Grundwissen
Werkstoffkenngrößen elektrotechnischer Bauelemente (2)
luk2/2010, 3 Seiten
LERNEN KÖNNEN 2/10 Kenngrößen der Magnetwerkstoffe Hinsichtlich des magnetischen Verhaltens werden die Werkstoffe in die drei Stoffgruppen eingeteilt: diamagnetisch r < 1 (konstant) Cu r = 0,99999 Bi r = 0,99983 paramagnetisch r > 1 (konstant) Al r = 1,00002 Pt r = 1,00036 ferromagnetisch r >> 1 (nicht konstant) reines Eisen rmax = 250 000 Stahl, 1 % C rmax = 7 000 Gusseisen rmax = 600 Die ferromagnetischen Stoffe erfüllen zwei Bedingungen: 1.Die Metallgitter bestehen aus Atomen mit nicht abgeschlossenen Elektronenbahnen. 2.Der Gitterabstand der Atome ist so groß, dass unter dem Einfluss eines äußeren Magnetfeldes die Drehachsen der Elektronen innerhalb kleiner Kristallbereiche (weißsche Bezirke) ausgerichtet werden können. Elementarmagnete. Den weißschen Bezirken wird die kleinste magnetische Größe, der sogenannte Elementarmagnet zugeordnet. Die Elementarmagnete sind unterschiedlich ausgerichtet, so dass der Werkstoff nach außen unmagnetisch wirkt. Durch ein äußeres Magnetfeld richten sich die Elementarmagnete aus. Das einwirkende Magnetfeld wird verstärkt. Sind alle Elementarmagnete ausgerichtet, ist der so genannte Sättigungsbereich erreicht. Eine weitere Aufmagnetisierung entspricht der von Luft mit einem nicht vertretbaren Aufwand-Nutzen-Verhältnis. Wird ein ferromagnetischer Stoff über die Curietemperatur erwärmt, nimmt er paramagnetische Eigenschaften an. Die Curietemperaturen betragen zum Beispiel für Eisen 768 °C, Kobalt 1120 °C und für Nickel 360 °C. LERNEN KÖNNEN 2 · 2010 Die stromleitenden, dielektrischen und magnetischen Eigenschaften von Werkstoffen können quantitativ nur durch entsprechende Kenngrößen [1] bewertet werden. Sie können dann einen optimalen Werkstoffeinsatz in den Bauelementen der Elektrotechnik gewährleisten. INHALT Werkstoffkunde Werkstoffkenngrößen elektrotechnischer Bauelemente (2)............................1 WISO Wirtschafts-, Sozial- und Gemeinschaftskunde......................3 Fachbegriffe Was versteht man unter ... .............4 Regelungstechnik Temperaturmesstechnik (4)............6 Antennentechnik Satellitenempfang (8) ....................8 Computertechnik Flexibel und mobil mit portablen Programmen .............9 Arbeitssicherheit Beleuchtung am Arbeitsplatz (6) ......................11 Englisch Technical English - Technische Texte in englischer Sprache..........13 Fachtest Fachtest Antriebstechnik .............14 Fachtest Computertechnik...........15 Lösungen.....................................16 Grundwissen Lernfelder 1-5 Fachwissen Lernfelder 6-13 Prüfung Lernfelder 1-13 Werkstoffkenngrößen elektrotechnischer Bauelemente Teil 2: Magnetwerkstoffe und Einfluss auf elektromagnetische Felder ELEKTROPRAKTIKER-Magazin für die Aus- und Weiterbildung Impressum ep - LERNEN und KÖNNEN Magazin für die Aus- und Weiterbildung HUSS-MEDIEN Gmb H Am Friedrichshain 22; 10407 Berlin Tel. 030 42151-378, Fax 030 42151-251 Redaktion: Rüdiger Tuzinski (Redaktionsleiter), Hein Elster, Heino Hackbarth (Redakteure), Sabine Funke, Petra Hahn (Layout), Petra Richter (Zeichnungen) Schülerservice Abo-Verwaltung und Vertrieb: Directa Buldt Fachverlag Lübecker Str. 8; 23611 Bad Schwartau Tel. 0451 49999-0, Fax 0451 49999-40 Erscheinungsweise: Monatlich als Beilage der Zeitschrift Elektropraktiker Remanenzflussdichte Koerzitivfeldstärke in T Hc in kA/m hartmagnetische Werkstoffe Dauermagnete in Haftmagnetsystemen, in Messgeräten, in Lautsprechern 1,8 ... 2 24 ... 300 weichmagnetische Werkstoffe Dynamo- und Transformatorenbleche, Spulenkerne, Abschirmungen 0,8 ... 1,2 0,4 ... 160 Tafel Remanenz und Koerzitivfeldstärke magnetischer Werkstoffe Remanenzflussdichte und Koerzitivfeldstärke Verschwindet das äußere Magnetfeld, nimmt der ferromagnetische Stoff nicht wieder seinen Ausgangszustand an. Einige Elementarmagnete bleiben weiterhin ausgerichtet. Es bleibt ein Restmagnetismus, gekennzeichnet durch die Remanenzflussdichte Br , zurück. Sie kann durch ein Magnetfeld beseitigt werden, dessen Richtung dem ursprünglichen Feld entgegengesetzt ist. Bei der Koerzitivfeldstärke wird die Remanenz Null. Steigert man die „Gegenfeldstärke“ weiter, verstärkt sich das Magnetfeld bis zur Sättigung, jetzt in entgegengesetzter Richtung (Tafel In Abhängigkeit von den Beträgen der Remanenz Br und der Koerzitivfeldstärke werden die ferromagnetischen Werkstoffe in hartmagnetische und weichmagnetische Werkstoffe eingeteilt. Verlustziffer In Wechselstromgeneratoren und -motoren sowie in Transformatoren werden die weichmagnetischen Werkstoffe im Rhythmus der Frequenz des fließenden Wechselstromes periodisch ummagnetisiert. Die sich drehenden Elementarmagnete erwärmen die Bleche. Es entstehen Ummagnetisierungsverluste (Hystereseverluste). Ihre Größe wird durch die Verlustziffer v1,0 oder v1,5 in W/kg bei den magnetischen Flussdichten 1,0 T oder 1,5 T angegeben (Tafel ). Einfluss auf elektromagnetische Felder Eine gerichtete Bewegung der freien Elektronen in Leiterwerkstoffen entsteht durch ein elektrisches Strömungsfeld, eine Elektronenorientierung innerhalb eines Isolierstoffmoleküls als dielektrische Polarisation durch das elektrostatische Feld und das Ausrichten der Elementarmagnete in ferromagnetischen Stoffen durch ein magnetisches Feld. Für alle drei Felder werden die Ursache-Wirkungsbeziehungen quantitativ durch Feldgrößen beschrieben. Ursachengrößen sind die elektrische Feldstärke E und die magnetische Feldstärke H. Sie sind auf die Strecke bzw. Feldlinienlänge l bezogene Größen, über die die elektrische Spannung U bzw. die elektrische Durchflutung wirksam ist: elektrische Feldstärke (9) [E] = V/m magnetische Feldstärke (10) [H] = A/m Ohne zusätzliche Bedingungen entstehen durch die Ursachengrößen als Wirkungen der elektrische Strom im Leiterwerkstoff, der Verschiebungsfluss im Isolierstoff und der magnetische Fluss in allen Stoffen. Ein Vergleich gleichartiger Wirkungen ist nur möglich, wenn die Wirkungsgrößen als bezogene Größen bestimmt werden. Es werden die Stromstärke I, der Verschiebungsfluss (Psi) und der magnetische Fluss (Phi) auf die Querschnittsflächen A bezogen, in denen die genannten Größen wirksam sind. Damit ergeben sich als Wirkungsgrößen die elektrische Stromdichte (11) [S] = A/m2 Verschiebungsflussdichte (12) [D] = As/m2 magnetische Flussdichte (13) [B] = Vs/m2 = T (Tesla) Zwischen den Feldgrößen bestehen direkte Proportionalitäten. Werden die oben genannten Werkstoffgrößen als Proportionalitätsfaktor eingesetzt, entsteht die allgemeine Gleichung: Dichtegröße = Werkstoffgröße · Feldstärkegröße Diese ist in ihrem Wesen nach eine Funktionsgleichung mit der unabhängigen Veränderlichen (Ursachengröße = Feldstärke) und der abhängigen Veränderlichen (Wirkungsgröße = Dichte). Im Konkreten gilt für die Größen des elektrischen Strömungsfeldes S = · E (14) elektrostatischen Feldes D = · E (15) des magnetischen Feldes B = · H (16) Werkstoffkunde G r u n d w i s s e n L e r n f e l d e r 1 - 5 2 LERNEN KÖNNEN 2/10 Interessanter Zusammenhang Mathematischer Zusammenhang zwischen der elektrischen Feldkonstanten 0 , der magnetischen Feldkonstanten 0 und der Lichtgeschwindigkeit c0 = 2,99792458 m/s im leeren Raum: Das Produkt der elektrischen und der magnetischen Feldkonstanten ist gleich dem Kehrwert des Quadrates der Lichtgeschwindigkeit im leeren Raum. = GEDANKENBLITZ Elektroblech Nenndicke Verlustziffer Verlustziffer Kurzname in mm v1,0 in W/kg v1,5 in W/kg V250-35 A 0,35 1,00 2,50 V400-50 A 0,50 1,70 4,00 VM89-27N kornorientiert 0,27 - 0,89 VM 111-35N kornorientiert 0,35 - 1,11 Tafel Verlustziffer von Elektroblechen S/A · m-2 E/V · m-1 S = f(E) tan = = Abhängigkeit der Feldgrößen des elektrischen Strömungsfeldes D/As · m-2 E/V · m-1 DI = f(E) DII = f(E) II > I Abhängigkeit der Feldgrößen des elektrostatischen Feldes H2H1 B/Vs · m-2 H/A · m-1 B = f(H) --- --- Abhängigkeit der Feldgrößen ferromagnetischer Stoffe Neben der Darstellung der funktionalen Abhängigkeiten der Feldgrößen in den Gleichungen (14) bis (16) zeigen ihre Kennlinien im rechtwinkligen Koordinatensystem anschaulich, wie die Änderungen der Feldstärkegrößen sich auf die Dichtegrößen auswirken. Sowohl im elektrischen Strömungsfeld als auch im elektrostatischen Feld besteht eine lineare Abhängigkeit zwischen den Ursachen- und Wirkungsgrößen. Die Bilder der Funktionsgleichungen (14) und (15) sind steigende Gerade (Bild und ), deren Anstiegswinkel durch den Betrag der Konduktivität des entsprechenden Leiterwerkstoffes bzw. durch den Betrag der Permittivität des Isolierstoffs festgelegt ist. Analoge Aussagen treffen auch für die magnetischen Feldgrößen der dia- und paramagnetischen Stoffe zu. Die für den Elektrotechniker weit wichtigeren ferromagnetischen Stoffe haben Permeabilitätswerte, die von der einwirkenden magnetischen Feldstärke abhängig sind. Die Ursache für die unterschiedlichen Werte ist das Feld verstärkende Ausrichten der Elementarmagnete. Die magnetische Flussdichte steigt von Null beginnend mit zunehmender magnetischer Feldstärke stark linear an. Ein Teil der Elementarmagnete wird dabei ausgerichtet. Bei einer weiteren Steigerung der magnetischen Feldstärke schwächt sich die Zunahme der magnetischen Flussdichte ab. Sie entspricht jetzt nur noch der Zunahme der magnetischen Flussdichte von Luft. Der Sättigungsbereich ist erreicht. Alle Elementarmagnete sind ausgerichtet. Der Vorteil einer weiteren Feldverstärkung durch den ferromagnetischen Stoff ist nicht mehr gegeben. Das Bild der Funktionsgleichung (16) wird als Magnetisierungskurve bezeichnet. Aus den Koordinaten der Kennlinienpunkte (Bild ) können die unterschiedlichen Beträge der Permeabilität berechnet werden. Fazit Der optimale Einsatz der Werkstoffe in elektrischen Geräten und Anlagen setzt voraus, dass die elektrischen und magnetischen Eigenschaften durch Größen festgelegt sind. Wesentlich ist weiterhin, dass durch diese Werkstoffgrößen die Größen der die Werkstoffe durchsetzenden elektrischen und magnetischen Felder quantitativ beeinflusst werden. Literatur [1] Spanneberg, H.: Werkstoffkenngrößen elektrotechnischer Bauelemente; Teil 1: Kenngrößen der Leiterwerkstoffe und Isolierstoffe. Elektropraktiker Berlin, 64(2010)1, Lernen und Können S. 1-3. H. Spanneberg G r u n d w i s s e n L e r n f e l d e r 1 - 5 LERNEN KÖNNEN 2/10
Autor
- H. Spanneberg
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