Software: FEM - Tutorial - Magnetfeld - Physik
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Physik des Magnetfeldes
Ein Stromdurchflossener Leiter ist immer mit einem Magnetfeld verknüpft. Die grundlegenden physikalischen Zusammenhänge werden im Folgenden kurz dargestellt.
- Wirbelfeld
- Die Feldlinien des magnetischen Feldes bilden geschlossene Linien um den stromdurchflossenen Leiter.
- Magnetischer Kreis
- Das ist der gesamte vom Magnetfeld erfüllte Raum um den stromdurchflossenen Leiter.
- Magnetischer Fluss [Φ]=V·s (=Wb)
- Das ist die gesamte in sich geschlossene Erscheinung, welche den Strom "umwirbelt" - die Richtung des Flusses ist mit der positiven Richtung des Stromes über eine "Rechtsschraube" verbunden.
- In Wirklichkeit "strömt" bzw. "wirbelt" nichts, sondern es handelt sich nur um die Charakterisierung eines Raumzustandes!
- Magn. Flussdichte (Induktion) [B=dΦ/dA┴] = V·s/m² (=T)
- Man spricht von "Quellenfreiheit", weil keine "magnetischen Ladungen" existieren und die Fluss(dichte)-Linien immer in sich geschlossen sind:
- ΣΦin=ΣΦout - der gesamte in ein Volumen-Element "hineinströmende" Fluss ist gleich der Menge des "herausströmenden" Flusses.
- Hülle∫B·dA=0 - das Hüllenintegral der Induktion über die Oberfläche eines Volumen-Elements ist Null.
- Magnetomotorische Kraft (Durchflutung) [Θ] = A
- Die MMK ist gleich der Summe der umschlossenen Ströme, wenn man einen beliebigen geschlossenen Weg s im Magnetkreis betrachtet:
- Θ = Σix - die Ströme werden als "antreibende Kraft" für den Fluss entlang des betrachteten Weges im magnetischen Kreis interpretiert.
- Umlauf∫B·ds=µ0·Σix - das Umlaufintegral der Flussdichte entlang dieses Weges ist in Vakuum immer proportional zur Summe der umschlossenen Ströme (zur MMK).
- Induktionskonstante µo = 4·π·10-7 V·s/(A·m)
- Umlauf∫B·ds=µ0·Θ
- µ0 ist die Naturkonstante, welche das Umlaufintegral der Flussdichte längs eines Weges mit dem Wert der umschlossenen MMK verknüpft.
- c-2 = µ0·ε0
- Die enge Verknüpfung zwischen magnetischem und elektrischem Feld wird deutlich über den Zusammenhang zwischen Vakuum-Lichtgeschwindigkeit, Induktions- und Influenzkonstante.
- Permeabilität
- Legt man den Weg für das Umlaufintegral nicht durch Vakuum, sondern durch Ferromagnetika (Eisen, Nickel, Kobalt, Kupfermangan-Legierungen), so ist der Wert des Umlaufintegrals von B wesentlich größer als µ0·Σix:
- d.h. bei gleichem el. Strom sind der magn. Fluss bzw. die Flussdichte wesentlich größer als in Vakuum (oder in nicht ferromagnetischen Stoffen).
- relative Permeabilität: dimensionsloser Faktor µr, welcher die magnetische Eigenschaft des jeweiligen Stoffes im Vergleich zum Vakuum charakterisiert.
- absolute Permeabilität: µ = µr·µ0 mit der Einheit V·s/(A·m)