Informations- und Kommunikationstechnik

Elektromagnetische Spule

Eine Spule ist die Aneinanderreihung und damit eine Reihenschaltung vieler gleichartiger Leiterschleifen. Die Windungen können auf einen linearen Spulenkörper liegen oder zu einem Ring zusammengebogen sein. Fließt Gleichstrom durch eine Spule, dann baut sie ein statisches Magnetfeld auf. Eine lineare Spule verhält sich dann wie ein Stabmagnet mit Nord- und Südpol. In der Ringspule verlaufen die Magnetfeldlinien geschlossen im Spuleninneren.

Das Teilbild links zeigt, dass jede Leiterschleife senkrecht zum Stromfluss ein Magnetfeld ausbildet, das mit den Nachbarfeldern in Wechselwirkung tritt. Die Feldkräfte zwischen den Leiterwindungen gleichen sich gegeneinander aus. Nach außen wirksam entsteht ein Summenfeld, dessen Polarität von der Stromrichtung bestimmt ist.

Magnetspulen mit Feldverlauf

Dreht man eine rechtsgängige Schraube in die Richtung, die der Strom von Plus nach Minus durch die Spule nimmt, so bewegt sie sich auf den magnetischen Nordpol der Spule zu.

Umfasst man mit der rechten Hand die Spule so, dass die Fingerspitzen in die technische Stromrichtung von Plus nach Minus weisen, und spreizt den Daumen ab, so zeigt er die Richtung der Magnetfeldlinien im Spuleninnenraum an und weist auf den Nordpol.

Umfasst man mit der linken Hand die Spule so, dass die Fingerspitzen der Richtung des physikalischen Stromverlaufs von Minus nach Plus folgen, zeigt der abgespreizte Daumen die Richtung des Magnetfelds im Spuleninneren an und weist auf den Nordpol.

Die Magnetisierungskurve und Hystereseschleife

Eine Spule ohne Kernmaterial wird Luftspule genannt. Ihre Feldliniendichte B ist direkt proportional zur Feldstärke H. Luft ist ein schlechter magnetischer Leiter, folglich sind die Feldliniendichte und das gesamte Magnetfeld kernloser Spulen relativ klein. Die Magnetisierungskurve, auch magnetische Zustandskurve genannt, stellt grafisch die Abhängigkeit der Feldliniendichte von der magnetischen Feldstärke dar. Die Kurve verläuft für jeden Werkstoff anders, da die relative Permeabilität μr von der magnetischen Feldstärke abhängig ist und unterschiedliche Werte aufweist.

Magnetisierungsdiagramme

Befindet sich ein magnetisierbarer Kern in einer Luftspule, dann verdichtet sich der Feldlinienverlauf im Kern. Als Folge nimmt bei konstantem Strom die magnetische Kraft der stromdurchflossenen Spule zu. Das Magnetfeld der Spule verschiebt die im Kernwerkstoff vorhandenen Blochwände der Weiss-Bezirke nach außen. Mit zunehmender Feldstärke werden solange alle Blochwände an den Kernrand verschoben, bis er aus einem einzigen Weiss-Bezirk besteht.

Bei weiterer Magnetisierung werden die Elektronenspins der Molekularmagnete zur Magnetisierungsrichtung des Spulenmagnetfelds ausgerichtet. Mit zunehmender Feldstärke werden dann die Molekularmagnete in die Magnetfeldrichtung der Spule gedreht. Sind alle Molekularmagnete ausgerichtet, steigt die Flussdichte trotz Vergrößerung der Feldstärke nur noch unwesentlich an. Der Kern ist magnetisch gesättigt.

Ein ferromagnetischer Kern (Eisenkern) erhöht die Flussdichte einer Magnetspule.
Die Permeabilität ferromagnetischer Werkstoffe ist vom Material abhängig.
Sie ändert sich nicht linear mit der im Werkstoff herrschenden magnetischen Feldstärke.
Die Permeabilität ist abhängig von der magnetischen Vorbehandlung des Materials.

Die oben dargestellte Magnetisierungskurve wird bei der erstmaligen Magnetisierung eines ferromagnetischen Werkstoffs durchlaufen. Der Kern zeigte zuvor keinen Eigenmagnetismus. Diese Kurve wird als Neukurve bezeichnet. Am Kurvenende ist der Kern magnetisch gesättigt.

Hysteresekurve

Wird vom Sättigungspunkt ausgehend die magnetische Feldstärke verkleinert, so bewegt man sich nicht rückläufig auf der Neukurve. Die Flussdichte verringert sich langsamer und die neue Kurve verläuft oberhalb der Erstmagnetisierungskurve. Bei der Feldstärke H = 0 wird die B-Achse im Wert Br geschnitten. Im Kern verbleibt ein Restmagnetismus, Remanenz genannt.

Der Restmagnetismus kann durch eine entgegengerichtete Feldstärke beseitigt werden. Dazu muss der Erregerstrom der Spule umgepolt werden. Die Feldstärke Hc, bei der die Flussdichte den Wert B = 0 angenommen hat, wird Koerzitivfeldstärke genannt.

Eine weitere Erhöhung der Feldstärke in die negative Richtung versetzt den Kern in die magnetische Sättigung mit umgekehrter Polarität. Beim Rückgang der negativen Feldstärke bis H = 0 durchläuft die Kurve den unteren Zweig bis zur negativen Remanenz, die erst wieder bei positiver Koerzitivfeldstärke den Wert Null erreicht.

Die Zustände B = 0 und H = 0 vor der Erstmagnetisierung und B = 0 mit H = ± Hc sind nicht identisch. Im ersten Fall vermutet man, dass eine statistische Orientierung aller Weiss-Bezirke vorliegt. Nach außen tritt daher kein messbares Magnetfeld auf. Nach der Erstmagnetisierung und nachfolgender Entmagnetisierung nimmt man für die Koerzitivfeldstärke an, dass durch eine Gegenorientierung einiger Weiss-Bezirke die Remanenz aufgehoben wird. Die Neukurve eines magnetisierten Werkstoffs wird danach nicht mehr durchlaufen.

Die Remanenz ist die bei stromloser Spule im Eisenkern bleibende magnetische Flussdichte.
Die Koerzitivfeldstärke ist die zur Aufhebung der Remanenz erforderliche Feldstärke.

Der dargestellte Kurvenverlauf wird Hystereseschleife genannt (Hysterese = Verzögerung). Liegt die Erregerspule an einer sinusförmigen Wechselspannung, dann wird die Hysteresekurve in jeder Periode einmal durchlaufen. Die Molekularmagnete werden periodisch umorientiert und die Blochwände erfahren eine ständige Verschiebung. Diese Vorgänge benötigen Energie, die der elektrischen Leistung entnommen werden. Die Ummagnetisierungsleistung wird Hystereseverlust genannt und führt zur Erwärmung des Kerns. Je größer die Dichte des Kernwerkstoffs und je höher die Frequenz des Erregerstroms ist, desto mehr Hystereseverluste treten auf.

Entmagnetisierung durch Wechselfeld

Die Entmagnetisierung kann durch einen stetig abnehmenden Wechselstrom höherer Frequenz erfolgen. Dabei wird die Hystereseschleife bis zum Nullpunkt spiralartig mit immer kleineren H- und B-Werten durchlaufen.

Eine Wärmebehandlung über den Curiepunkt hinaus versetzt den Werkstoff in seinen magnetischen Urzustand. Oberhalb der Curietemperatur verliert der Werkstoff schlagartig alle seine magnetischen Eigenschaften, wovon in Thermoschaltern Gebrauch gemacht wird.
Die Curietemperatur für Eisen beträgt 770 °C, für Nickel 360 °C und für Kobalt 1115 °C. Bei speziellen Legierungen kann der Curiepunkt auch wesentlich tiefer liegen.


Ferromagnetische Werkstoffe

Weichmagnetische Werkstoffe

Weichmagnetische Werkstoffe zeichnen sich durch hohe relative Permeabilitätswerte und einer sehr guten magnetischen Leitfähigkeit aus. Sie haben kleine Ummagnetisierungsverluste und Koerzitivfeldstärken und eine schmal verlaufende Hystereseschleife. Weichmagnetische Werkstoffe werden vielseitig in der Elektrotechnik eingesetzt. Im Elektromaschinenbau werden sie als Kernmaterial der Feld- und Ankerwicklungen eingesetzt. Die meisten Magnetkerne der Spulen, Drosseln und Transformatoren sind aus weichmagnetischen Werkstoffen.

Hartmagnetische Werkstoffe

Diese Werkstoffe haben fast immer kleinere Permeabilitätswerte, aber wesentlich höhere Remanenzwerte und Koerzitivfeldstärken. Die Hystereseschleife umschließt eine große Fläche und zur Ummagnetisierung benötigt man viel Energie. Dauermagnete in Messinstrumenten, Lautsprechern und früher verwendete Magnetspeicherringe bestehen aus hartmagnetischen Werkstoffen. Die Güte eines Dauermagneten wird durch das Produkt aus Remanenz und Koerzitivfeldstärke bestimmt.

Ferrimagnetische Werkstoffe – Ferrite

Ferrite stellen eine besondere Gruppe der Magnetwerkstoffe dar. Bei höheren Betriebsfrequenzen reicht eine Lamellierung der Magnetkerne nicht mehr aus. Die Ummagnetisierungsverluste nehmen proportional mit der Frequenz zu und mit den ebenfalls zunehmenden Wirbelstromverlusten erwärmt sich der Magnetkern zu sehr. Abhilfe schafft eine weitere Verkleinerung der magnetisierbaren Bereiche in den Kernmaterialien, die gleichzeitig gegeneinander elektrische isoliert sein müssen.

Ferrite sind gesinterte Metalloxide oder Mischkristalle aus Eisenoxiden mit Zusätzen von zweiwertigen Metalloxiden wie NiO, MnO, CoO, ZnO. Mit ihren sehr hohen spezifischen Widerstandswerten verhalten sie sich wie elektrische Isolatoren. Die Wirbelstromverluste bleiben daher auch bei hohen Frequenzen sehr gering. Sie besitzen im Vergleich zu ferromagnetischen Werkstoffen kleinere relative Permeabilitätswerte.

Weichmagnetische Ferrite weisen eine schmale Hystereseschleife auf. Ihre Sättigungsinduktion liegt bei 0,35 T. Die Verluste bei der Ummagnetisierung und die Koerzitivfeldstärke sind klein. Man verwendet sie als Kernmaterial in Übertragerspulen, in Schwingkreisen, Filtern, Impulstransformatoren und elektromagnetischen Wandlern. Die Tonköpfe von Magnetaufzeichnungsgeräten bestehen aus Ferrit.

Vormagnetisierte Ferrite, sog. Ferritdauermagnete werden in Kleinstmotoren und in der Relaistechnik eingebaut. Ferrite mit hohen Koerzitivfeldstärken, etwas kleineren Remanenzwerten und Sättigungsinduktionen bis 0,2 T wurden in der Speichertechnik verwendet.