Grundlagen Magnetismus & Induktion

Magnetfeld

Bereich um einen elektrischen Stromleiter oder magnetische Materialien, in dem magnetische Phänomene (Anziehung, Abstoßung) auftreten.

Visualisierung von Feldlinien

Um seine Form sichtbar zu machen, streut man Eisenspäne auf einen Karton, der über einen Magneten gelegt wird. Die Späne richten sich entlang bestimmter Linien aus, den sogenannten Feldlinien oder Induktionslinien.

Feldlinien

Eine Feldlinie stellt den Weg dar, dem ein gedachter, einzelner magnetischer Nordpol folgen würde, wenn er sich frei im Magnetfeld bewegen könnte. Außerhalb des Magneten verlaufen die Feldlinien per Definition vom Nord- zum Südpol.

Magnetfeldstärke

Die magnetische Induktion (auch Flussdichte genannt) quantifiziert die Stärke des Magnetfelds. Sie ist eine Vektorgröße, deren Wert vom umgebenden Medium abhängt. Die magnetische Induktion ist tangential zu den Feldlinien.

Einheiten im SI-System: Tesla (T). Eine ältere Einheit ist Gauß (G). Es gilt: 1 T = 10⁴ G.

Feld eines geraden Leiters

Ein gerader, stromdurchflossener Leiter erzeugt ein zylindrisches Magnetfeld. Die Feldlinien sind konzentrische Kreise um den Leiter.

Feld einer Spule/eines Torus

Bei einer stromdurchflossenen Spule (oder einem Torus) verlaufen die Feldlinien konzentrisch durch die Spulenöffnung.

Magnetischer Fluss

Der magnetische Fluss (Φ) beschreibt die Gesamtzahl der Feldlinien, die eine bestimmte Fläche 'S' senkrecht durchdringen, wenn diese in ein Magnetfeld 'B' gebracht wird. Einheiten: Weber (Wb) im SI-System, Maxwell (Mx).

Elektromagnetische Induktion

Erzeugung einer elektromotorischen Kraft (EMK) mithilfe eines Magneten und einer Spule.

Prinzip der Stromerzeugung

Ein elementarer elektrischer Generator besteht aus: Magnet, Spule und einer relativen Bewegung zwischen beiden (Verschiebung oder Rotation).

Induktionsprinzip

Ändert sich der magnetische Fluss, der eine Spule durchdringt, wird in ihr eine Spannung (EMK) induziert. Diese induzierte Spannung erzeugt einen Strom, dessen eigenes Magnetfeld der ursprünglichen Flussänderung entgegenwirkt (Lenzsche Regel).

Methoden zur Flussänderung

• Bewegung des Leiters/der Spule (Induktor) im Magnetfeld (Translation oder Rotation) -> Generator/Dynamo.
• Änderung des Stroms in einer benachbarten Spule (Induktivität) -> Transformator.

Anwendungen der Induktion

• Erzeugung von elektrischem Strom (Generator, Dynamo)
• Umwandlung von elektrischem Strom/Spannung (Transformator)
• Geschwindigkeitssensoren
• Impulsgeneratoren

Wechselstromgenerator (vereinfacht)

Ein rotierender Elektromagnet (Rotor) erzeugt ein sich änderndes Magnetfeld. Dieses induziert in den feststehenden Ankerspulen (Stator) eine Wechselspannung.

Selbstinduktion

Fließt ein zeitlich veränderlicher Strom durch eine Spule, erzeugt dieser ein ebenfalls zeitlich veränderliches Magnetfeld. Dieses veränderliche Magnetfeld durchdringt die Spule selbst und induziert darin eine Spannung (EMK der Selbstinduktion). Diese Spannung wirkt der ursprünglichen Stromänderung entgegen.

Beim Ein- oder Ausschalten eines Gleichstromkreises mit einer Spule ändert sich der Strom kurzzeitig (von Null auf einen konstanten Wert oder umgekehrt). Während dieser Änderung wird ebenfalls eine EMK durch Selbstinduktion erzeugt.

Transformator

Ein Transformator besteht im Wesentlichen aus zwei Spulen (Wicklungen), die auf einem gemeinsamen Eisenkern angebracht sind. Die Spule, an die die Eingangsspannung angelegt wird, heißt Primärspule. Die Spule, an der die Ausgangsspannung abgenommen wird, heißt Sekundärspule.

Lorentzkraft auf Leiter

Ein stromdurchflossener Leiter ('I') erfährt in einem externen Magnetfeld ('B') eine Kraft (Lorentzkraft).

Die Richtung dieser Kraft kann mit der Linke-Hand-Regel (für technische Stromrichtung) oder der Rechte-Hand-Regel (für die Bewegungsrichtung positiver Ladungsträger) bestimmt werden.