Kapitel 1.1.4 Magnetisches Feldibn.ch/HomePageSchule/Schule/EAZ/0101 Elektrotechnik...2004/01/01...

1 ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK 1 ELEKTROTECHNIK 4 MAGNETISCHES FELD

Ausgabe: 26. April 2013 Web www.ibn.ch

Auflage 3

1 Elektrotechnik und Elektronik

1.1 Elektrotechnik

Kapitel 1.1.4

Magnetisches Feld

3. Auflage 27. August 2010

Bearbeitet durch:

Niederberger Hans-Rudolf dipl. Elektroingenieur FH/HTL/STV dipl. Betriebsingenieur HTL/NDS Vordergut 1 8772 Nidfurn

Telefon 055 654 12 87 055 644 38 43 Telefax 055 654 12 88 E-Mail [email protected]

Copy is

right

Die Autoren haftet nicht für irgendwelche mittelbaren oder unmittelbaren Schäden, die in Zusammenhang mit dem in dieser Publikation Gedruckten zu bringen sind.

Die vorliegende Publikation ist nicht geschützt. Alle Rechte liegen beim Verwender. Kein Teil dieser Publikation darf verborgen bleiben. Der Autor wünscht, dass alles reproduziert

wird. Vielen Dank für eine Rückmeldung, Ihre Anregungen und Ergänzungen.

1 ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK 1 ELEKTROTECHNIK 4 MAGNETISCHES FELD

Ausgabe: 26. April 2013 Web www.ibn.ch

Auflage 3

Inhaltsverzeichnis

1 ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK

1.1 Elektrotechnik 1.1.4 Magnetisches Feld

1.1.4.1 Grundlagen 1.1.4.1.1 Richtung magnetischer Felder 1.1.4.1.2 Wirkung magnetischer Felder aufeinander 1.1.4.1.3 Kraftwirkung von Magneten aufeinander 1.1.4.1.4 Weich- und hartmagnetische Stoffe 1.1.4.1.5 Ferro-, Para- und Diamagnetwerkstoffe

1.1.4.2 Elektromagnetismus 1.1.4.2.1 Stromdurchflossene Leiter 1.1.4.2.2 Stromfluss- und Magnetfeldrichtung 1.1.4.2.3 Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule

1.1.4.3 Der magnetische Kreis 1.1.4.3.1 Die magnetische Durchflutung 1.1.4.3.2 Die magnetische Feldstärke 1.1.4.3.3 Der magnetische Fluss 1.1.4.3.4 Die magnetische Flussdichte oder magnetische Induktion 1.1.4.3.5 Die relative Rermeabilitätszahl von eisenhaltigen Stoffen 1.1.4.3.6 Der magnetische Widerstand 1.1.4.3.7 Vergleich des elektrischen Stromkreises mit dem magnetischen Kreis

1.1.4.4 Spule mit und ohne Eisenkern 1.1.4.4.1 Magnetisierungskennlinien 1.1.4.4.2 Hysteresekurve von Spule mit Eisenkern 1.1.4.4.3 Ummagnetisierungsverluste

1.1.4.5 Kraftwirkung magnetischer Felder 1.1.4.5.1 Stromdurchflossener Leiter im Magnetfeld 1.1.4.5.2 Die Motorenregel 1.1.4.5.3 Drehrichtungswechsel in Motoren 1.1.4.5.4 Funkenlöschung bei Gleichstromschaltern 1.1.4.5.5 Stromdurchflossene Spule im Magnetfeld 1.1.4.5.6 Drehspulmessinstrument 1.1.4.5.7 Gleichstrommotor, Universalmotor 1.1.4.5.8 Stromdurchflossene parallele Leiter 1.1.4.5.9 Elektromagnet (Hebemagnet) 1.1.4.5.10 Schütz und Relais 1.1.4.5.11 Topfmagnet 1.1.4.5.12 Lasthebemagnet 1.1.4.5.13 Schienenbremse 1.1.4.5.14 Gleichstromglocke 1.1.4.5.15 Wechselstromglocke 1.1.4.5.16 Lautsprecher 1.1.4.5.17 Mikrophon 1.1.4.5.18 Motoren 1.1.4.5.19 Analoge Messgeräte

Seite 402 1 ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK 1 ELEKTROTECHNIK 4 MAGNETISCHES FELD

Web www.ibn.ch Ausgabe 26. April 2013

Auflage 3

Elektrotechnik

Kapitel 1.1.4

Magnetisches Feld

3. Auflage 11. November 2009

Bearbeitet durch:

Niederberger Hans-Rudolf dipl. Elektroingenieur FH/HTL/STV dipl. Betriebsingenieur HTL/NDS dipl. Berufsfachschullehrer EHB Vordergut 1 8772 Nidfurn

Telefon 055 654 12 87 055 644 38 43 Telefax 055 654 12 88 E-Mail [email protected]



Auflage 3

1.1.4 Magnetisches Feld

1.1.4.1 Grundlagen

1.1.4.1.1 Richtung magnetischer Felder Wichtig: Für alle nachfolgenden Einträge ist für das Magnetfeld „GRÜN“, den Nordpol „ROT“ und für Südpole „BLAU“ zu verwenden. Erdmagnetismus

Magnetfelder an einem Dauermagneten

Seite 404 1 ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK 1 ELEKTROTECHNIK 4 MAGNETISCHES FELD 1 GRUNDLAGEN


Auflage 3

1.1.4.1.2 Wirkung magnetischer Felder aufeinander Wichtig: Für alle Einträge ist für das Magnetfeld „GRÜN“, den Nordpol „ROT“ und für Südpole „BLAU“ zu verwenden.

Kraftlinienverlauf bei Anziehung

Beschreibung:

Kraftlinienverlauf bei Abstossung

Beschreibung:



Auflage 3

1.1.4.1.3 Kraftwirkung von Magneten aufeinander Zeichnen Sie die magnetischen Pole und die daraus resultierend wirkenden Kräfte der Dau-ermagneten in den unteren Skizzen ein. Folgende Fälle sind zu skizzieren: Anziehung (N-S) und (S-N), Abstossung (N-N) und (S-S) sowie Abschwächung und Verstärkung des Magnet-feldes.

Gleichnamige Pole Ungleichnamige Pole

Bemerkung Beschreiben Sie in Worten die Erkenntnisse der oberen Darstellungen auf.

Wichtig: Für alle Einträge ist für das Magnetfeld „GRÜN“, den Nordpol „ROT“ und für Südpole „BLAU“ zu verwenden.



Auflage 3

1.1.4.1.4 Weich- und hartmagnetische ferromagnetische Stoffe In der ersten Figur ist ein nichtmagnetisiertes Weicheisen in den richtigen Farben ohne die Magnetfelder dazustellen. Alle Teile sind zu Bezeichnen und zu beschreiben.

(weichmagnetischer Stoff)

In der zweiten Figur ist ein ferromagnetisches Weicheisen im Einfluss eines Dauermagnetfel-des in den richtigen Farben ohne die Magnetfelder dazustellen. Alle Teile sind zu Bezeichnen und zu beschreiben.

(ferromagnetischer Stoff im Magnetfeld) Bemerkung Beschreiben Sie in Worten die Erkenntnisse der oberen Darstellungen auf.

Wichtig: Für alle Einträge ist für den Nordpol „ROT“ und für den Südpol „BLAU“ zu verwenden.



Auflage 3

1.1.4.1.5 Ferro-, Para- und Diamagnetwerkstoffe Nachfolgender Text lesen und die wichtigsten Informationen markieren.

0µ Permeabilität im Vakuum

Ursprung Paramagnetismus tritt nur in den Stoffen auf, die ungepaarte Elektronen besitzen (Radikale, Über-gangsmetallkationen, 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 A-tomkern. Anwendung Der Paramagnetismus von Sauerstoff wird bei der physikalischen Gasanalyse genutzt.

Illustrationen einer paramagnetischen Probe ohne äußeres Magnetfeld, ….

... in einem schwachen Magnetfeld …

... und in einem starken Magnetfeld.

Paramagnetische Werkstoffe ( pµ )

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 magne-tisch, 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 e-xistiert (im Gegensatz zur stabilen Magnetisierung beim Ferromagnetismus). Paramagnetische Materi-alien haben die Tendenz, in ein Magnetfeld hineingezogen zu werden. Ferromagnetische Werkstoffe ( fµ )

Dies sind Elemente bei denen die Permeabilitätszahl viel grösser ist als 1. Ferromagnetische Werk-stoffe 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( dµ ) Dies sind Elemente, organische oder anorganische Stoffe bei denen die Permeabilitätszahl kleiner ist als 1.



Auflage 2

1.1.4.2 Elektromagnetismus Alle Teile sind zu Bezeichnen und zu beschreiben. Es sind die Magnetfelder und die magne-tischen Pole einzuzeichnen. Die Handregel sind genau aufzuschreiben. Wichtig: Für alle Einträge ist für das Magnetfeld „GRÜN“, den Nordpol „ROT“ und für Südpole „BLAU“ zu verwenden.

1.1.4.2.1 Stromdurchflossene Leiter

Handregel:



Auflage 2

1.1.4.2.2 Stromfluss- und Magnetfeldrichtung Alle Teile sind zu Bezeichnen und zu beschreiben. Es sind die Magnetfelder und die magne-tischen Pole einzuzeichnen. Die Handregel sind genau aufzuschreiben. Wichtig: Für alle Einträge ist für das Magnetfeld „GRÜN“, den Nordpol „ROT“ und für Südpole „BLAU“ zu verwenden.

Handregel:



Auflage 2

1.1.4.2.3 Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule Alle Teile sind zu Bezeichnen und zu beschreiben. Es sind die Magnetfelder und die magne-tischen Pole einzuzeichnen. Die Handregel sind genau aufzuschreiben. Wichtig: Für alle Einträge ist für das Magnetfeld „GRÜN“, den Nordpol „ROT“ und für Südpole „BLAU“ zu verwenden.

Handregel:

Beispiel: Zeichen Sie im unteren Bild alle behandelten elektrischen und magnetischen Grössen ein!


www.ibn.ch Ausgabe: 26. April 2013 Auflage 3

1.1.4.3 Der magnetische Kreis

N

S

Roto

r

+

-

mFeR

m F eR

m LRΘ

Φ

mFeR

m F eR

m LR

Hinleitung

Rückleitung

RL

U1

Bild 1.7.1

RV

RL

U2

VL

UL

VL

UL

V1 V2

I

Magnetischer Kreis Elektrischer Kreis

Seite 412 1 ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK 1 ELEKTROTECHNIK 4 MAGNETISCHES FELD 3 DER MAGNETISCHE KREIS


1.1.4.3.1 Die magnetische Durchflutung

Spule N I F [ ]− [ ]A [ ]N

500 2 12

Spule N I F [ ]− [ ]A [ ]N

1000 1 12 F ist die Kraft in Newton [ ]N .

Beobachtung Spulen mit dem gleichen Produkt aus Strom x Windungszahl

zeigen gleiche Wirkung (Newton-Meter).

Sie bilden die gleiche Anzahl von Feldlinien bzw. Kraftlinien

also gleiche Stärke des Magnetfeldes

I Spulenstrom [ ]A

N Windungszahl [ ]−

Θ magn. Durchflutung [ ]A Θ 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. Aufgabe 3.1 Wie gross ist die Durchflutung einer Gleichstromspule von 260 Windungen und 4 Ω Widerstand, wenn deren Klemmenspannung 6 V beträgt?

Aufgabe 3.2 Eine Magnetspule hat zwei parallele Wicklungen von je 2800 Windungen. Die Gesamtdurchflutung ist 2520 A. Berechnen Sie den Erregerstrom der einzelnen Wicklungen!



1.1.4.3.2 Die magnetische Feldstärke

Wird die magnetomotorische Kraft bzw. die

Durchflutung θθθθ durch die mittlere Länge der von ihr erzeugten

Feldlinien dividiert, erhält man die magnetische

Feldstärke H .

magn Feldstärkemagn Durchflutung

mittlere Feldlinienlänge.

.=

Merke:

Um die Wirkung der in ver-schiedenen magnetischen Werkstoffen direkt verglei-chen zu können verwendet man die magnetische Feld-stärke ( siehe Magnetisie-rungskurven).

H magn. Feldstärke [ ]A m/

Θ magn. Durchflutung [ ]A

lm mittlere Feldlinien-länge

[ ]m



Die mittlere Länge der Feldlinien von Spulen Die Feldliniendichte ist im Spulenhol-raum, wo das magnetische Feld bei langen Spulen homogen ist, gross und ausserhalb wird die Feldliniendichte kleiner. Bei Spulen mit den üblichen Abmes-sungsverhältnissen genügt es daher, mit ca. der 1,5-fachen Spulenlänge für die mittlere Länge der Feldlinien zu rechnen.

Aufgabe 3.3 Für die nebenstehende Spule ist die mittlere Feldlinienlänge zu berechnen!



1.1.4.3.3 Der magnetische Fluss

Analog wie im elektrischen Stromkreis stellt sich bei

gegebenem magnetischen Widerstand ein Fluss φφφφ ein,

welcher der vorhandenen Durchflutung θθθθ proportional ist.

Dieser Fluss ist entlang des Kreises konstant wobei

sich je nach dem örtlichen verfügbaren Querschnitt A eine

unterschiedliche Flussdichte B (Induktion) einstellen kann.

Φ

magn. Fluss

Wb = Weber

[ ] [ ]Vs Wb=

B

magn. Flussdichte

[ ]

Vs

mT

2

=

A

Fläche, innerhalb welcher die magn. Induktion vorhan-den ist

[ ]m2

(T = Tesla)



Aufgabe 3.4 Ein Magnetkern aus Elektroblech hat 230 cm2 Querschnitt. Die magnetische Flussdichte ist 1,3 T. Berechnen Sie den magnetischen Fluss! Aufgabe 3.5 Wie gross ist die magnetische Induktion in einem Kern von 1,7 cm2. Querschnitt, wenn der magnetische Fluss 317,9 µWb beträgt? Aufgabe 3.6 Bestimmen Sie den Querschnitt eines Kerns, wenn der magnetische Fluss 0,0002255 Wb und die Flussdichte 1,1 T ist!



1.1.4.3.4 Die magnetische Flussdichte oder magnetische Induktion

Merke:

Die magnetische Induktion B ist von der magnetischen

Leitfähigkeit bzw. Permeabilität und der

Feldstärke H Abhängig.

H magn. Feldstärke [ ]A m/

µ0

magn. Feldkonstante

60 102571

−⋅= ,µ

Vs

Am

µr Permeabilitätszahl o-der relative Perme-abilität

[ ]−

B

magn. Flussdichte,

Induktion [ ]

Vs

mT

2

=

(T = Tesla)

In Luft ist die Permeabilitätszahl

µr = 1



Merke:

Je stärker die magnetische Wirkung an einer Stelle des

magnetischen Feldes ist, um so dichter hat man sich dort

die Feldlinien vorzustellen.

Diese Feldliniendichte wird als magnetische Induktion B bezeichnet.

Die Induktion ist um so grösser, je grösser der senkrecht durch eine Fläche hindurchtretende magnetische Fluss ist.

Die Magnetisierungskurve von Luft

[A/m]

0,05

0,04

0,03

100908070605040302010

H

[T]

0,06

0,07

0,08

0,09

0,1

0,5

0,4

0,3

0

B

0,6

0,7

0,8

1,0

0,9

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

x103

x103



Aufgabe 3.7 In einem Luftspalt soll die magnetische Induktion 0,54 T betragen. Berechnen Sie die zugehörige magnetische Feldstärke! Aufgabe 3.8 In einem Luftspalt ist die magnetische Feldstärke 1200 A/m. Wie gross ist die magnetische Flussdichte?



Aufgabe 3.9 Eine Spule ohne Eisenkern besitzt 500 Windungen, durchflossen von 2 A. Mittle-re Länge der Feldlinien sind aus der Spule zu berechnen. Wie gross ist die In-duktion B? Kontrollieren Sie diesen Wert mit der Magnetisierungskurve von Luft.



Zusammenhang zwischen dem magnetischen Fluss und der magnetischen Durchflutung Θ

lH

m

=H Br⋅ ⋅ =µ µ0

M agn. Fluss

Φ

N

I

Θ = ⋅I NB

A=

Φ

Ersatzschaltung Aus der Ersatzschaltung ist ersicht-lich, dass die Durchflutung die frei-bende Kraft des magnetischen Krei-ses ist. Es kann analog des elektrischen Kreises das Gesetz des Magnetismus definiert werden.

mFeR

m FeR

m LRΘ

Φ

mFeR

m FeR

m LR

Hinleitung

Rückleitung

Φ magn. Fluss [ ] [ ]Vs Wb=

Θ magn. Durchflutung [ ]A

Rm magn. Widerstand [ ]A Vs/



1.1.4.3.5 Die relative Rermeabilitätszahl von eisenhaltigen Stoffen

Permeabilitätszahl in Funktion der Induktion



Bestimmung der Permeabilitätszahl



Die magnetische Sättigung



1.1.4.3.6 Der magnetische Widerstand

Analog dem elektrischen Widerstand im ohm’schen Kreis, kann

hier vom magnetischen Widerstand gesprochen werden, der

dem magnetischen Fluss entgegengesetzt wirkt.

M agn. Fluss

Φ

N

I

Θ = ⋅I NRmL

RmFe

Merke Alle im magnetischen Kreis vorkommenden Medien bilden magnetische Wider-stände. Sie werden alle addiert. Die einzelnen magnetischen Widerstände wer-den wie folgt berechnet:

Rm

magnetischer Widerstand

[ ]A Vs/

RmFe

magnetischer Widerstand des Eisens

[ ]A Vs/

RmL

magnetischer Widerstand der Luft

[ ]A Vs/

l mittlere Länge der wirksamen Feldlinien in den Medien

[ ]m

R mFe

R mFe

Θ

Φ Hinleitung

Rückleitung

R mL



1.1.4.3.7 Vergleich des elektrischen Stromkreises mit dem magnetischen Kreis Elektrisch Magnetisch

Draht Leiter Eisenkern

Spannung Ursache Durchflutung

U [ ]V Θ = I N⋅ [ ]A

Strom Fluss Magnetischer Fluss

I [ ]A Φ [ ]Vs

Widerstand

R = [ ]Ω Rm = [ ]A Vs/

Feldstärke

E = [ ]V m/ H = [ ]A m/

Ohmsches

I = [ ]A Gesetz Φ = [ ] [ ]Vs Wb=

Flussdichte

S = [ ]A m/ 2 B = [ ][ ]

Vs m

T

/ 2

=

Rm = Magnetischer Widerstand Übung: 1.1.4 Nr. 80



1.1.4.4 Spule mit und ohne Eisenkern

1.1.4.4.1 Magnetisierungskennlinien

B Hr= ⋅ ⋅µ µ0

Seite 429 1 ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK 1 ELEKTROTECHNIK 4 MAGNETISCHES FELD 4 SPULE MIT UND OHNE EISENKERN 1 MAGNETISIERUNGSKENNLINIEN


Die relative Permeabilität von eisenhaltigen Stoffen



Bestimmung von der Permeabilität aus der Magnetisierungskurve



Kerntypen

Seite 432 1 ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK 1 ELEKTROTECHNIK 4 MAGNETISCHES FELD 4 SPULE MIT UND OHNE EISENKERN


1.1.4.4.2 Hysteresekurve von Spule mit Eisenkern

Seite 433 1 ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK 1 ELEKTROTECHNIK 4 MAGNETISCHES FELD 4 SPULE MIT UND OHNE EISENKERN 2 HYSERESEKURVE VON SPULE MIT EISENKERN


Hysteresisschleifen verschiedener Werkstoffe

Seite 434 1 ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK 1 ELEKTROTECHNIK 4 MAGNETISCHES FELD 4 SPULE MIT UND OHNE EISENKERN


1.1.4.4.3 Ummagnetisierungsverluste

Seite 435 1 ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK 1 ELEKTROTECHNIK 4 MAGNETISCHES FELD 4 SPULE MIT UND OHNE EISENKERN 3 UMMAGETISIERUNGSVERLUSTE


Der relative Gütefaktor

Seite 436 1 ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK 1 ELEKTROTECHNIK 4 MAGNETISCHES FELD 4 SPULE MIT UND OHNE EISENKERN 3 UMMAGETISIERUNGSVERLUSTE


Entmagnetisieren



1.1.4.5 Kraftwirkung magnetischer Felder

1.1.4.5.1 Stromdurchflossener Leiter im Magnetfeld Versuch

Leiter

im permanenten

Magnetfeld

Magnetischer

Südpol

Magnetischer

Nordpol

Stromdurchflossenem Leiter und einem permanenten Magnet-feld

Beobachtung und Abhängigkeiten

Die Ablenkung ist abhängig von der Richtung des Polfeldes

sowie von der Stromrichtung im Leiter.

Die Ablenkung ist auch abhängig von der Stärke des Polfeldes

und auch von der Grösse des Leiterstromes.

Seite 438 1 ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK 1 ELEKTROTECHNIK 4 MAGNETISCHES FELD 5 KRAFTWIRKUNG MAGNETISCHER FELDER 1 STROMDURCHFLOSSENER LEITER IM MAGNETFELD


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 �� Ausgleichstendenz

Seite 439 1 ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK 1 ELEKTROTECHNIK 4 MAGNETISCHES FELD 5 KRAFTWIRKUNG MAGNETISCHER FELDER


1.1.4.5.2 Die Motorenregel

(Linke Handregel) Aus den bisherigen Beobachtungen lässt sich eine Einfache Regel herleiten, welche die Beziehungen zwischen der Magnetfeldrichtung, Kraftrichtung und Stromrichtung besteht.

F

Kraftwirkung

Magnetfeld

Stromfluss

Merke

Mit dieser Regel kann für eine fehlende dritte Grösse jederzeit die

Richtung dieser festgelegt werden.

Berechnung der Kraft von stromdurchflosse-nem Leiter im Magnetfeld

F Kraft [ ]N

B Induktion [ ]T , [ ]2m/Vs

l Im Magnetfeld [ ]m liegende Leiterlän-

ge [ ]m

I Leiterstrom bzw. [ ]A

Stromfluss

F

Kraftwirkung

Magnetfeld bzw. Induktion

B=

Stromfluss

φφφφ A

IBF ⋅⋅= l



1.1.4.5.3 Drehrichtungswechsel in Motoren

Erläuterung

Durch Änderung der

Stromflussrichtung im

Anker oder des Magnet-

feldes des Stators kann

die Drehrichtung des

Motors beeinflusst

werden.

1.1.4.5.4 Funkenlöschung bei Gleichstromschaltern

Erläuterung

Der Lichtbogen bzw. die

Strombahn wird vom

Magnetfeld wegge-

blasen.



1.1.4.5.5 Stromdurchflossene Spule im Magnetfeld

Versuch 1

Elektromagneten mit

Spulenstrom

gleicher Richtung

Anziehung

Versuch 2

Elektromagneten mit

Spulenstrom

entgegengesetzter

Richtung

Abstossung

Merke

1. Die Abhängigkeit ist dieselbe wie bei der Kraft-

wirkung zwischen parallel verlaufenden strom-

durchflossenen Leitern.

2. Die Kraftwirkung kann mit der Stromstärke und

und durch Einsetzen von Fe-Kernen in die Spule

erhöht werden.

3. Die Sättigung des Eisens begrenzt die Kraft-

wirkung des Elektromagneten.



1.1.4.5.6 Drehspulmessinstrument



1.1.4.5.7 Gleichstrommotor, Universalmotor

5

3

1



1.1.4.5.8 Stromdurchflossene parallele Leiter Versuch

Feststellung

Es entsteht eine Es entsteht eine

Anziehung Abstossung

Bemerkung

Gleichsinnig fliessende Ströme Entgegengesetzt fliessende

verursachen Anziehung Ströme verursachen Abstossung

Stromdurchflossene Leiter Demzufolge besteht zwischen

erzeugen Magnetfelder. Ihnen Kraftwirkung.

Seite 445 1 ELEKTROTECHNIK UND ELEKTRONIK 1 ELEKTROTECHNIK 4 MAGNETISCHES FELD 5 KRAFTWIRKUNG MAGNETISCHER FELDER 8 STROMDURCHFLOSSENER LEITER IM MAGNETFELD


Die zwischen zwei parallel verlaufenden Stromlei-tern 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. Aufgrund dieses Zusammenhanges hat man die Einheit der Stromstärke (Ampère) definiert: Die Kraft zwischen zwei parallelen, in Luft verlau-fenden Stromleiter berechnet sich wie folgt:

a

lIIF r

⋅⋅

⋅⋅⋅⋅=

π

µµ

2

210

Beispiel 1

Sammelschiene

Beispiel 2

Wendepole für Beschleunigung

der Stromwendung

Das Ampère ist die Stärke eines Stromes, der, durch zwei parallele

und einem Abstand von 1m aufweisende Leiter fliesst und bei einem

Meter Leiterlänge eine gegenseitige Anziehungskraft von 2x10-7 N

hervorruft. Verlaufen die Leiter in Luft (µ=1) und setzt man für µ0=1,257x10

-6 Vs/Am und π die Zahlenwerte ein, so erhält man folgende praktische Formel:

F Kraft [[[[N]]]]

a Leiterabstand [[[[m]]]]

l Leiterlänge [[[[m]]]]

I1,I2 Leiterströme [[[[A]]]]



1.1.4.5.9 Elektromagnet (Hebemagnet) Die Zugkraft lässt sich errechnen aus der Gegen-überstellung der Energie (1Joul=1Nm=1Ws), die aufzuwenden ist um ein Stück Eisen um den klei-nen Weg ∆s vom Magneten abzuheben und der im Feldraum A ∆s vorhandene Feldenergie.

φ

φ

A B =

∆s =

A

FZ

sABH

sFz ∆∆ ⋅⋅⋅

=⋅2

Diese Formel gilt nur solange als das Eisenstück am Magneten haftet. Sobald es von diesem abge-hoben wird, entsteht magnetische Streuung die ein rasches Absinken der Zugkraft zur Folge hat.

H Magnetische

Feldstärke [[[[A/m]]]]

B Magnetische

Induktion [[[[Vs/m2]]]]

A Fläche [[[[m2]]]]

φφφφ Magnetischer

Fluss [[[[Vs]]]]

FZ Zugkraft [[[[N]]]]

∆s Strecke [[[[m]]]]

µ0 Magnetische

Feldkonstante [[[[Vs/Am]]]] Dividiert man die Gleichung mit ∆s so erhält man die Formel der Zugkraft. In der Luft, ist H=B/µ0. Setzt man dies in der For-mel ein, so erhält man wieder die Zugkraft aber man konnte eine Grösse eliminieren.

0

2

22 µ⋅

⋅=

⋅⋅=

ABABHFz



1.1.4.5.10 Schütz und Relais Die Schützen werden bei Motorensteuerungen eingesetzt.

Schütz mit verschiedenen Magnetformen.

Relais werden meist in der Schwachstromtechnik verwendet. Der Klebestift bildet den notwendigen Luftspalt, um ein klebenbleiben des Ankers zu verhindern.



1.1.4.5.11 Topfmagnet

Mit ihnen können grosse Zugkräfte ausgeübt wer-den. Sie werden bei der Weichenstellung bei der Strassenbahn oder zur Bremslüftung bei Hebe-zeugen eingesetzt.

1.1.4.5.12 Lasthebemagnet Man kann damit Schrott und Späne ferro-magnetischer Werkstoffe (Eisen, Nickel, Kobalt) transportieren.

1.1.4.5.13 Schienenbremse

Anwendung nur bei Trambahnen als Notbremse



1.1.4.5.14 Gleichstromglocke Nach diesem Prinzip des Selbstunterbrecher arbeiten auch Summer und elektrische Hupen.

Wird die Spule mit Gleichstrom durchflosssen wird der Anker magnetisiert und angezogen. Der Stromkreis wird durch das öffnen des Unterbre-cherkontakts abgestellt. Der Klebestift bildet ei-nen Luftspalt und verhindert das Haften des An-kers durch den Restmagnetismus. Der Anker fällt ab und der Stromkreis wird wieder geschlossen.



1.1.4.5.15 Wechselstromglocke Wechselstrom-Wecker oder polarisierter Elektromagnet. Dies ist eine Verbindung von Elektro- und Dauermagnet.

Der mittlere Teil der Wechselstromglocke ist ein Dauermagnet und daher der Anker ein Südpol. Fließt der Strom zuerst durch die linke Spule, so ist bei der linken Spule unten ein Südpol und der Anker wird links abgestossen. Dreht die Strom-richtung, so ist an der linken Spule unten ein Nodpol. Da der Anker ein Südpol ist wird dieser links angezogen.



1.1.4.5.16 Lautsprecher

Aufbau der vierpoligen Hörer- kapsel:

1 Dauermagnet 2 Weicheisenspule 3 Magnetspule 4 Anker aus Weicheisen in der Mitte gelagert 5 Membrane

1.1.4.5.17 Mikrophon



1.1.4.5.18 Motoren

Drehbare Spule im elektri-schen Magnetfeld

1 Fe-Ring

Stator 2

Kollektor Kohlenbürsten

3 Drahtschleifen,

Spule Rotor

+ -

1

2

3

1.1.4.5.19 Analoge Messgeräte

Drehspulmesswerk für Dreheisenmesswerk für

Gleichstrom- Gleich- und

messung Wechselstrommessung

Kapitel 1.1.4 Magnetisches Feldibn.ch/HomePageSchule/Schule/EAZ/0101 Elektrotechnik...2004/01/01...

Documents

Transcript of Kapitel 1.1.4 Magnetisches Feldibn.ch/HomePageSchule/Schule/EAZ/0101 Elektrotechnik...2004/01/01...