Elektromagnetisches Instrument

Elektromagnet, Vorrichtung, die aus einem Kern aus magnetischem Material besteht, der von einer Spule umgeben ist, durch die ein elektrischer Strom geleitet wird, um den Kern zu magnetisieren. Ein Elektromagnet wird überall dort eingesetzt, wo steuerbare Magnete erforderlich sind, beispielsweise bei Geräten, bei denen der Magnetfluss variiert, umgekehrt oder ein- und ausgeschaltet werden soll.

Das technische Design von Elektromagneten wird anhand des Konzepts des Magnetkreises systematisiert. In dem Magnetkreis ist eine magnetomotorische Kraft F oder Fm definiert als die Amperewindungen der Spule, die das Magnetfeld erzeugen, um den Magnetfluss in dem Kreis zu erzeugen. Wenn also eine Spule mit n Windungen pro Meter einen Strom von 1 Ampere führt, beträgt das Feld innerhalb der Spule ni Ampere pro Meter, und die magnetomotorische Kraft, die sie erzeugt, beträgt null Ampere-Windungen, wobei l die Länge der Spule ist. Bequemer ist die magnetomotorische Kraft Ni, wobei N die Gesamtzahl der Windungen in der Spule ist. Die magnetische Flussdichte B ist im Magnetkreis das Äquivalent der Stromdichte in einem Stromkreis. Im Magnetkreis ist das magnetische Äquivalent zum Strom der Gesamtfluss, der durch den griechischen Buchstaben phi ϕ symbolisiert wird, der durch BA gegeben ist, wobei A die Querschnittsfläche des Magnetkreises ist. In einem Stromkreis ist die elektromotorische Kraft (E) mit dem Strom i in dem Stromkreis durch E = Ri verbunden, wobei R der Widerstand des Stromkreises ist. Im Magnetkreis ist F = rϕ, wobei r die Reluktanz des Magnetkreises ist und dem Widerstand im Stromkreis entspricht. Die Reluktanz wird erhalten, indem die Länge des Magnetpfades l durch die Permeabilität multipliziert mit der Querschnittsfläche A geteilt wird; somit ist r = l / μA, der griechische Buchstabe mu, μ, der die Permeabilität des Mediums symbolisiert, das den Magnetkreis bildet. Die Einheiten der Reluktanz sind Amperewindungen pro Weber. Diese Konzepte können verwendet werden, um die Reluktanz eines Magnetkreises und damit den Strom zu berechnen, der durch eine Spule benötigt wird, um den gewünschten Fluss durch diesen Kreis zu erzwingen.

Einige Annahmen, die mit dieser Art der Berechnung verbunden sind, machen sie jedoch bestenfalls zu einer ungefähren Richtlinie für das Design. Die Wirkung eines durchlässigen Mediums auf ein Magnetfeld kann so dargestellt werden, dass die magnetischen Kraftlinien in sich zusammengedrängt werden. Umgekehrt neigen die Kraftlinien, die von einem Bereich hoher zu einem Bereich niedriger Permeabilität verlaufen, dazu, sich auszubreiten, und dieses Auftreten findet an einem Luftspalt statt. Somit wird die Flussdichte, die proportional zur Anzahl der Kraftlinien pro Flächeneinheit ist, im Luftspalt durch die Linien verringert, die sich an den Seiten des Spaltes ausbeulen oder säumen. Dieser Effekt nimmt bei längeren Lücken zu. Unter Berücksichtigung des Randeffekts können grobe Korrekturen vorgenommen werden.

Es wurde auch angenommen, dass das Magnetfeld vollständig innerhalb der Spule begrenzt ist. Tatsächlich gibt es immer eine bestimmte Menge an Streufluss, dargestellt durch magnetische Kraftlinien um die Außenseite der Spule, die nicht zur Magnetisierung des Kerns beitragen. Der Streufluss ist im Allgemeinen gering, wenn die Permeabilität des Magnetkerns relativ hoch ist.

In der Praxis ist die Permeabilität eines magnetischen Materials eine Funktion der darin enthaltenen Flussdichte. Daher kann die Berechnung für ein reales Material nur durchgeführt werden, wenn die tatsächliche Magnetisierungskurve oder nützlicher ein Diagramm von μ gegen B verfügbar ist.

Schließlich wird bei der Konstruktion davon ausgegangen, dass der Magnetkern nicht bis zur Sättigung magnetisiert ist. Wenn dies der Fall wäre, könnte die Flussdichte im Luftspalt bei dieser Konstruktion nicht erhöht werden, unabhängig davon, wie viel Strom durch die Spule geleitet wurde. Diese Konzepte werden in den folgenden Abschnitten zu bestimmten Geräten weiter ausgebaut.