8 Magnetismus
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TG TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN Kapitel 8 Magnetismus H 0 r B H lm I B A IN N M a gn. Fluss Verfasser: Hans-Rudolf Niederberger Elektroingenieur FH/HTL Vordergut 1, 8772 Nidfurn 055 - 654 12 87 Ausgabe: Januar 2010 www.ibn.ch 13. April 2017 TG 8 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN MAGNETISMUS Seite Inhaltsverzeichnis BiVo 8 MAGNETISMUS 8.1 Erdmagnetfeld, Grundlagen 8.1.1 8.1.2 8.1.3 8.1.4 8.1.5 8.1.6 8.2 Elektromagnetismus 8.2.1 8.2.2 8.2.3 8.3 Die magnetische Durchflutung Die magnetische Feldstärke Die mittlere Länge der Feldlinien von Spulen Der magnetische Fluss Die magnetische Flussdichte oder magnetische Induktion Die relative Permeabilitätszahl von eisenhaltigen Stoffen Der magnetische Widerstand Vergleich Stromkreises mit magnetischem Kreis Spulen mit Eisenkern 8.4.1 8.4.2 8.5 Stromdurchflossener Leiter Stromfluss- und Magnetfeldrichtung Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule Der magnetische Kreis 8.3.1 8.3.2 8.3.3 8.3.4 8.3.5 8.3.6 8.3.7 8.3.8 8.4 Erdmagnetfeld Magnetfeld an einem Dauermagneten Wirkung magnetischer Felder aufeinander Kraftwirkung von Dauermagneten aufeinander Weich- und hartmagnetische ferromagnetische Stoffe Ferro-, Para- und Diamagnetwerkstoffe Kerntypen Hysteresiskurve Anwendungen magnetischer Kraftwirkungen 8.5.1 8.5.2 Leitern 8.5.3 8.5.4 8.5.5 8.5.6 8.5.7 Zugkraft von Magneten Kraftwirkung zwischen parallelen stromdurchflossenen Kraftwirkung stromdurchflossener Leiter im Magnetfeld Kraftwirkung zwischen elektromagnetischen Spulen Lautsprecher und Mikrophon Motoren Analoge Messgeräte Probleme umfassend bearbeiten Verstehen und anwenden Erinnern TD Technische Dokumentation BET Bearbeitungstechnik 2.1 Werkstoffe 2.1.2 Elektrische Eigenschaften - Leitfähigkeit Durchschlagsfestigkeit Magnetische Eigenschaften Dielektrische Eigenschaften TG Technologische Grundlagen 3.2 Elektrotechnik 3.2.1 Wesen der Elektrizität - Kräfte und Bewegung der elektrischen Ladungs- oder Kraftträger: (Elektronen, Jonen) 3.2.1 Elektrische Vorgänge - Erzeugung (Entstehung) und Nutzung elektrischer Kräfte - Elektrischer Stromkreis als geschlossener Wirkungskreis elekrtischer und magnetischer Kräfte 3.2.5 Magnetische und elektromagnetische Felder - Ursach der Ladungsträgerbewegung (elektrischer Strom) - Feldverlauf (Beispiele) - Feldgrässen - Raumausbreitung und Strahlung 3.2.6 Spule - Spule als Speicher magnetischer Energie EST Elektrische Systemtechnik 5.1 Installationstechnik und Technik der Energieverteilung 5.1.9 EMV und ihre Wirkung auf den Menschen - Erscheinungsbild der EMV - Gesundheitsrisiko und Problemstellung 5.1.9 EMV- und NISV- Richtlinien - Zweck - Installationstechnische Bestimmungen 5.1.9 Kundenbezogene Lösungsansätze - Fachtechnische Massnahmen - Persönliches Verhalten KOM Kommunikationstechnik www.ibn.ch 13. April 2017 2 TG 8 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN MAGNETISMUS 8 Magnetismus 8.1 Erdmagnetfeld, Grundlagen Seite 3 8.1.1 Erdmagnetfeld www.ibn.ch 13. April 2017 Version 4 TG 8 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN MAGNETISMUS GRUNDLAGEN 8.1.2 Seite 4 Magnetfeld an einem Dauermagneten Stahl HufeisenmagneteDauermagnete wurden früher aus Stahl erzeugt. Sie sind aber sehr schwach und lassen sich sehr leicht entmagnetisieren. Die bekannteste Form sind Hufeisenmagnete. Fe Magnetwerkstoffe auf Basis Eisen haben zu den Begriffen hartmagnetisch und weichmagnetisch geführt: harter, kohlenstoffreicher Stahl lässt sich dauermagnetisch machen, während sich kohlenstoffärmeres weiches Eisen (Weicheisen) kaum dauermagnetisieren lässt und sich daher besser zur Herstellung von Eisenkernen für Elektromagnete eignet. In Stahlwerkzeugen können sich Dauermagnetisierungen auch durch plastische mechanische Verformung bilden. Das ist ein Hinweis auf deren mechanische Überlastung. Ferrite Magnete aus Ferriten sind kostengünstig, aber relativ schwach. Typische Anwendung sind Haftmagnete und Feldmagnete von Gleichstrommotoren und elektrodynamischen Lautsprechern. Wismanol Wismut und Mangan bilden ebenfalls ein Permanentmagnetmaterial Aluminium-Nickel-Cobalt AlNiCo-Magnete bestehen aus Eisenlegierungen mit Aluminium, Nickel und Cobalt als Hauptlegierungselemente. Diese Materialien sind bis 500 °C einsetzbar, haben aber eine relativ geringe Energiedichte und Koerzitivfeldstärke. Die Remanenz ist höher als bei den Ferritmagneten. Die Herstellung erfolgt durch Gießen oder pulvermetallurgische Verfahren. Sie haben eine gute Korrosionsbeständigkeit, sind aber zerbrechlich und hart. Samarium-Cobalt Samarium-Cobalt (SmCo) ermöglicht starke Dauermagnete mit hoher Energiedichte und hoher Einsatztemperatur. Nachteilig ist der hohe Preis. Neodym-Eisen-Bor Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) ermöglicht sehr starke Magnete zu verhältnismäßig günstigen Kosten. Die Herstellung erfolgt über pulvermetallurgische Verfahren, heute aber vermehrt als kunststoffgebundene Magnete. Lange Zeit waren die Einsatztemperaturen auf maximal 60–120 °C begrenzt. Bei einigen neueren Entwicklungen werden Einsatztemperaturen bis 200 °C angegeben. www.ibn.ch BiMg AlNiCo SmCo NdFeCo 13. April 2017 Version 5 TG 8 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN MAGNETISMUS GRUNDLAGEN Seite 5 8.1.3 Wirkung magnetischer Felder aufeinander Kraftlinienverlauf bei Anziehung Kraftlinienverlauf bei Abstossung www.ibn.ch 13. April 2017 Version 5 TG 8 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN MAGNETISMUS GRUNDLAGEN Seite 6 8.1.4 Kraftwirkung von Dauermagneten aufeinander Zeichnen Sie die magnetischen Pole und die daraus resultierend wirkenden Kräfte der Dauermagneten in den unteren Skizzen ein. Gleichnamige Pole Ungleichnamige Pole Bemerkung Beschreiben Sie in Worten die Erkenntnisse der oberen Darstellungen auf. www.ibn.ch 13. April 2017 Version 5 TG 8 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN MAGNETISMUS GRUNDLAGEN 8.1.5 Seite 7 Weich- und hartmagnetische ferromagnetische Stoffe (weichmagnetischer Stoff) (ferromagnetischer Stoff im Magnetfeld) Bemerkungen Beschreiben Sie in Worten die Erkenntnisse der oberen Darstellungen auf. www.ibn.ch 13. April 2017 Version 5 TG 8 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN MAGNETISMUS GRUNDLAGEN 8.1.6 Seite 8 Ferro-, Para- und Diamagnetwerkstoffe Ursprung Paramagnetismus tritt nur in den Stoffen auf, die ungepaarte Elektronen besitzen (Radikale, Übergangsmetallkationen, Lanthanoidkationen) und deren Atome bzw. Moleküle ein magnetisches Moment besitzen. Ursachen dafür sind u.a. der Eigendrehimpuls (Spin) sowie Bahndrehimpuls der Elektronen bei ihrer Bewegung um den Atomkern. 0 Anwendung Der Paramagnetismus von Sauerstoff wird bei der physikalischen Gasanalyse genutzt. Permeabilität im Vakuum Illustrationen einer paramagnetischen Probe ohne äußeres Magnetfeld, …. ... in einem schwachen Magnetfeld … ... und in einem starken Magnetfeld. Paramagnetische Werkstoffe ( p ) Dies sind Elemente (Alkalimetalle=Edelgaskonfiguration, Erdalkalimetalle, Seltene Erden, Stikdoffoxid, Sauerstoff, Magnetit = Fe3O4) bei denen die Permeabilitätszahl grösser ist als 1. Paramagnetismus ist eine der Ausprägungsformen des Magnetismus in Materie: Paramagneten sind nur so lange magnetisch, wie sie in der Nähe eines Magneten sind. Sie magnetisieren sich in einem externen Magnetfeld so, dass sich das Magnetfeld in ihrem Innern verstärkt, jedoch nur solange das äußere Magnetfeld existiert (im Gegensatz zur stabilen Magnetisierung beim Ferromagnetismus). Paramagnetische Materialien haben die Tendenz, in ein Magnetfeld hineingezogen zu werden. Ferromagnetische Werkstoffe ( f ) Dies sind Elemente bei denen die Permeabilitätszahl viel grösser ist als 1. Ferromagnetische Werkstoffe haben die Eigenschaft, dass sie eisenhaltige Stoffe anziehen. Ferromagnetische Stoffe bzw. seine Permeabilität ist stark von der Feldstärke abhängig. Diese Werte können aus der Magnetisierungskurve abgeleitet werden. Diamagnetische Werkstoffe( d ) Dies sind Elemente, organische oder anorganische Stoffe bei denen die Permeabilitätszahl kleiner ist als 1. www.ibn.ch 13. April 2017 Version 5 TG 8 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN MAGNETISMUS 8.2 Elektromagnetismus 8.2.1 Stromdurchflossener Leiter www.ibn.ch Seite 9 13. April 2017 Version 4 TG 8 2 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN MAGNETISMUS ELEKTROMAGNETISMUS 8.2.2 www.ibn.ch Seite 10 Stromfluss- und Magnetfeldrichtung 13. April 2017 Version 5 TG 8 2 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN MAGNETISMUS ELEKTROMAGNETISMUS 8.2.3 Seite 11 Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule Beispiel: Zeichen Sie im unteren Bild alle behandelten elektrischen und magnetischen Grössen ein! www.ibn.ch 13. April 2017 Version 5 TG 8 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN MAGNETISMUS 8.3 Seite Der magnetische Kreis [Vs ] Rm Vs m 2 T AFe + U IS RS A I N AL AL [N ] or I N B Ro t Windungszahl N - www.ibn.ch 12 F B l I R [ A] [Nm] S M Fr [kW ] P Mn 9550 13. April 2017 Version 4 TG 8 3 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN MAGNETISMUS DER MAGNETISCHE KREIS Seite 13 Vergleich magnetischer und elektrischer Kreis UL VL Hinleitung RmFe I RmL Rüc kleitung RmFe U1 RL V1 V2 U2 RV RL VL Bild 1.7.1 UL www.ibn.ch 13. April 2017 Version 5 TG 8 3 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN MAGNETISMUS DER MAGNETISCHE KREIS 8.3.1 Seite 14 Die magnetische Durchflutung Spule N 500 F I N 12 A 2 Spule N 1000 F I N 12 A 1 F ist die Kraft in Newton N . Beobachtung Spulen mit dem gleichen Produkt aus zeigen gleiche Strom x Windungszahl (Newton-Meter). Wirkung Sie bilden die gleiche Anzahl von also gleiche Stärke des IN Feldlinien bzw. Kraftlinien Magnetfeldes I N Spulenstrom Windungszahl magn. Durchflutung A A sprich „Gross Theta“ Merke: Die Durchflutung, Ursache des magnetischen Flusses stellt in Bezug auf den magnetischen Kreis die gesamte treibende magnetomotorische Kraft dar. Sie entspricht der elektromotorischen Kraft des elektrischen Stromkreises. www.ibn.ch 13. April 2017 Version 4 TG 8 3 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN MAGNETISMUS DER MAGNETISCHE KREIS 8.3.2 Seite 15 Die magnetische Feldstärke Wird die magnetomotorische Durchflutung Kraft bzw. die durch die mittlere Länge der von ihr erzeugten Feldlinien dividiert, erhält man die magnetische Feldstärke H . magn .Feldstärke magn .Durchflutung mittlere Feldlinienlänge Merke: H lm Um die Wirkung der in verschiedenen magnetischen Werkstoffen direkt vergleichen zu können verwendet man die magnetische Feldstärke ( siehe Magnetisierungskurven). 8.3.3 H lm magn. Feldstärke magn. Durchflutung mittlere Feldlinienlänge A / m A m Die mittlere Länge der Feldlinien von Spulen Die Feldliniendichte ist im Spulenholraum, wo das magnetische Feld bei langen Spulen homogen ist, gross und ausserhalb wird die Feldliniendichte kleiner. Bei Spulen mit den üblichen Abmessungsverhältnissen genügt es daher, mit ca. der 1,5-fachen Spulenlänge für die mittlere Länge der Feldlinien zu rechnen. lm 1,5 l S [m] www.ibn.ch 13. April 2017 Version 4 TG 8 3 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN MAGNETISMUS DER MAGNETISCHE KREIS 8.3.4 Seite 16 Der magnetische Fluss Analog wie im stellt sich bei elektrischen Stromkreis gegebenem magnetischen Widerstand Fluss ein ein, welcher der vorhandenen Durchflutung proportional ist. Dieser ist entlang des Kreises konstant Fluss sich je nach dem örtlichen verfügbaren unterschiedliche Querschnitt A Flussdichte B (Induktion) wobei eine einstellen kann. kons tan t B A magn. Fluss Vs Wb Wb = Weber B A www.ibn.ch B magn. Flussdichte A Fläche, innerhalb welcher die magn. Induktion vorhanden ist (T = Tesla) Vs m2 T m 2 13. April 2017 Version 4 TG 8 3 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN MAGNETISMUS DER MAGNETISCHE KREIS 8.3.5 Seite 17 Die magnetische Flussdichte oder magnetische Induktion Merke: Die magnetische ist von der magnetischen Induktion B Leitfähigkeit bzw. Feldstärke H abhängig. H 0 B 0 r H r B Permeabilität und der magn. Feldstärke magn. Feldkonstante 0 1,257 106 Permeabilitätszahl oder relative Permeabilität magn. Flussdichte, Induktion A / m Vs Am Vs m2 T (T = Tesla) In Luft ist die Permeabilitätszahl r 1 Merke: Je stärker die magnetische magnetischen die Feldlinien Wirkung Feldes an einer Stelle des ist, um so dichter hat man sich dort vorzustellen. Diese Feldliniendichte wird als magnetische Induktion B bezeichnet. Die Induktion ist um so grösser, je grösser der senkrecht durch eine Fläche Fluss hindurchtretende magnetische ist. www.ibn.ch 13. April 2017 Version 4 TG 8 3 5 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN MAGNETISMUS DER MAGNETISCHE KREIS MAGNETISCHE FLUSSDICHTE BZW. INDUKTION 8.3.5.1 [T] B 0,1 1,0 0,09 0,9 0,08 0,8 0,07 0,7 0,06 0,6 0,05 0,5 0,04 0,4 0,03 0,3 Seite 18 Die Magnetisierungskurve von Luft [A/m] H www.ibn.ch 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 x10 100 x10 3 3 13. April 2017 Version 4 TG 8 3 5 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN MAGNETISMUS DER MAGNETISCHE KREIS MAGNETISCHE FLUSSDICHTE BZW. INDUKTION 8.3.5.2 Seite 19 Zusammenhang magnetischen Fluss und Durchflutung H 0 r B H lm I IN B N A M a gn. Fluss Ersatzschaltung Aus der Ersatzschaltung ist ersichtlich, dass die Durchflutung die freibende Kraft des magnetischen Kreises ist. Es kann analog des elektrischen Kreises das Gesetz des R mFe Hinleitung RmL R mFe Magnetismus definiert werden. Rm www.ibn.ch Rm Rückleitung magn. Fluss magn. Durchflutung magn. Widerstand Vs Wb A A / Vs 13. April 2017 Version 4 TG 8 3 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN MAGNETISMUS DER MAGNETISCHE KREIS 8.3.6 Seite 20 Die relative Permeabilitätszahl von eisenhaltigen Stoffen 8.3.6.1 Permeabilitätszahl in Funktion der Induktion Taucht man in die Luftspule einen Weicheisenkern, leitet dieser die magnetischen Feldlinien wesentlich besser als die Luft. Dies kann aus den bisherigen Versuchen ersehen werden. In der Praxis interessiert vor allem, in welchen Mass, verglichen mit Luft, ein Eisenkern die magnetische Wirkung vergrössert. Man gibt daher in der Regel nur die Permeabilitätszahl an; es ist dies ein reiner Zahlenwert. Merke: Spezialeisen kann bis zu als Luft 200’000 . Man bezeichnet diesen Faktor mit (Nicht zu verwechseln mit www.ibn.ch mal besser leiten r als die relative Permeabilität. 0 , der Feldkonstanten) 13. April 2017 Version 4 TG 8 3 6 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN MAGNETISMUS DER MAGNETISCHE KREIS DIE RELATIVE RERMEABILITÄTSZAHL VON EISENHALTIGEN STOFFEN 8.3.6.2 Seite 21 Bestimmung der Permeabilitätszahl Weichmagnetische Materialien bilden unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes einen Magneten und gehen nach dem Abschalten des Feldes großenteils wieder in den unmagnetischen Zustand über. Einfaches Dynamoblech IV konnte magnetisch mit maximal 12.000 Gauß= 1,2 T (Tesla) ausgenutzt werden. Zusammenhang zwischen den Magnetischen Grössen und der Permeabilität: B 0 r H Weiterentwickelte Eisen-SiliziumLegierungen ermöglichten Flußdichten bis etwa 1,75 T. Magnetische Sätigung Aufgabe Bestimmen Sie aus nebenstehender Grafik die Permeabilität von Elektroblech II bei 1,2 T. www.ibn.ch Magnetisches Verhalten mit Eisen im Magnetfelt 13. April 2017 Version 4 TG 8 3 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN MAGNETISMUS DER MAGNETISCHE KREIS 8.3.7 Seite 22 Der magnetische Widerstand ohm’schen Analog dem elektrischen Widerstand im Kreis, kann Widerstand gesprochen werden, der magnetischen dem magnetischen Fluss entgegengesetzt wirkt. hier vom RmFe R mFe Hinleitung I IN N RmL RmL R mFe M a gn. Fluss Rückleitung Merke Alle im magnetischen Kreis vorkommenden Medien bilden magnetische Widerstände. Sie werden alle addiert. Die einzelnen magnetischen Widerstände werden wie folgt berechnet: Rm Rm 2 RmFe RmL Rm www.ibn.ch l magnetischer Widerstand RmFe magnetischer Widerstand des Eisens RmL magnetischer Widerstand der Luft l mittlere Länge der wirksamen Feldlinien in den Medien 0 r A A / Vs A / Vs A / Vs m 13. April 2017 Version 4 TG 8 3 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN MAGNETISMUS DER MAGNETISCHE KREIS 8.3.8 Seite 23 Vergleich Stromkreises mit magnetischem Kreis Elektrisch Magnetisch Draht Leiter Eisenkern Spannung Ursache Durchflutung Fluss Magnetischer Fluss U Strom I R E V A IN Widerstand V / m Feldstärke Ohmsches Gesetz I A S A/m 2 Flussdichte A Vs Rm A / Vs H A / m Vs Wb B Vs / m 2 T Rm Magnetischer Widerstand www.ibn.ch 13. April 2017 Version 4 TG 8 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN MAGNETISMUS 8.4 Spulen mit Eisenkern 8.4.1 Kerntypen www.ibn.ch Seite 24 13. April 2017 Version 4 TG 8 4 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN MAGNETISMUS SPULE MIT EISENKERN Seite 8.4.2 Hysteresiskurve 8.4.2.1 Entstehung der Hysteresisschleife A B C F 0 D E Gestrichelt ist die Kurve einer bisher unmagnetisierten Probe gezeichnet (Neukurve 0-A). 25 In nebenstehender Kurve verläuft die Erstmagnetisierung von 0 …. A (Nullkurve). Bei Verkleinerung der Feldstärke H wird auch die Induktion B wieder schwächer, doch stellt sich eine Verschiebung ein gegenüber der Erstmagnetisierungskurve, weil ein Teil der Elementarmagnete ihrer Trägheit zufolge in ihrer Stellung verbleiben. Die Induktion 0 …. B , die noch vorhanden ist bei vollständiger Entregung wird als Restinduktion, Restmagnetismus oder REMANENZINDUKTION Br bezeichnet. Um diese Remanenz zum Verschwinden zu bringen muss eine negative Erregung 0 …. C , die sogenannte Koerzitivkraft – KOERZITVFELDSTÄRKE H C aufgebracht werden. Wird die Erregung noch mehr negativ gesteuert, so wird das Eisen negativ magnetisiert C …. D , und bei Entfernung der negativen Erregung bleibt eine negative Remanenz 0 …. E , die durch die Koerzitivkraft 0 …. F wieder aufgehoben werden kann. Durch weitere positive Erregung gelangt man wieder zum Punkt A , womit die Magnetisierungskurve zu einer geschlossnen Schleife wird, zur HYSTERESISSCHLEIFE. Die Form der Hyseresisschleife eines Materials ist entscheidend für die Beurteilung dessen magnetischen Verhaltens. Lassen sich die Elementarmagnete leicht drehen so spricht man von magnetisch weichem Eisen. Remanenz und Koerzitivkraft non magnetisch weichem Eisen sind klein, was einer schlanken Hyseresisschleife entspricht, im Gegensatz zu derjenigen von magnetisch hartem Eisen (Stahl) mit grosser Remanenz und Koerzitivkraft. www.ibn.ch 13. April 2017 Version 4 TG 8 4 2 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN MAGNETISMUS SPULE MIT EISENKERN HYSTERESEKURVE 8.4.2.2 Seite 26 Hysteresisschleifen verschiedener Werkstoffe Durch geeignete Legierungen und Herstellungsverfahren können die Werte Br und H C beeinflusst werden, und man erhält so z.B. die dargestellten Hysteresisschleifen. Anwendung a Trafo Generatoren Elektromotoren Schützen, Relais Drosseln Bemerkung Um kleinere Hysteresisverluste zu erreichen muss H C einen kleinen Wert ergeben. Dies äussert sich mit einer schmalen bzw. schlanken Schleife. (Elektroblech) b Ferrit-Ring Kerne (Speicher) c Alnico Dauermagnete www.ibn.ch Bei Magnetspeichern ist vor allem eine annähernd rechteckige Form der Hysteresisschleife erforderlich. Bei Material für Dauermagnete sollte das Produkt aus H C und Br möglichst gross sein. 13. April 2017 Version 4 TG 8 4 2 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN MAGNETISMUS SPULE MIT EISENKERN HYSTERESEKURVE Seite 27 8.4.2.3 Ummagnetisierungsverluste HC Br Koerzitivfeldstärke Remanenzinduktion [ A / m] [Vs / m2 ] Merke: Wechselstrom Beim magnetisieren mit stellen sich in der Molekularmagnete aufeinanderfolgenden Halbperiode die jeweils um. I t 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 [ms] 26 30 I Diese vom magnetisierenden Wechselfeld aufgezwungene Drehbewegung erfofdert eine gewisse Arbeit; sie wird im Material Wärme restlos in Verluste Diese umgesetzt und äusert sich demnach als . Hysteresisverluste - sind um so grösser, je grösser die www.ibn.ch - sind ein Teil der Eisenverluste Koerzitivfeldstärke ist. 13. April 2017 Version 4 TG 8 4 2 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN MAGNETISMUS SPULE MIT EISENKERN HYSTERESEKURVE 8.4.2.4 Seite 28 Der relative Gütefaktor Wie schon erwähnt sind die magnetischen Eigenschaften durch die Remanenzinduktion und durch die Korzitivkraft gekennzeichnet. Eine grosse Remanenzinduktion ist nur dann von Nutzen, wenn auch die Koezitivfeldstärke möglichst gross ist. Deshalb wird auch das Produkt aus Br x HC , der sogenannte Gütefaktor , als kennzeichnender Wert angegeben. Der Gütefaktor wird in Bezug zu Kohlenstoffstahl angegeben. Material Legierungsbestandteile (ausser Eisen) Br HC Gr Remanenziduktion* T bzw. KoerzitivFeldstärke Relativer Gütefaktor** A/ m Vs / mm 2 0,8 4’000 1,0 Wolfram (W) 1,05 4’800 1,6 Kobaltstahl Kobalt (Co), Chrom (Cr), W 0,85 20’000 5,3 Alni Aluminium (Al), Nickel (Ni) 0,65 40’000 8,1 Alnico Al, Ni, Co, Kupfer (Cu) 1,25 44’000 17,2 Ticonal Titan (Ti), Al, Ni, Co, Cu 1,26 47’000 18,5 Oerstit 220 Al, Ni, Co, Cu, Ti 0,60 90’000 16,8 Recoma Co, Samarium 0,80 550’000 137 Kohlenstoffstahl Kohlenstoff (C) Wolframstahl *Gilt nur für geschlossenen Ring 8.4.2.5 0,8% Gr Br H C **Vergleichswerte: für C-Stahl = 1 gesetzt Der Füllfaktor Der Füllfaktor ist bei Elektroblechkernen von Bedeutung. Er gibt an, in welchem Verhältnis die Elektroblechdicke zu derjenigen der Magnetkernbreite steht. A Blechdicke FA Blechdickex Anzahl Bleche Kernbreite Isolation r nb Ke www.ibn.ch te rei 13. April 2017 Version 4 TG 8 4 2 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN MAGNETISMUS SPULE MIT EISENKERN HYSTERESEKURVE 8.4.2.6 www.ibn.ch Seite 29 Entmagnetisieren 13. April 2017 Version 4 TG 8 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN MAGNETISMUS Seite 8.5 Anwendungen magnetischer Kraftwirkungen 8.5.1 Zugkraft von Magneten B= s = H A B Fz s A/m Magnetische Induktion Vs/m2 A Fläche m2 Magnetischer FZ Die Zugkraft lässt sich errechnen aus der Gegenüberstellung der Energie (1Joul=1Nm=1Ws), die aufzuwenden ist um ein Stück Eisen um den kleinen Weg s vom Magneten abzuheben und der im Feldraum A s vorhandene Feldenergie. Magnetische Feldstärke A 30 Fluss Vs FZ Zugkraft N s Strecke m 0 Magnetische Feldkonstante Vs/Am H B A s 2 Dividiert man die Gleichung mit s so erhält man die Formeln der Zugkraft. Fz H B A 2 Warnung vor magnetischem Feld In der Luft, ist H B / 0 . Setzt man dies in der Formel ein, so erhält man wieder die Zugkraft aber man konnte eine Grösse eliminieren. B2 A Fz 2 0 Diese Formel gilt nur solange als das Eisenstück am Magneten haftet. Sobald es von diesem abgehoben wird, entsteht magnetische Streuung die ein rasches Absinken der Zugkraft zur Folge hat. www.ibn.ch Lasthebemagnet 13. April 2017 Version 4 TG 8 5 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN MAGNETISMUS ANWENDUNGEN MAGNETISCHER KRAFTWIRKUNGEN ZUGKRAFT VON MAGNETEN 8.5.1.1 Seite 31 Schütz und Relais Wichtige Anwendunsbezeichnungen für Schaltkontakte: AC 1 Lastschalter, nicht induktive Belastungen, Widerstandsöfen Die Schützen werden bei Motorensteuerungen eingesetzt. AC 3 Direkte Einschaltungen von Kurzschlussläufermotoren, YDAnlauf (grössere Motorleistungen) Schütz mit verschiedenen Magnetformen. AC5 AC-5a Schalten von Gasentladungslampen. AC-5b Schalten von Glühlampen. Relais werden meist in der Schwachstromtech nik verwendet. Der Klebestift bildet den notwendigen Luftspalt, um ein klebenbleiben des Ankers zu verhindern. AC7 AC-7a Schwach induktive Lasten von Haushaltsgeräten und ähnliche Anwendungen. AC-7b Motoren von Haushaltsgeräten. Kontakte Relaispule Feldlinienweg Winkelanker 1 AC11 Elektromagnete z.B. für Spannzeuge oder Hubmagnete AC 2 Schleifringläufermotoren mit begrenzten Anlaufstrom, YDAnlauf (kleinere und mittlere Motorleistungen) AC 4 Extremlast, Tippen, Reversieren, Gegenstrombremsen von Kurzschlussläufern AC6 AC-6a Schalten von Transformatoren. AC-6b Schalten von Kondensatorbatterien. AC8 AC-8a Schalten von hermetisch gekapselten Kühlkompressormotoren mit manueller Rücksetzung der Überlastauslöser. AC-8b Schalten von hermetisch gekapselten Kühlkompressormotoren mit automatischer Rücksetzung der Überlastauslöser. AC12 Steuerung von ohmschen Lasten und induktiven Lasten bei Trennung durch Optokoppler. 3 4 2 AC13 Steuerung von HalbleiterLasten bei Trennung durch Transformatoren. AC14 Steuerung von kleinen elektromagnetischen Lasten (< 72 VA). AC15 Steuerung von elektromagnetischen Lasten (> 72 VA). www.ibn.ch 13. April 2017 Version 4 TG 8 5 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN MAGNETISMUS ANWENDUNGEN MAGNETISCHER KRAFTWIRKUNGEN ZUGKRAFT VON MAGNETEN 8.5.1.2 Seite 32 Topfmagnet Mit ihnen können grosse Zugkräfte ausgeübt werden. Sie werden bei der Weichenstellung bei der Strassenbahn oder zur Bremslüftung bei Hebezeugen eingesetzt. 8.5.1.3 Lasthebemagnet Man kann damit Schrott und Späne ferromagnetischer Werkstoffe (Eisen, Nickel, Kobalt) transportieren. 8.5.1.4 Schienenbremse Bei Straßenbahnen werden Elektromagnete als zusätzliche Bremsen verwendet. Solange der Strom für diese Bremsen nicht eingeschaltet ist, werden sie von starken Federn dicht über die Schiene gehalten. www.ibn.ch 13. April 2017 Version 4 TG 8 5 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN MAGNETISMUS ANWENDUNGEN MAGNETISCHER KRAFTWIRKUNGEN ZUGKRAFT VON MAGNETEN 8.5.1.5 Seite 33 Gleichstromglocke Nach diesem Prinzip des Selbstunterbrecher arbeiten auch Summer und elektrische Hupen. www.ibn.ch 13. April 2017 Version 4 TG 8 5 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN MAGNETISMUS ANWENDUNGEN MAGNETISCHER KRAFTWIRKUNGEN ZUGKRAFT VON MAGNETEN 8.5.1.6 Seite 34 Wechselstromglocke Wechselstrom-Wecker oder polarisierter Elektromagnet. Dies ist eine Verbindung von Elektro- und Dauermagnet. Bild 6.9.1 0 www.ibn.ch 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 13. April 2017 Version 4 TG 8 5 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN MAGNETISMUS ANWENDUNGEN MAGNETISCHER KRAFTWIRKUNGEN Seite 35 8.5.2 Kraftwirkung zwischen parallelen stromdurchflossenen Leitern 8.5.2.1 Beobachtungen bei stromdurchflossenen Leitern Die zwischen zwei parallel verlaufenden Stromleitern sich ergebende Kraft ist genau berechenbar; sie ist abhängig vom Strom, der Leiterlänge und dem Leiterabstand. Kennt man diese Grössen und misst die Kraft (z.B. mit einer Waage) so lässt sich daraus die wirksame Stromstärke ermitteln. Versuche Aufgrund dieses Zusammenhanges hat man die Einheit der Stromstärke (Ampère) definiert: Das Ampère ist die Stärke eines Stromes, der, durch Feststellung Es entsteht eine Es entsteht eine Anziehung Abstossung zwei parallele und einem Abstand von 1m aufweisende Bemerkung Leiter fliesst und bei einem Gleichsinnig fliessende Entgegengesetzt Ströme verursachen fliessende Ströme Anziehung verursachen Abstossung Meter Leiterlänge eine gegenseitige Anziehungskraft von 2x10-7 N hervorruft. Die Kraft zwischen zwei parallelen, in Luft verlaufenden Stromleiter berechnet sich wie folgt: Stromdurchflossene Leiter erzeugen Magnetfelder Demzufolge besteht zwischen ihnen eine Kraftwirkung. F Kraft N a Leiterabstand m l Leiterlänge m I1,I2 Leiterströme www.ibn.ch Verlaufen die Leiter in Luft (=1) und setzt man für 0=1,257x10-6 Vs/Am und die Zahlenwerte ein, so erhält man folgende praktische Formel: A 13. April 2017 Version 4 TG 8 5 2 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN MAGNETISMUS ANWENDUNGEN MAGNETISCHER KRAFTWIRKUNGEN KRAFTWIRKUNG WISCHEN PARALLELEN STROMDURCHFLOSSENEN LEITERN 8.5.2.2 Seite 36 Anwendung paralleler stromdurchflossener Leitern Beispiel 1 Sammelschiene Beispiel 2 Wendepole für Beschleunigung der Stromwendung Beispiel 3 Parallele Leiter in einem Niederspannungskabel Netzkabel Sektorkabel aus Aluminium www.ibn.ch 13. April 2017 Version 4 TG 8 5 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN MAGNETISMUS ANWENDUNGEN MAGNETISCHER KRAFTWIRKUNGEN 8.5.3 Seite 37 Kraftwirkung stromdurchflossener Leiter im Magnetfeld 8.5.3.1 Motorenregel, Beobachtung und Abhängigkeiten Versuch Magnetfeld bzw. Induktion F Kraftwirkung B= Magnetischer Nordpol A Stromfluss Leiter im permanenten Magnetfeld Magnetischer Südpol Die Ablenkung ist abhängig von der Richtung des Polfeldes sowie von der Stromrichtung im F Kraft B Induktion Im Magnetfeld liegende Leiterlänge Leiter. Die Ablenkung ist auch abhängig von der I Stärke des Polfeldes und auch von der Grösse des Leiterstromes. 8.5.3.2 Leiterstrom bzw. Stromfluss Anschauung und Wirkungen der vorhandenen Felder Merke Auf der einen Seite des Leiters entsteht so eine Kraftlinienüberzahl. Auf der anderen Seite entsteht ein Kraftlinienmangel. Ablenkungsrichtung Ausgleichstenden Merke Mit dieser Handregel (MotorenRegel) kann für eine fehlende dritte Grösse jederzeit die Richtung dieser festgelegt werden. www.ibn.ch Aus den bisherigen Beobachtungen lässt sich eine Einfache Regel herleiten, welche die Beziehungen zwischen der Magnetfeldrichtung, Kraftrichtung und Stromrichtung besteht. 13. April 2017 Version 4 TG 8 5 3 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN MAGNETISMUS ANWENDUNGEN MAGNETISCHER KRAFTWIRKUNGEN KRAFTWIRKUNG STROMDURCHFLOSSENER LEITER IM MAGNETFELD www.ibn.ch Seite 38 13. April 2017 Version 5 TG 8 5 3 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN MAGNETISMUS ANWENDUNGEN MAGNETISCHER KRAFTWIRKUNGEN KRAFTWIRKUNGEN STROMDURCHFLOSSENER LEITER IM MAGNETFELD 8.5.3.3 Seite 39 Stromdurchflossener Leiter im permanenten Magnetfeld Motor Erläuterung Durch Änderung der Stromflussrichtung im Anker oder des Magnetfeldes des Stators kann die Drehrichtung des Motors beeinflusst werden. 8.5.3.4 Funkenlöschung bei Gleichstromschaltern Erläuterung Der Lichtbogen bzw. die Strombahn wird vom Magnetfeld weggeblasen. www.ibn.ch 13. April 2017 Version 4 TG 8 5 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN MAGNETISMUS ANWENDUNGEN MAGNETISCHER KRAFTWIRKUNGEN 8.5.4 Seite 40 Kraftwirkung zwischen elektromagnetischen Spulen Versuch 1 Elektromagneten mit Spulenstrom gleicher Richtung Versuch 2 Elektromagneten mit Spulenstrom entgegengesetzter Richtung Merke Die Abhängigkeit ist dieselbe wie bei der Kraftwirkung zwischen parallel verlaufenden stromdurchflossenen Leitern. Die Kraftwirkung kann mit der Stromstärke und durch Einsetzen von Fe-Kernen in die Spule erhöht werden. Die Sättigung des Eisens begrenzt die Kraftwirkung des Elektromagneten. www.ibn.ch 13. April 2017 Version 4 TG 8 5 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN MAGNETISMUS ANWENDUNGEN MAGNETISCHER KRAFTWIRKUNGEN 8.5.5 Seite 41 Lautsprecher und Mikrophon Aufbau der vierpoligen Hörerkapsel: 1 2 3 4 5 Dauermagnet Weicheisenspule Magnetspule Anker aus Weicheisen in der Mitte gelagert Membrane www.ibn.ch 13. April 2017 Version 4 TG 8 5 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN MAGNETISMUS ANWENDUNGEN MAGNETISCHER KRAFTWIRKUNGEN 8.5.6 Seite Motoren Drehbare Spule im elektrischen Magnetfeld 1 42 1 2 Fe-Ring Stator 2 Kollektor Kohlenbürsten 3 Drahtschleifen, Spule 3 Rotor + 8.5.7 Analoge Messgeräte Drehspulmesswerk für Dreheisenmesswerk für Gleichstrom- Gleich- und messung Wechselstrommessung www.ibn.ch 13. April 2017 Version 4
