Spule als Elektromagnet

Eine Spule wirkt als Elektromagnet. Sie erzeugt eine Anziehungskraft wie ein Stabmagnet. Die Intensität der Kraft ist proportional zum Spulenstrom. Intensität und Richtung der Magnetkraft werden über Amplitude und Vorzeichen des Stroms vorgegeben. Der Elektromagnet ist in seiner Wirkung steuerbar.

Magnetfeld

Der Spulenstrom bewirkt ein Magnetfeld. Ein Feld beschreibt eine Kraftwirkung im Raum. Das Feld kann nur über diese Kraftwirkung nachgewiesen werden. Wenn man eine Kompassnadel in ein Magnetfeld hält, dann richtet sich die Nadel in Richtung des Felds aus, weil dahin eine Kraft auf die Nadel wirkt. Die Wirkung des Felds wird mit Hilfe von Feldlinien grafisch beschrieben. Feldlinien sind Pfeile, die entlang der Wirkrichtung verlaufen. Je dichter die Feldlinien gezeichnet werden, desto intensiver ist das Feld an der Stelle im Raum. Das folgende Bild zeigt grob vereinfacht das Feld eines Stabmagneten anhand weniger Feldlinien:

Magnete weisen einen magnetischen Nordpol und einen magnetischen Südpol an. Unterschiedliche Pole ziehen sich an, gleiche stoßen sich ab.

Das Feld eines Stabmagneten wirkt überall im Raum. Die Intensität sinkt mit dem Abstand von der Quelle. Eine Kompassnadel wird sich in diesem Feld an jedem Ort unterschiedlich ausrichten. Sie zeigt immer in Richtung der Feldlinien. Die Wirkung von Magnetkräften in Feldern kann auch mit Metallspänen gezeigt werden, die sich entlang der Feldlinien ausrichten. Siehe dazu folgenden Link mit guten Grafiken.

Magnetischer Fluss

Das Magnetfeld wird durch den magnetischen Fluss mathematisch beschrieben. Der magnetische Fluss erzeugt die Magnetkraft. Ohne Herleitung gilt für den magnetischen Fluss einer Spule:

Der magnetische Fluss hängt von der Windungszahl N, von einem Materialparameter und von Geometrieparametern ab. Es sind die gleichen Parameter, die auch die Induktivität der Spule beschreiben. Es gilt

Der magnetische Fluss ist in Phase mit dem Strom. Er weist die gleiche Signalform ohne Zeitverschiebung auf. Er kann als eine Art magnetischer Strom beschrieben werden, der ähnlich wie der elektrische Strom wirkt. Magnetische Felder sind komplex, ich gehe hier nicht weiter auf sie ein. Nehmen Sie an dieser Stelle bitte einfach zur Kenntnis, dass es einen magnetischen Fluss gibt, der die Magnetkraft des Elektromagneten hervorruft.

Magnetfeldrichtung

Es gilt folgende Richtungskonvention zwischen Stromflussrichtung und Magnetfeld-Polarität:

Wir schauen auf den Kern auf seine Querschnittsfläche. Wird die Spule jetzt gegen den Uhrzeigersinn vom elektrischen Strom durchflossen, so entsteht an dieser Spulenseite ein magnetischer Nordpol. Schaut man auf ein Spulenende und wird dieses im Uhrzeigersinn vom elektrischen Strom durchflossen, so entsteht dort ein magnetischer Südpol.

Allgemein: Umfassen wir mit der rechten Hand die Windungen der Spule. Die Finger (außer dem Daumen) sind entlang der Windungen in technischer Stromrichtung ausgerichtet. Der Daumen zeigt dann in Richtung des magnetischen Nordpols der Spule.

Magnetische Induktion

Die Spule erzeugt nicht nur ein magnetisches Feld, sie wird auch von magnetischen Feldern beeinflusst. Ein veränderliches Magnetfeld induziert eine Spannung in die Spule. Je schneller die Änderung des Magnetfelds ist, desto höher ist die Spannung. Je stärker die Intensität des Magnetfelds ist, desto größer ist die Spannung. Die Spannung der Spule wird von dem Magnetfeld vorgegeben, das im Spulenkern vorhanden ist. Es gilt allgemein:

Diese Gleichung wird als Induktionsgesetzt an einer Spule bezeichnet. Sie kann experimentell nachvollzogen werden. Wenn ein Stabmagnet in der Nähe einer Spule bewegt wird, ändert sich dessen Magnetfeld im Spulenkern. Dann kann an den Spulenanschlüssen eine Spannung U gemessen werden.

Das Feld im Kern kann auch das Feld sein, dass die Spule selbst durch den Spulenstrom erzeugt hat. Dann gilt:

Das war die Herleitung der Spulengleichung aus Grundlagen der Elektrotechnik mit Hilfe des magnetischen Flusses. Lesen Sie dazu auch diesen guten Wikipedia-Eintrag.

Zusammenfassung

Die Spule erzeugt ein Magnetfeld, wenn Strom durch die Wicklungen fließt. Es wird eine Spannung an den Spulenanschlüssen induziert, wenn ein zeitlich veränderliches Magnetfeld im Kern vorliegt. Entweder wird das Feld im Kern dadurch erzeugt, dass Strom durch den Draht der Spule fließt. Ist dieses Feld zeitlich veränderlich, wird durch dieses Feld eine Spannung in die Spule induziert. Oder ein äußerer Magnet wird in der Nähe der Spule bewegt, so dass sich dadurch das Magnetfeld im Kern zeitlich ändert und eine Spannung induziert wird. Beide Effekte können sich auch überlagern.

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