Magnetfelder, elektromagnetische Induktion und Anwendungen in der Elektrotechnik.
H = I × N / lFeldstärke einer Spule
B = μ × HFlussdichte aus Feldstärke und Permeabilität
U_ind = -N × dΦ/dtInduzierte Spannung bei Flussänderung
Elektromagnetismus ist das Fundament vieler elektrischer Geräte – von Motoren und Generatoren über Transformatoren bis hin zu Relais und Sensoren. Das Verständnis magnetischer Felder und elektromagnetischer Induktion ist für jeden Elektrotechniker essentiell.
Dieser Ratgeber erklärt die Grundlagen des Elektromagnetismus, die wichtigsten Formeln und ihre praktische Anwendung in der Elektroinstallation.
| Größe | Symbol | Einheit | Beschreibung |
|---|---|---|---|
| Magnetische Feldstärke | H | A/m | Ursache des Magnetfelds |
| Magnetische Flussdichte | B | Tesla (T) | Wirkung des Magnetfelds |
| Magnetischer Fluss | Φ | Weber (Wb) | Gesamtfluss durch Fläche |
| Permeabilität | μ | Vs/Am | Materialeigenschaft |
B = μ₀ × μᵣ × H
| Material | μᵣ (ca.) |
|---|---|
| Vakuum, Luft | 1 |
| Kupfer, Aluminium | ≈ 1 |
| Eisen (weich) | 1.000-10.000 |
| Ferrite | 100-5.000 |
Wenn sich der magnetische Fluss durch eine Spule ändert, wird eine Spannung induziert:
U_ind = -N × dΦ/dt
Induktion entsteht durch:
Strom durch eine Spule erzeugt ein Magnetfeld. Mit Eisenkern wird es verstärkt.
Anwendungen:
Wechselstrom in der Primärspule induziert Spannung in der Sekundärspule.
U₁/U₂ = N₁/N₂
Rotation einer Spule im Magnetfeld erzeugt Wechselspannung.
Umgekehrtes Generatorprinzip: Strom im Magnetfeld erzeugt Kraft.
Lorentz-Kraft: F = B × I × l
Die induzierte Spannung ist stets so gerichtet, dass sie ihrer Ursache entgegenwirkt.
Praktische Bedeutung:
Aufgabe
Eine Spule hat 500 Windungen auf 10 cm Länge. Bei 2 A Strom: Wie groß ist die Feldstärke?
Lösung
Die magnetische Feldstärke beträgt 10.000 A/m.
Aufgabe
Dieselbe Spule mit Eisenkern (μᵣ = 1.000). Wie groß ist B?
Lösung
Die Flussdichte beträgt ca. 12,57 Tesla (sehr stark!).
Physikalische Grundlagen nach IEC/SI
Die magnetischen Einheiten sind international standardisiert:
Praktische Normen:
Elektromagnetismus – Zusammenfassung:
| Größe | Formel | Einheit |
|---|---|---|
| Feldstärke | H = I×N/l | A/m |
| Flussdichte | B = μ×H | Tesla (T) |
| Fluss | Φ = B×A | Weber (Wb) |
| Induktion | U = -N×dΦ/dt | Volt (V) |
Merksätze:
Eisen hat eine sehr hohe relative Permeabilität (μᵣ = 1.000-10.000). Dadurch wird der magnetische Fluss erheblich verstärkt und die magnetische Kopplung zwischen Primär- und Sekundärwicklung verbessert. Ohne Eisenkern wäre der Wirkungsgrad sehr gering.
Wirbelströme sind Ströme, die durch Induktion in massiven leitenden Materialien entstehen. Sie verursachen Wärmeverluste (Joule-Verluste). Deshalb werden Transformator- und Motorkerne aus dünnen, isolierten Blechen (Lamellen) aufgebaut, um Wirbelströme zu minimieren.
Unter der Glaskeramik befindet sich eine Spule, die ein hochfrequentes Magnetfeld erzeugt. Dieses induziert Wirbelströme im ferromagnetischen Topfboden. Die Wirbelströme erzeugen Wärme direkt im Topf. Daher funktionieren nur geeignete (magnetische) Töpfe auf Induktionsherden.