Elektromagnet

Grundidee und Wirkprinzip

Ein Elektromagnet ist eine Spule, in der durch elektrischen Strom ein magnetisches Feld entsteht. Häufig befindet sich in der Spule ein offener Eisenkern oder ein anderes ferromagnetisches Material. Ferromagnetisch bedeutet, dass ein Stoff ein Magnetfeld stark bündeln und verstärken kann. Die Stärke des erzeugten Magnetfeldes ist proportional zur Stromstärke durch die Wicklung.

Ein stromdurchflossener Leiter erzeugt in seiner Umgebung ein Magnetfeld. Bei einer Spule addieren sich die Magnetfelder der einzelnen Windungen zu einem Gesamtfeld. Die Richtung der Feldlinien kann mit der Korkenzieherregel oder Rechte-Hand-Regel bestimmt werden: Zeigt der abgespreizte Daumen in die technische Stromrichtung vom Plus- zum Minuspol, dann zeigen die Finger die Richtung der magnetischen Feldlinien. Die Feldlinien treten am magnetischen Nordpol aus dem Eisenkern aus und am magnetischen Südpol wieder ein.

Die magnetische Flussdichte ist im Inneren der Spule, besonders im Zentrum, am größten. Außerhalb der Spule ist sie geringer und nimmt mit der Entfernung schnell ab. Deshalb wirken Elektromagnete besonders stark nur bei kleinen Abständen.

Soll ein Elektromagnet Arbeit verrichten, muss der Magnetkreis ferromagnetisch und inhomogen sein, also eine Unterbrechung oder einen Luftspalt enthalten, der durch die Arbeit kleiner werden kann. Nach der Lenzschen Regel ist eine Kraft oder Bewegung so gerichtet, dass sie ihrer Ursache entgegenwirkt. Ein Magnetkreis um eine stromdurchflossene Spule versucht daher, seinen magnetischen Widerstand zu verringern und Luftspalte zu schließen. Dabei steigt die Induktivität, und in der Spule wird eine Spannung induziert, die die gleiche Polarität wie die Speisespannung hat; der Strom verringert sich während des Zueinander-Bewegens der Eisenteile. Die festen Teile des Magnetkreises heißen Joch, bewegliche Teile können zum Beispiel Zuganker, Klappanker oder transportierte Eisenteile sein.

Theoretische Beschreibung

Das Magnetfeld jedes stromdurchflossenen Leiters wird durch das Biot-Savart-Gesetz beschrieben. Für eine lange elektromagnetische Spule der Länge l in Metern, der Windungszahl n und dem Strom I in Ampère ergibt sich im Inneren die magnetische Feldstärke H in Ampère pro Meter zu:

H = I · n/l

Die magnetische Flussdichte B in Tesla ergibt sich zu:

B = μ0 · μr · I · n/l

Dabei ist μ0 die magnetische Feldkonstante. μr ist die relative Permeabilität des Raumes oder Materials in der Spule. Permeabilität beschreibt, wie gut ein Material ein Magnetfeld leitet oder verstärkt. Im Vakuum gilt definitionsgemäß μr = 1; in Luft liegt μr ebenfalls sehr nahe bei 1. In ferromagnetischen Materialien kann μr dagegen Werte zwischen 4 und 15.000 erreichen, bis die materialabhängige magnetische Sättigung eintritt. Magnetische Sättigung bedeutet, dass ein Material durch ein stärkeres äußeres Feld kaum noch zusätzlich magnetisiert werden kann.

Betätigungsmagnete und Bauformen

Elektromagnete gibt es in verschiedenen Bauformen. Zug-, Druck- und Klappankermagnete dienen der Betätigung, Kupplungsmagnete der Kupplung, Halte- und Transportmagnete dem Festhalten oder Bewegen von ferromagnetischen Gegenständen. Zug- und Druckmagnete besitzen stabförmige Anker. Schütz-Betätigungsspulen besitzen I- oder T-förmige Anker und ein E-förmiges Joch. Beim Klappanker schwenkt ein abgewinkeltes Ankerblech um eine Kante des Jochs. Bei Magnetkupplungen ist der Anker eine Scheibe. Halte- und Transportmagnete verwenden das Transportgut selbst als „Anker“, zum Beispiel bei Magnetscheidern oder Magnetkranen.

Bei Gleichspannung ist die Kraft-Weg-Kennlinie stark nichtlinear. Wenn sich Anker und Joch berühren, ist die Kraft am größten; mit wachsender Entfernung sinkt sie nahezu hyperbolisch ab. Ursache ist die steigende magnetische Flussdichte bei kleiner werdendem Luftspalt. Weil die Kraft am Anfang der Bewegung gering ist, eignen sich solche Magnete nicht gut für Fälle, in denen sofort eine große Kraft nötig ist. Mögliche Lösungen sind eine überhöhte Spannung als Anzughilfe oder besondere Formen der Magnetpole. Andrehungen erhöhen die Kraft auch bei großen Hüben. Proportionalmagnete, etwa für Proportionalventile, besitzen einen magnetischen Nebenschluss, der bei kleiner werdendem Abstand wirksam wird.

Bei Wechselspannung ist das Verhalten anders: Ein großer Luftspalt verringert die Induktivität und erhöht dadurch den Stromfluss beim Anziehen. Wechselstrom-Zugmagnete sowie Relais- und Schützspulen haben deshalb schon zu Beginn des Anziehens eine große Kraft. Damit die Kraft bei den Strom-Nulldurchgängen erhalten bleibt, kann eine Kurzschlusswindung als Spaltpol eingesetzt werden. Sie erzeugt in einem Teil des Magnetkreises ein phasenverschobenes Magnetfeld. Alternativ gibt es Drehstrom-Zugmagnete, die drei getrennte Schenkel von Joch und Anker benötigen.

Beim Abschalten des Stroms können durch Selbstinduktion Überspannungen entstehen. Diese können Funken oder Lichtbögen hervorrufen und Schalter zerstören. Als Schutz werden bei Gleichstrom Schutzdioden eingesetzt, bei Wechselstrom Varistoren, antiseriell geschaltete Z-Dioden beziehungsweise Leistungs-Suppressordioden und Boucherotglieder.

Relais, Schütze und bewegte Spulen

Elektromechanische Relais sind meist mit einem Klappankermechanismus aufgebaut. Der Anker betätigt über einen Hebel einen oder mehrere Kontakte. Relais gibt es mit Gleichstrom- oder Wechselstromspulen. Ein Schaltschütz verwendet meist Tauchanker-Elektromagnete für Gleich- oder Wechselstrom. Weil beim Schütz größere Kräfte zum Schließen der Kontakte nötig sind als beim Relais, sind die Elektromagnete größer.

Tauchankermagnete ziehen einen Eisenkern in eine feststehende Spule hinein. Sie werden in Schaltschützen eingesetzt und sowohl für Gleichstrom- als auch Wechselstrombetrieb gebaut.

Tauchspulmagnete arbeiten anders: Bei ihnen bewegt sich eine Spule, meist eine Zylinderspule, im Luftspalt eines Dauermagneten. Die Bewegung entsteht durch die Lorentzkraft, also die Kraft auf stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld. Ein üblicher englischer Begriff ist voice coil, weil solche Anordnungen in Mikrofonen oder Lautsprechern vorkommen. Tauchspulmagnete haben gegenüber vielen anderen Bauformen eine nahezu lineare Kraft-Weg-Kennlinie, abhängig von den technischen Randbedingungen. Ihre bewegte Masse ist gering, daher ist ihre Dynamik hoch. Die erreichbare Kraft pro Masse ist jedoch geringer.

Elektromagnete ohne bewegten Anker werden meist nicht einfach als Elektromagnet bezeichnet. Wichtige Bezeichnungen sind Solenoid für eine Zylinderspule, Helmholtz-Spule, Ablenkmagnet und Dipolmagnet.

Hochfeldmagnete und Pulsbetrieb

Besonders hohe magnetische Flussdichten können mit Scheibenwindungen erreicht werden. Dabei besteht jede Windung aus einer geschlitzten Kupferscheibe. Eisenkerne können dafür nicht verwendet werden, weil sie schon bei 2 Tesla in Sättigung gingen. Die Scheiben werden elektrisch durch Isolationsschichten getrennt und zu einem Plattenstapel zusammengesetzt. Solche Magnete heißen Bittermagnete, die Scheiben Bitter disk. Sie wurden 1933 vom amerikanischen Physiker Francis Bitter erfunden.

Bei Scheibendurchmessern von etwa 40 cm, Bohrungsdurchmessern von etwa 5 cm, Scheibendicken von etwa 2 mm, Strömen bis 20 kA, etwa 250 Scheiben und großem Aufwand an Wasserkühlung lassen sich Flussdichten bis 16 Tesla erreichen; bei 3 cm Bohrungsdurchmesser bis zu 19 Tesla. Der elektrische Leistungsbedarf kann 5 MW erreichen, etwa 1 V je Windung. Solche Magnete halten Rekorde bei künstlichen kontinuierlichen Magnetfeldern. Genannt werden 37,5 T im High Field Magnet Laboratory in Nijmegen bei 32 mm Bohrung. Hybridmagnete kombinieren einen supraleitenden Magneten mit einem Bittermagneten. Im National High Magnetic Field Laboratory in Florida/USA wird mit 45 T das stärkste künstliche kontinuierliche Feld der Welt erreicht: Eine 33,5-Tesla-Scheibenmagnetspule mit 32 mm Bohrung befindet sich in einem 11,5-Tesla-supraleitenden Magneten. Der Leistungsbedarf beträgt 30 MW.

Im Pulsbetrieb können kurzzeitig sehr hohe Flussdichten erreicht werden, weil die Wärme zunächst im Spulenwerkstoff gespeichert wird. Die Spulen müssen mechanisch stabilisiert werden, etwa durch Faserverbundwerkstoffe, hochfeste Drähte wie kupferplattierten Stahl oder Berylliumbronze und Bandagen aus Stahlband. Die Strompulse kommen aus Kondensatoren. Pulsdauern liegen bei einigen Millisekunden. Wiederverwendbare, mit flüssigem Stickstoff gekühlte Pulsmagnetspulen sind für Hochfelduntersuchungen bis etwa 100 Tesla möglich und werden unter anderem am Institut Hochfeld-Magnetlabor Dresden entwickelt und erprobt. Bei der Magnetumformung werden Pulsmagnetspulen ebenfalls genutzt; die Felder sind dabei gedämpfte Schwingungen im zweistelligen kHz-Bereich, die Pulsdauern betragen weniger als 100 µs. Bei Experimenten mit einigen tausend Tesla wird oft akzeptiert, dass die Spulen bei jedem Versuch mechanisch oder thermisch zerstört werden.

Eigenschaften und Anwendungen

Gleichspannungsmagnete und Wechselspannungsmagnete unterscheiden sich in mehreren Eigenschaften. Gleichspannungsmagnete haben eine konstant hohe Stromaufnahme, längere Schaltzeiten und benötigen beim Abschalten oft Schutz des Schaltelements, zum Beispiel durch eine Freilaufdiode. Mit Freilaufdiode entsteht eine große Abfallverzögerung. Außerdem ist ein Restluftspalt als Klebeschutz erforderlich. Ihre Schaltzeit kann durch Überspannung verringert werden. Wechselspannungsmagnete haben eine Stromaufnahme, die stark von der Ankerstellung abhängt, schalten schnell und benötigen oft ein Entstörglied, etwa ein Boucherotglied. Ihre Abfallverzögerung ist gering. Zur Vermeidung von Brumm-Geräuschen ist ein Spaltpol erforderlich; die Schaltzeit ist nicht beeinflussbar.

Elektromagnete mit ferromagnetischem Kern werden unter anderem in Relais und Schützen, Türöffnern, Summern, Tür-Gongs, Magnetkupplungen, Bremsen, Zug- und Schubmagneten, Magnetkranen, Magnetschienenbremsen, Weichenstellungen, Membranpumpen, Dosierpumpen, Schwingförderern, Elektromotoren, Generatoren, Magnetscheidern, Teilchenbeschleunigern, Elektronenmikroskopen, Elektronenstrahlschweißen, Bildröhren, Einspritzinjektoren von Dieselmotoren mit Common-Rail-Verfahren und Magnetfiltern eingesetzt. In der Augenheilkunde werden Elektromagnete seit 1885 verwendet, eingeführt von Julius Hirschberg.

Spulen ohne ferromagnetisches Kernmaterial dienen zum Beispiel der Felderzeugung für Wanderfeldröhren, als Induktoren für Induktionsöfen und induktive Erwärmung, als Betätigungsspulen für Reedkontakte, als supraleitende Magnete in Kernspinresonanz-Tomografen und in der Forschung, etwa in Kernfusionsreaktoren mit magnetischem Einschluss. Außerdem werden sie für Hochfeld-Untersuchungen im Impulsbetrieb, Magnetumformung, Schweißen, Fügen und Schneiden von Metallen mit starken gepulsten Wechselfeldern sowie als Bittermagnete und Helmholtz-Spulen verwendet. Aus Helmholtz-Spulen entwickelte Fanselau-Spulen sowie Braunbek-Spulen und -systeme erzeugen homogene magnetische Gleichfelder und niederfrequente Wechselfelder.