 0) 71 - Anschalten einer Induktivität an Gleichspannung – Berechnung des Stromes: 0= Uq R1 + R2 dΨ + R2i + R1i − U q dt = Ψ = LI di L * +i R1 + R2 dt di I∞ = τ ∗ + i dt L L τ= = Rers R1 + R2 Lineare DGL 1. Ordnung und 1. Grades, Lösung: − t x (t ) = X ∞ (1 − e τ ) + X 0e Mit der Anfangsbedingung I(t=0) = 0 wird: i (t ) = Uq R1 + R2 − t (1 − e τ ) 72 − t τ - Anschalten einer Induktivität an Gleichspannung – Berechnung der Spannung: Anfangsbedingung: i(0) = 0 0 = −U q + uL + i (0)( R1 + R2 ) u L ( 0) = U q Endbedingung: uL = L di =0 dt − t x (t ) = X ∞ (1 − e τ ) + X 0e uL ( t ) = U q e − − t τ t τ 73 - Anschalten einer Induktivität an Gleichspannung – Zeitverlauf von Strom und Spannung: i (t ) = Uq R1 + R2 − t (1 − e ) τ uL ( t ) = U q e − t τ 74 - Abschalten einer Induktivität bei Gleichspannung – Berechnung des Stromes: Anfangsbedingung: I ( t = −0 ) = I (t=-0) = I(t=+0) Uq R1 + R2 || R3 ∗ R3 R2 + R3 I (t = 0) = 11,994 A I∞ = 0 Endbedingung: Werte: Uq=24V R1=R2=1Ω R3=1kΩ L=1H Uq − t x (t ) = X ∞ (1 − e τ ) + X 0e − t τ t − R3 i (t ) = ∗ ∗e τ R1 + R2 || R3 R2 + R3 75 - Abschalten einer Induktivität bei Gleichspannung – Berechnung der Spannung: Anfangsbedingung: I (t=-0) = I(t=+0) 0 = U L (t = 0) + I (t = 0) ∗ ( R2 + R3 ) U L (t = 0) = − I (t = 0) ∗ ( R2 + R3 ) I ( t = 0) = Werte: Uq=24V R1=R2=1Ω R3=1kΩ L=1H Uq R1 + R2 || R3 U L ( t = 0) = − ∗ R3 R2 + R3 Uq R1 + R2 || R3 ∗ R3 U L (t = 0) = −12006V Endbedingung: U L (t → ∞) = 0 − t x (t ) = X ∞ (1 − e τ ) + X 0e − t τ uL ( t ) = − Uq R1 + R2 || R3 ∗ R3 ∗ e − t τ 76 - Abschalten einer Induktivität bei Gleichspannung – Zeitverlauf von Strom und Spannung: t Uq − R3 i (t ) = ∗ ∗e τ R1 + R2 || R3 R2 + R3 uL ( t ) = − Uq R1 + R2 || R3 ∗ R3 ∗ e − t τ I (t = 0) = 11,994 A L L τ= = = 0,999ms Rers R2 + R3 U L (t = 0) = −12006V 15 10 5 i in mA 0 0 1 2 3 4 5 6 u in kV -5 -10 -15 77 -Induktivitätsberechnung Anwendung der Definitionsgleichung Ψ L= I Lösungsweg: 1. Annahme eines Stromes durch die Leiterschleife oder Spule, deren Induktivität zu berechnen ist. 2. Ermitteln des mit der Leiterschleife bzw. Spule verketteten Flusses. 3. Division des so berechneten verketteten Flusses durch den verursachenden Strom. 78 - Beispiel: äußere Induktivität einer Paralleldrahtleitung - Berechnung des Magnetflusses zwischen den Leitern H = H1 + H 2 = I 1 1 + 2π r d − r H(r) 3 2 1 R l -0.2 0.2 0.4 0.6 -1 -2 -3 I H1 r R I d Iµ1 1 µH = − B= + ez 2π r d − r Φ = ∫ B dA H2 A I H1 = 2πr H2 = I 2π ( d − r ) −Iµ 1 1 + ez dA Φ = ∫ π r d r − 2 A 79 r R l H1 r I d I −Iµ 1 1 + ez dA Φ = ∫ π r d r − 2 A R dA = − dr l ez H2 d −R Φ ∫ R d −R Iµ1 1 Iµ Iµ d − R I µl d − R 1 1 l dr = ln + = + l dr l = ∗ 2 ln ∫ 2π r d − r π R 2π R r d − r 2π R Ψ Φ µl d − R L= = = ln R π I I 80 die Induktivitätsbemessungsgleichung = L Φ1 Φ3 Φ2 wΦ1 w Θ w wI = = I I Rm ers I Rm ers w2 L= = w2 Λ ers Rmers - Beispiel: Trafokern Rers = Rm1 + Ψ L= I L= wΦ 1 I 1 1 1 + Rm2 Rm3 w2 L= = Rm ers Rm 1 = Rm1 + Rm2 Rm3 Rm2 + Rm3 w2 Rm2 Rm3 + Rm2 + Rm3 81 6.3 Gegeninduktion und gegenseitige Induktivität (Gegeninduktivität) 6.3.1 Grundbegriffe → BB→→ΦΦ1111→ Φ 21 III111→→→HH→H I1 Ψ 21 = L21 I 1 = M I 1 Gegenseitige Induktivität (Gegeninduktivität) Ψ 21 L= M = 21 I1 [ Ψ ] Vs [ M] = = 1 = 1H [I] A 82 Umgekehrt ergibt sich: I 2 → H → B → Φ 22 → Φ12 → Ψ12 Ψ= L12 = I2 M I2 12 In diesem Fall erhält man für die gegenseitige Induktivität (Gegeninduktivität) I2 Ψ12 L= M = 12 I2 Ψ 21 Ψ12 L= M = = Austauschsatz: L= 12 21 I1 I2 83 - Schaltzeichen für Gegeninduktivitäten i1 u1 uu1212 L1 L21 dΨ u= + dt i2 L2 u21 - Strom - Spannungsgleichung u2 - Gegeninduktivität in Stromkreisen d i11 d i2 = + L11 u1 = + L12 dt dt d i1 d i2 u1 = + L1 − L12 dt dt für Ljk konstant : d ik u jk = L jk dt d i2 d i1 u2 = + L2 + L21 dt dt d i2 d i1 u2 = + L2 − L21 dt dt 84 6.3.2 Gegeninduktivitätsberechnung - Anwendung der Definitionsgleichung L21 Ψ 21 = I1 Ψ 21 = Φ 21 = ∫ B dA = ∫ µ H dA A A l a +b Ψ 21 = Φ 21 = r B ∫ a I1 µ 1 I1 µ l a + b ln l dr = a 2π r 2π I1 a b Ψ 21 Φ 21 µ l a + b L21 = = = ln I1 I1 a 2π 85 - die Gegeninduktivitätsbemessungsgleichung Φ 11 Rm1 Ψ 21 L21 = I1 Φ21 Rm3 Rm2 w2 Φ 21 L21 = I1 L21 w2 k 21Φ 11 w2 k 21 Θ 1 = = I1 I 1 Rm ers1 L21 w2 k 21 w1 I 1 w1 w2 = = k 21 Rm ers1 I 1 Rm ers1 w2 w1 w2 w1 w2 w1 L1 L 21 = k 21 = k 21 = k 21 Rm ers1 Rm ers1 w1 w1 w12 L1 = Rmers1 86 w2 L21 = k21 L1 w1 φ12 11 Rm1 Ψ 12 L12 = L21 = I2 φ 21 22 Rm3 L21 = k12 2 Rm2 w1Φ 12 L21 = I2 w1 k12 Φ 22 w1 k12 Θ 2 = L21 = I 2 Rm ers2 I2 w1 w2 w1 k12 w2 I 2 L21 = = k12 I 2 Rm ers2 Rm ers 2 w1 w2 w1 w2 w2 w1 L2 = k12 = k12 w2 Rm ers 2 Rm ers 2 w2 87 w2 L21 = k21 L1 w1 w L21 = k12 1 L2 w2 L221 = k 12 k 21 L1 L2 Rm1 L21 = Rm3 k12 k 21 L1 L2 = k = k12 k 21 Rm2 k12 k 21 L1 L2 L21 = k L1 L2 88