Magnetisierungskennlinie

In der Antriebstechnik, bei der Span­nungs­er­zeugung oder im MRT. Ohne das Magnetfeld wäre unsere Welt nicht das, was sie heute ist. In diesem Abschnitt wollen wir die physikalischen Gesetze des Magnetfeldes und deren Auswirkung untersuchen und erklären.

1 Der Kompass
Kompass

Magnetische Kräfte treten immer paarweise auf. D.h. neben dem Dauermagnet des Kompasses muss in dem Raum noch ein anderes Magnetfeld vorhanden sein. Die Frage ist nur wo?

Übrigens: Gleiche Pole stoßen sich ab, ungleiche ziehen sich an. Das lernt man schon beim Spiel mit der Eisenbahn. Aber was erstaunlich ist: Hängt man einen Dauermagnet an einem Bindfaden freibeweglich auf, zeigt dieser nach einiger Zeit mit seinem bezeichneten Nordpol zum magnetischen Nordpol der Erde. Hat da jemand bei der Namensgebung im Physikunterricht geschlafen?

Haben wir dein Interesse geweckt, dann kannst du im Folgenden mehr erfahren ...

2 Magnetische Feldlinien
Magnetische Feldlinien

Obwohl manche behaupten auf ein Magnetfeld zu reagieren, besitzen wir Menschen keine Sensoren für Magnetfelder. Aber die Auswirkungen eines Mangnetfeldes, wie bspw. beim Kompass, bei der Brio-Eisenbahn u.v.m. sind uns bekannt.

Wunderschön sichtbar wird das Magnetfeld mit Eisenpulver. Man sieht einen linien­förmigen Verlauf, weshalb wir von magnetischen Feldlinien sprechen. Sind diese direkt zwischen den Polen geradlinig, sprechen wir von einem homogenen Feld. Sind diese wie außerhalb kreisförmig, haben wir ein inhomogenes Feld. Sie treten senk­recht aus der Oberfläche der Polen aus und haben eine Richtung. Diese erkennt man, wenn man den Magneten bewegt. Es gilt: Je dichter die Feldlinien, desto stärker das Magnetfeld.

3 Magnetisierungskennlinie
Magnetisierungskennlinie

Magnetische Materialien (Fe, Ni, Co) bestehen aus Elementarmagneten, welche im Grundzustand ungeordnet sind. Bringt man diese Materialien in ein äußeres Magnetfeld mit der magnetischen Feldstärke $H$, beginnen sich die Elementarmagnete auszurichten. So wird das Material magnetisch.

Entfernt man das Material vom äußeren Magnetfeld verlieren weich­magnetische Stoffe ihren Magnetismus wieder, während hart­magnetische Stoffe (Fe, Ni, Co + Mb) einen Restmagetismus behalten.

4 Feldlinienverlauf um einen stromdurchflossenen Leiter
Feldlinien Leiter

Interessanterweise bilden sich um einen stromdurchflossenen Leiter kreisförmige Feldlinien. Dazu benötigt man aber eine Strömstärke von mindestens 20 A.

Nimmt man anstelle von Eisenpulver kleine Magnetnadeln, kann man beobachten, dass bei Änderung der Stromrichtung auch die Magnetnadeln ihre Richtung ändern. Das führt zu der rechten Daumenregel:

5 Feldlinienverlauf einer Spule
Spule mit Feldlinien

Wickelt man einen Leiter mehrmals, sprechen wir von einer Spule. Durch die Über­la­gerung der einzelnen Felder, sind die Feldlinien im inneren der Spule homogen wie bei einem Stabmagneten. Das besondere: Wir können einen Elektromagneten bau­en, dessen Magnetfeldstärke einstellbar ist.

Die Magnetische Feldstärke H gilt als Kenngröße der magnetischen Kraft. Sie ist umso höher, je größer die Anzahl N der Wicklungen, je größer der Strom I und je kleiner die mittlere Feldlinienlänge lm:

$$H=\frac{N\cdot I}{l_m}$$
6 Eisen im Magnetfeld einer Spule
Spule mit Eisenkern

Ein Eisenkern verstärkt das Magnetfeld der Spule. Eisen und Nickel gehören zu den ferromagnetischen Stoffen. Sie haben kleine Elementarmagnete die ohne äußeres Magnetfeld völlig durcheinander angeordnet sind. Durch das äußeres Magnetfeld der Spule werden diese jedoch ausgerichtet und verstärken das Magnetfeld.

Die magnetische Flussdichte B berücksichtigt dieses Verhalten: $$B=\mu_0 \cdot \mu_r \cdot H$$ Dabei ist $\mu_0=1,257~A/m^2$ die magnetische Feldkonstante. $µ_r$ ist eine material­abhängige Konstante, welche für Eisen bis zu 10000 beträgt, in Luft den Wert 1 hat, aber für Kuper kleiner 1 ist.

7 Der elektrische Antrieb
Gleichstrommotor

Der Gleichstrommotor ist der erste entwickelte Motor in der Geschichte. Die Standardvariante wird als Fremderregte Maschine bezeichnet. Der rotierende Teil wird als Anker bezeichnet, da die erste Bauform wie ein Bootsanker aussah.

Der Anker wird als Elektromagnet ausgeführt, dabei wird der Strom über Schleifringkontakte an der Welle übertragen. Den Stator gibt es in der Aussführung eines Elektromagneten oder Permanentmagneten. Im zweiten Fall ist allerdings die Leistung begrenzt.

8 Die Magnetschwebebahn

Hier ein Ausschnitt von Edmund Stoibers legendäre Rede zum Transrapid, der Magnetschwebebahn.

Finde herraus wie diese funktioniert und weshalb sie in Deutschland nie zum Einsatz kam.



Aufgabe 1 Magnetfeldkonstruktion

stromdurchflossener Leiter

Konstruiere die Magnetfeldlinien der abgebildeten stromdurchflossenen Leiter.

magnetische Feldlinien um Leiter


Aufgabe 2 Stromdurchflossener Leiter im Magnetfeld

Welche Beschreibung passt zu den Bildern?

stromdurchflossener Leiter
  1. Um einen stromdurchflossenen Leiter, bildet sich ein Magnetfeld ...

  2. Die Richtung des Magnetfelds um einen stromdurchflossenen Leiter, ist von der Stromrichtung ...

Magnetfeld
  1. Das Magnetfeld verläuft zwischen zwei Polen von ...

  2. Entgegengesetzte Pole ...

Stromdurchflossener Leiter im Magnetfeld
  1. Die beiden Magnetfelder überlagern sich ...

  2. Die Kraftrichtung zeigt ...



Experiment 1 Magnetische Feldlinien sichtbar machen

sichtbar gemachte magnetische Feldlinien

Alles was du brauchst ist ein Permanentmagnet, eine Plexiglasscheibe und Eisenpulver.

Wir legen die Glasscheibe auf den Magneten und streuen nun von oben vorsichtig Eisenpulver. Falls du kein Eisenpulver hast, gehen notfalls auch sehr leichte Eisenspäne.

Tipp: Mache ein Video von dem Versuch.

  • Wie sieht der Feldlinienverlauf im und außerhalb des Magneten aus?

  • Wo ist das Feld homogen, wo inhomogen?

  • Ändert sich die Richtung, wenn man den Magneten dreht?

  • Nimm einen zweiten Magneten dazu und wiederhole das Experiment.

  • Feldlinienverlauf Hufeisenmagnet:

    Feldlinienverlauf



Entspann dich erst mal ...

Hier kannst du etwas über das dynamoelektrische Prinzip herausfinden, welches Werner von Siemens berühmt machte.

Aufgabe 3 Magnetfeldkonstruktion

Welche Beschreibung passt zu welchem Bild?

  1. In einer Spule bildet sich ein Magnetfeld, dass dem eines Stabmagneten ähnelt. Dabei ist das Magnetfeld umso stärker, je höher der Strom.

  2. Je dichter die Feldlinien, desto stärker die magnetische Wirkung.

  3. Je schneller man einen Leiter durch ein Magnetfeld bewegt, desto stärker wird er abgebremst.

  1. Die Elementarmagnete eines ferromagnetischen Stoffes, richten sich durch ein äußeres Magnetfeld aus und verstärken so die magnetische Wirkung.

  2. Die Stromrichtung in einem Leiter bestimmt die Richtung des Magnetfeldes.

  3. Ein stromdurchflossener Leiter erzeugt immer ein Magnetfeld.



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