ELEKTROMAGNET: ZUSAMMENSETZUNG, TEILE, FUNKTIONSWEISE UND ANWENDUNGEN - KÖRPERLICH - 2025

Ein Elektromagnet ist ein Gerät, das aus elektrischem Strom Magnetismus erzeugt. Wenn der elektrische Strom aufhört, verschwindet auch das Magnetfeld. 1820 wurde entdeckt, dass ein elektrischer Strom in seiner Umgebung ein Magnetfeld erzeugt. Vier Jahre später wurde der erste Elektromagnet erfunden und gebaut.

Der erste Elektromagnet bestand aus einem mit Isolierlack bemalten Eisenhufeisen, auf das achtzehn Windungen Kupferdraht ohne elektrische Isolierung gewickelt waren.

Abbildung 1. Elektromagnet. Quelle: pixabay

Moderne Elektromagnete können je nach endgültiger Verwendung unterschiedliche Formen haben. und es ist das Kabel, das mit Lack isoliert ist und nicht der Eisenkern. Die häufigste Form des Eisenkerns ist die zylindrische, auf die der isolierte Kupferdraht gewickelt ist.

Sie können einen Elektromagneten nur mit der Wicklung erzeugen, die ein Magnetfeld erzeugt, aber der Eisenkern multipliziert die Intensität des Feldes.

Wenn elektrischer Strom durch die Wicklung eines Elektromagneten fließt, wird der Eisenkern magnetisiert. Das heißt, die intrinsischen magnetischen Momente des Materials richten sich aus und addieren sich, wodurch das gesamte Magnetfeld verstärkt wird.

Der Magnetismus als solcher ist mindestens seit 600 v. Chr. Bekannt, als die griechischen Thales von Milet ausführlich über den Magneten sprachen. Magnetit, ein Eisenmineral, erzeugt auf natürliche und dauerhafte Weise Magnetismus.

Vorteile von Elektromagneten

Ein zweifelsfreier Vorteil von Elektromagneten besteht darin, dass das Magnetfeld durch Steuern des elektrischen Stroms aufgebaut, erhöht, verringert oder entfernt werden kann. Bei der Herstellung von Permanentmagneten sind Elektromagnete erforderlich.

Warum passiert das jetzt? Die Antwort ist, dass Magnetismus der Materie ebenso wie der Elektrizität innewohnt, aber beide Phänomene sich nur unter bestimmten Bedingungen manifestieren.

Es kann jedoch gesagt werden, dass die Quelle des Magnetfelds elektrische Ladungen oder elektrischen Strom bewegt. Innerhalb der Materie werden auf atomarer und molekularer Ebene diese Ströme erzeugt, die Magnetfelder in alle Richtungen erzeugen, die sich gegenseitig aufheben. Aus diesem Grund zeigen Materialien normalerweise keinen Magnetismus.

Der beste Weg, dies zu erklären, besteht darin, zu glauben, dass kleine Magnete (magnetische Momente) in der Materie untergebracht sind, die in alle Richtungen zeigen, sodass ihre makroskopische Wirkung aufgehoben wird.

In ferromagnetischen Materialien können sich magnetische Momente ausrichten und Bereiche bilden, die als magnetische Domänen bezeichnet werden. Wenn ein externes Feld angewendet wird, werden diese Domänen ausgerichtet.

Wenn das externe Feld entfernt wird, kehren diese Domänen nicht an ihre ursprüngliche zufällige Position zurück, sondern bleiben teilweise ausgerichtet. Auf diese Weise wird das Material magnetisiert und bildet einen Permanentmagneten.

Zusammensetzung und Teile eines Elektromagneten

Ein Elektromagnet besteht aus:

- Eine mit Lack isolierte Kabelwicklung.

- Ein Eisenkern (optional).

- Eine Stromquelle, die direkt oder alternierend sein kann.

Abbildung 2. Teile eines Elektromagneten. Quelle: selbst gemacht.

Die Wicklung ist der Leiter, durch den der Strom, der das Magnetfeld erzeugt, fließt und in Form einer Feder gewickelt ist.

Beim Wickeln sind die Windungen oder Windungen normalerweise sehr nahe beieinander. Deshalb ist es äußerst wichtig, dass der Draht, mit dem die Wicklung hergestellt wird, eine elektrische Isolierung aufweist, die mit einem speziellen Lack erreicht wird. Der Zweck des Lackierens besteht darin, dass die Windungen, selbst wenn sie gruppiert sind und sich berühren, elektrisch isoliert bleiben und der Strom seinen spiralförmigen Verlauf fortsetzt.

Je dicker der Wicklungsleiter ist, desto mehr Strom hält das Kabel aus, begrenzt jedoch die Gesamtzahl der Windungen, die gewickelt werden können. Aus diesem Grund verwenden viele Elektromagnetspulen einen dünnen Draht.

Das erzeugte Magnetfeld ist proportional zum Strom, der durch den Wicklungsleiter fließt, und auch proportional zur Windungsdichte. Dies bedeutet, dass die Intensität des Feldes umso größer ist, je mehr Windungen pro Längeneinheit platziert werden.

Je enger die Wicklungen sind, desto größer ist die Anzahl, die in eine bestimmte Länge passt, wodurch sich ihre Dichte und damit das resultierende Feld erhöht. Dies ist ein weiterer Grund, warum Elektromagnete anstelle von Kunststoff oder anderem Material mit Lack isolierte Kabel verwenden, die die Dicke erhöhen würden.

Magnet

Bei einem Magneten oder zylindrischen Elektromagneten wie dem in Abbildung 2 gezeigten wird die Intensität des Magnetfelds durch die folgende Beziehung angegeben:

B = μ⋅n⋅I

Wobei B das Magnetfeld (oder die magnetische Induktion) ist, das in Einheiten des internationalen Systems in Tesla gemessen wird, μ die magnetische Permeabilität des Kerns ist, n die Dichte der Windungen oder die Anzahl der Windungen pro Meter und schließlich der Strom I ist das zirkuliert durch die Wicklung, die in Ampere (A) gemessen wird.

Die magnetische Permeabilität des Eisenkerns hängt von seiner Legierung ab und liegt üblicherweise zwischen dem 200- und 5000-fachen der Luftpermeabilität. Das resultierende Feld wird mit dem gleichen Faktor gegenüber dem eines Elektromagneten ohne Eisenkern multipliziert. Die Luftdurchlässigkeit ist ungefähr gleich der eines Vakuums, das μ ₀ = 1,26 × 10 ^–6 T * m / A beträgt .

Wie funktioniert es?

Um die Funktionsweise eines Elektromagneten zu verstehen, muss die Physik des Magnetismus verstanden werden.

Beginnen wir mit einem einfachen geraden Draht, der einen Strom I führt. Dieser Strom erzeugt ein Magnetfeld B um den Draht.

Abbildung 3. Von einem geraden Draht erzeugtes Magnetfeld. Quelle: Wikimedia Commons

Die Magnetfeldlinien um den geraden Draht sind konzentrische Kreise um den Anschlussdraht. Die Feldlinien entsprechen der Rechtsregel, dh wenn der Daumen der rechten Hand in Stromrichtung zeigt, geben die anderen vier Finger der rechten Hand die Zirkulationsrichtung der Magnetfeldlinien an.

Magnetfeld eines geraden Drahtes

Das Magnetfeld aufgrund eines geraden Drahtes in einem Abstand r von diesem ist:

Angenommen, wir biegen den Draht so, dass er einen Kreis oder eine Schleife bildet, und dann kommen die Magnetfeldlinien auf der Innenseite zusammen, die alle in die gleiche Richtung zeigen und hinzufügen und verstärken. Im inneren Teil der Schleife oder des Kreises ist das Feld intensiver als im äußeren Teil, wo sich die Feldlinien trennen und abschwächen.

Abbildung 4. Magnetfeld, das von einem Draht in einem Kreis erzeugt wird. Quelle: Wikimedia Commons

Das Magnetfeld in der Mitte einer Schleife

Das resultierende Magnetfeld in der Mitte einer Schleife mit dem Radius a, die einen Strom I führt, ist:

Der Effekt vervielfacht sich, wenn wir das Kabel jedes Mal so biegen, dass es zwei, drei, vier, … und viele Windungen hat. Wenn wir das Kabel in Form einer Feder mit sehr engen Windungen wickeln, ist das Magnetfeld innerhalb der Feder gleichmäßig und sehr intensiv, während es außen praktisch Null ist.

Angenommen, wir wickeln das Kabel in einer Spirale von 30 Windungen mit einer Länge von 1 cm und einem Durchmesser von 1 cm. Dies ergibt eine Windungsdichte von 3000 Windungen pro Meter.

Ideales Magnetfeld

In einem idealen Magneten ist das Magnetfeld darin gegeben durch:

Zusammenfassend unsere Berechnungen für ein Kabel, das 1 Ampere Strom führt und das Magnetfeld in Mikroteslas berechnet, immer 0,5 cm vom Kabel entfernt in verschiedenen Konfigurationen:

1. Gerades Kabel: 40 Mikroteslas.
2. Draht im Kreis 1 cm Durchmesser: 125 Mikroteslas.
3. Spirale von 300 Windungen in 1 cm: 3770 Mikroteslas = 0,003770 Tesla.

Wenn wir der Spirale jedoch einen Eisenkern mit einer relativen Permittivität von 100 hinzufügen, wird das Feld 100-fach multipliziert, dh 0,37 Tesla.

Es ist auch möglich, die Kraft zu berechnen, die der Elektromagnet in Magnetform auf einen Abschnitt des Eisenkerns mit Querschnitt A ausübt:

Unter der Annahme eines Sättigungsmagnetfeldes von 1,6 Tesla beträgt die vom Elektromagneten ausgeübte Kraft pro Quadratmeter Abschnitt der Eisenkernfläche 10 ^ 6 Newton, was einer Kraft von 10 ^ 5 Kilogramm entspricht, dh 0,1 Tonnen pro Quadratmeter Querschnitt.

Dies bedeutet, dass ein Elektromagnet mit einem Sättigungsfeld von 1,6 Tesla eine Kraft von 10 kg auf einen Eisenkern mit einem Querschnitt von 1 cm ² ausübt .

Elektromagnetische Anwendungen

Elektromagnete sind Teil vieler Geräte und Vorrichtungen. Zum Beispiel sind sie im Inneren vorhanden:

- Elektromotoren.

- Lichtmaschinen und Dynamos.

- Lautsprecher.

- Elektromechanische Relais oder Schalter.

- Elektrische Glocken.

- Magnetventile zur Durchflussregelung.

- Computerfestplatten.

- Altmetall-Hebekrane.

- Metallabscheider aus Siedlungsabfällen.

- Elektrische Bremsen für Züge und Lastwagen.

- Kernspinresonanz-Bildgebungsgeräte.

Und viele weitere Geräte.

Verweise

1. García, F. Magnetfeld. Wiederhergestellt von: www.sc.ehu.es.
2. Tagueña, J. und Martina, E. Magnetism. Vom Kompass bis zum Spin. Wiederhergestellt von: Bibliotecadigital.ilce.edu.mx.
3. Sears, Zemansky. 2016. Universitätsphysik mit moderner Physik. 14 .. Ed. Volume 2. 921-954.
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6. Wikipedia. Magnetisierung. Wiederhergestellt von: wikipedia.com