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Aus dem Facharchiv: Lernen & Können
Magnetismus – Teil 4: Magnetische Feldgrößen im Elektromagnetismus

Bisher stand der sogenannte Permanentmagnetismus im Vordergrund. In diesem Beitrag werden die Feldgrößen magnetische Feldstärke H und einführend die magnetische Induktion B (magnetische Flussdichte) des Elektromagnetismus betrachtet.

Versuche mit Dauermagneten und Eisenspänen (Bild: K.-H. Bleiß/ep )

Versuche mit Dauermagneten und Eisenspänen (Bild: K.-H. Bleiß/ep )

Magnetische Feldstärke

Für die magnetische Feldstärke, die auch als magnetische Erregung bezeichnet wird, verwendet man das Formelzeichen H. Die magnetische Feldstärke ist durch einen Betrag und eine Richtung gekennzeichnet und ordnet somit als vektorielle Größe jedem Raumpunkt eine Stärke und Richtung des durch die magnetische Spannung erzeugten Magnetfeldes zu. Sie hängt über die Materialgleichungen der Elektrodynamik mit der magnetischen Flussdichte B zusammen.

Versuch Zylinderspule

Zylinderspule mit Magnetnadel (Versuchsaufbau) Die Magnetnadel wird von einer Spiralfeder quer in der Zylinderspule gehalten. Steigt der Strom durch den Spulendraht, wird die Nadel ausgelenkt (maximal bis in Richtung der Zylinderachse). Die Auslenkung der Nadel ist ein Maß für die magnetische Feldstärke H.Aufbau. In einer Zylinderspule ist eine Magnetnadel so angeordnet, dass sie in der Ausgangslage quer zur Zylinderachse (mögliche Kernrichtung) steht. Sie wird von einer Spiralfeder in dieser Lage gehalten (Bild 1). Sobald der Strom durch den Spulendraht steigt, wird die Nadel weiter ausgelenkt bis sie irgendwann in die Zylinderachse zeigt. Somit ist die Auslenkung der Nadel in einem gewissen Bereich ein Maß für die magnetische Feldstärke.

Beobachtungen:

  • In dem betrachteten Bewegungsbereich der Nadel verdoppelt sich die Auslenkung bei doppeltem Strom – daraus folgt: H ~ I.
  • Die Feldstärke verdoppelt sich ebenfalls, wenn die Windungszahl verdoppelt wird: H ~ N.
  • Die Feldstärke halbiert sich, wenn die Spulenlänge verdoppelt wird: H ~ 1/l

Stromdurchflossene Spule

Mit den ermittelten Proportionen werden die Abhängigkeiten der beteiligten physikalischen Größen ausgedrückt und in der folgenden Formel zusammengefasst:

H = (I ⋅ N) / l    in A/m        (1)

Die internationale Einheit der magnetischen Feldstärke ist das Ampere pro Meter. Die vorstehende Formel stellt einen vereinfachten Weg zur Berechnung der Feldstärke einer stromdurchflossenen Spule dar. Auf diesem Wege kann die magnetische Feldstärke nur ungefähr ermittelt werden, dies führt aber in der betrieblichen Praxis in der Regel zu einem ausreichend genauen Resultat. Die Ergebnisse werden präziser, wenn das Verhältnis von Spulenlänge l zum mittleren Spulendurchmesser dm größer als 5 ist:

l/dm > 5

Ebenfalls ist die magnetische Feldstärke H im Innern einer Ringspule mit der Formel (1) relativ genau zu berechnen. Die Spulenlänge l wird in dieser Rechnung aus dem mittleren Spulendurchmesser dm ermittelt

l = dm ⋅ π

Das Produkt I · N wird auch als Amperewindungszahl oder magnetische Urspannung Um bezeichnet. Die magnetische Spannung wird – aufgrund historisch bedingter Begriffsbildung – auch als magnetische Durchflutung bezeichnet. Als Formelzeichen wird der griechische Buchstabe, das große Theta Θ verwendet. Die Einheit ist das Ampere.

Θ = I ⋅ N     in A

Handelt es sich um eine langgestreckte Spule (Länge viel größer als Durchmesser), kann man Formel (1) folgendermaßen gleichsetzen:

H = (I ⋅ N) / l = Um/l = Θ/l

Entlang der Spulenachse ist die magnetische Feldstärke H an den Enden der Spule genau halb so groß wie in der Mitte. Im Innenraum der Spule ist die magnetische Feldstärke fast unabhängig vom Abstand zur Spulenachse und annähernd homogen. Starke Abweichungen misst man erst an den Enden der Spule.

Gerader Leiter

Man kann einen geraden Leiter auch als eine Windung (N = 1) einer Spule (Leiterschleife) mit einem unendlich großen Durchmesser betrachten. Entlang der kreisförmigen Feldlinie ist der Betrag der magnetischen Feldstärke H in Material mit homogener magnetischer Permeabilität konstant. Die Feldlinienlänge l im Abstand r zum Leiter, ergibt sich aus der Umfangsformel des Kreises (l = 2 · π · r):
H = I  / 2 ⋅ r ⋅ π         in A/m

Autor: K.-H. Bleiß

Bild 1, rechts: Zylinderspule mit Magnetnadel (Versuchsaufbau)
Die Magnetnadel wird von einer Spiralfeder quer in der Zylinderspule gehalten. Steigt der Strom durch den Spulendraht, wird die Nadel ausgelenkt (maximal bis in Richtung der Zylinderachse). Die Auslenkung der Nadel ist ein Maß für die magnetische Feldstärke H.

Der vollständige Beitrag ist in unserem Facharchiv nachzulesen.

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