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4. Die Spule
4.1
Magnetismus
Schon Ørsted1 stellt fest, das stromdurchflossene Leiter eine Kraft erzeugen. Die
Auswirkungen dieser Entdeckung wie z.B. elektrische Antriebe oder
Funkübertragungsanlagen sind heute allgegenwärtig:
Einführungsfilm: http://www.youtube.com/watch?v=TtrynAaLU1I (6:59)
Quelle: elektrotechnik-fachbuch.de
Was aber ist die Ursache des Magnetismus?
Die magnetische Auswirkung der Bahnbewegung ist nach außen hin nicht in Erscheinung.
Der Elektronenspin bei einer gerichteten Elektronenbewegung in einem Leiter verursachen
eine einheitliche Ausrichtung der Spinachsen, die Felder summieren sich und sind von außen
messbar. Der Kernspin kann sogar von außen durch starke Magnetfelder beeinflusst werden
(Kernspintuomographie = Magnetresonanztomographie).
4.2 Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters
Quelle: elektrotechnik-fachbuch.de
1
Hans Christian Ørsted, dänischer Physiker,1777-1851
Dipl.-Ing. Uwe Wittenfeld 2013
Die Spule
4-1
4. Die Spule
Bei einem Stromfluss durch einen kreisförmigen Leiter, entstehen konzentrische
Feldlinien um den Leiter
Die Richtung der Feldlinien lässt sich mit der Rechten-Faust-Regel oder der KorkenzieherRegel beschreiben. (technische Stromrichtung !!!)
Quelle: elektrotechnik-fachbuch.de
Quelle: www.curtsoft.de/wissen/Technik/Elektrotechnik/
Für die Stärke des Magnetfeldes wird eine neue Größe eingeführt. Sie wird magnetische
Feldstärke oder magnetische Erregung genannt.
[ ]
Die magnetische Feldstärke ist proportional
zum Leiterstrom und umgekehrt
proportional zum Abstand vom Leiter.
Messtechnische Anwendung: Für eine
direkte Strommessung muss der Stromkreis
aufgetrennt werden. Durch Messung des
Magnetfeldes kann der Strom jedoch
indirekt bestimmt werden.
Dipl.-Ing. Uwe Wittenfeld 2013
Die Spule
4-2
4. Die Spule
4.3 Kraftwirkungen eines stromdurchflossenen Leiters
Film zur Einleitung: http://www.youtube.com/watch?v=43AeuDvWc0k
Die Magnetfelder der einzelnen Leitungen überlagern sich zu einem Gesamtmagnetfeld. Die
Feldlinien stellen dabei Linien gleicher Feldstärke da. Eine Verdichtung der Feldlinien führt
zu einer Abstoßung.
4.4 Zylinderspule
Das magnetische Feld eines einzelnen
stromdurchflossenen Drahtes ist sehr gering.
Die Wirkung lässt sich durch das Aufwickeln
eines Drahtes auf einen zylindrischen Körper
steigern.
Der Feldlinienverlauf einer stromdurchflossenen
Zylinderspule gleicht dem eines Stabmagneten.
Die Spule stellt also einen elektrisch steuerbaren
Magneten, einen Elektromagneten da.
Dipl.-Ing. Uwe Wittenfeld 2013
Die Spule
4-3
4. Die Spule
Die grundsätzliche Frage ist, welche Parameter die Eigenschaften (vor allem die
Kraftwirkung) einer Spule beeinflussen.
4.4.1
Variation des Stroms
Die Parameter Strom, Windungsanzahl und Spulenlänge können mit einem einfachen
Versuchsaufbau variiert werden. Vorausgesetzt wird, dass die magnetische Feldstärke H
proportional zur Kraft ist.
Quelle: elektrotechnik-fachbuch.de
Wie nicht anders erwartet, ist die Kraftwirkung proportional zum Strom, der die Spule
durchfließt.
4.4.2
Variation der Windungszahl
Dipl.-Ing. Uwe Wittenfeld 2013
Die Spule
4-4
4. Die Spule
4.4.3
Variation der Spulenlänge
Quelle: elektrotechnik-fachbuch.de
Die magnetische Feldstärke sinkt, wenn die Spule länger wird.
4.4.4
Magn. Feldstärke und magnetische Durchflutung
[ ]
Magnetische Feldstärke
Das Produkt aus Strom und Windungszahl wird als magnetische Durchflutung bezeichnet und
mit dem griechischen Buchstaben Theta bezeichnet.
[ ]
Magnetische Durchflutung
Wenn Spulen als elektronische Bauteile verwendet
werden, sollte die magnetische Wirkung möglichst
auf das Innere der Spule begrenzt sein. Dazu
bieten sich Ringspulen an. Als Länge der Spule
wird hier die mittlere Feldlinienlänge verwendet.
Film: André-Marie Ampère und der
Elektromagnetismus:
http://www.youtube.com/watch?v=dTV1g_QI6yU
Dipl.-Ing. Uwe Wittenfeld 2013
Die Spule
4-5
4. Die Spule
4.5 Spulen mit Eisenkern
Quelle: elektrotechnik-fachbuch.de
Die Erfahrung zeigt, dass durch einen Eisenkern die magnetische Wirkung wesentlich
verstärkt werden kann. Materialien, die die Wirkung einer Spule extrem erhöhen, weden
„ferromagnetisch“ genannt. Neben Eisen gehören dazu noch Kobalt und Nickel.
Die magnetische Flussdichte ist ein Maß für die wirksame magnetische Kraft eines Materials.
Sie wird in Tesla2 gemessen.
[ ]
Magnetische Flussdichte
Nur die magnetische Flussdichte B sagt etwas über die Stärke eines Magnetfeldes aus!
Magnetische Feldkonstante für das Vakuum:
Magnetische Permeabilität eines Stoffes:
Magnetischer Fluss3:
[ ]
Nikola Tesla, 1856-1943, österreichisch-serbischer Physiker
Die Einheit des magnetischen Flusses, dargestellt mit dem Formelbuchstaben Φ (Pho) ist Weber,
benannt nach dem deutschen Physiker Wilhelm Eduard Weber, 1804-1891
2
3
Dipl.-Ing. Uwe Wittenfeld 2013
Die Spule
4-6
4. Die Spule

Ferromagnetische Werkstoffe (µr >> 1)
Die Permeabilität ferromagnetischer Werkstoffe ist nicht linear. Sie ist von der magnetischen
Feldstärke abhängig.

Paramagnetische (µr > 1) und diamagnetische Werkstoffe (µr < 1)
Dipl.-Ing. Uwe Wittenfeld 2013
Die Spule
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4. Die Spule
Erklärung(sversuch) für Ferromagnetismus
Im Material sind Kristallbereiche vorhanden, die wie kleine Dauermagnete wirken. Im
unmagnetischen Zustand sind diese Bereiche (Weißsche Bezirke) ungeordnet, so dass nach
außen keine resultierende magnetische Wirkung auftritt. Durch ein äußeres Magnetfeld ist es
jetzt möglich, diese „Elementarmagnete“ auszurichten. Sind alle Bereiche ausgerichtet, tritt
eine Sättigung auf.
Quelle: elektrotechnik-fachbuch.de
Dipl.-Ing. Uwe Wittenfeld 2013
Die Spule
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4. Die Spule
Das vorhergehende Bild (Quelle: elektrotechnik-Fachbuch) zeigt eine typische
Magnetisierungskennlinie von Elektroblech (rote Kurve).

Neukurve
Zunächst ist die Flussdichte B des fabrikneuen Materials. Nun wird die Feldstärke erhöht und
auch die Flussdichte steigt zunächst steil an, d.h. viele Weißsche Bereiche werden
ausgerichtet. Irgendwann wird die Kurve jedoch flacher, d.h. eine weitere Steigerung der
Feldstärke führt kaum zu einer Erhöhung der Feldstärke.

Magnetische Sättigung
Die Weißschen Bereiche sind alle ausgerichtet. Eine weitere Erhöhung der Feldstärke führt
kaum noch zu einer Erhöhung der Flußdichte.

Remanenz
Wird die Feldstärke auf 0 zurückgefahren, so bleibt noch eine Restflußstärke vorhanden.
Dieses wird als Remanenz oder Restmagnetismus bezeichnet. Je größer die Ramanenz, umso
besser eignet sich ein Material zum Permanentmagneten.

Koerzitivfeldstärke
Die Koerzitivfeldstärke muss aufgebracht werden, um in einem magnetisierten Material eine
Flussdichte von 0 zu erzeugen.
Die gesamte Kurve wird auch als Hysteresekurve bezeichnet.
Aufgaben
1. Wie groß ist die magnetische Flussdichte in einer 60 cm langen mit Luft gefüllten
Zylinderspule mit 1000 Wicklungen bei einem Strom von 200 mA?
2. Wie ändert sich die magnetische Feldstärke und die magnetische Flussdichte, wenn
die Spule aus 1. Mit Eisen gefüllt wird?
3. In einer Spule (relative Dielektrizitätszahl = 1) mit 800 Windungen, einer Länge von 5
cm und einem Widerstand von 45 Ohm soll ein magnetisches Feld mit einer
magnetischen Flussdichte von 12mT erzeugt werden.
- Welche Spannung muss an die Spule angelegt werden?
- Geben Sie zwei Möglichkeiten an, um den magnetischen Fluss zu verdoppeln.
4. Eine Ringspule mit 600 Wicklungen und einem mittleren Durchmesser von 10 cm soll
eine Flussdichte von 6,6mT herrschen. Wie groß muss der Strom sein=
Dipl.-Ing. Uwe Wittenfeld 2013
Die Spule
4-9
4. Die Spule
4.6 Anwendung von Spulen als Elektromagnet
Die Bedeutung von Spulen als elektronische Bauteile sind vor allem in der
Wechselstromtechnik anzutreffen. Hier sollen nur Anwendungen aus dem Gleichstrombereich
vorgestellt werden.
4.6.1
Relais und Schütze - elektromagnetischer Schalter
Bildquelle: elektrotechnik-fachbuch.de
Durch das Anlegen einer Gleichspannung werden Kontakte geschaltet.

Logische Verknüpfungen (Relais mit teilweise komplexen Kontaktsätzen)

Schaltung von großen Lasten mit einer kleinen Leistung (Schütz)

Galvanische Trennung
Kammrelais mit 4 Umschaltkontakten
Schütz mit Arbeitskontakt für Schalttafeleinbau
Dipl.-Ing. Uwe Wittenfeld 2013
Die Spule
4-10
4. Die Spule
Relaisrechner Zuse Z3 (1941)
PC-Einsteckkarte mit 16 Relaisausgängen
Miniatur Relais mit Reed-Kontakten im DIL-Gehäuse
KFZ-Relais
4.6.2
Elektromagnetischer Klingel
Dipl.-Ing. Uwe Wittenfeld 2013
Die Spule
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