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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Spule: Sättigung von Luft


Autor: Sebastian Hepp (sebihepp)
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Hallo,

ich habe mir den Artikel zu Spulen durchgelesen. Dort wird von der 
Sättigung gesprochen und auch gleich ein paar Werte verschiedener 
Materialien genannt. Aber wie sieht das bei Luft aus? Gar keine 
Sättigung?

Viele Grüße
Sebihepp

Autor: Jens G. (jensig)
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jo - gar kein bißchen (vielleicht knapp vor Unendlich)

Autor: A. R. (redegle)
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Eigendlich ist die Sättigung ein Sonderfall.

Wenn ein magnetisches Feld existiert. So erzeugt dieses einen 
magnetischen Fluss.

In der Luft oder im Vakuum ist das Verhältniss zwischen Feld und Fluss 
durch die Permeabilität bestimmt.

Bei Eisen ensteht bei selber Feldstärke mehr Fluss als bei Luft. Dies 
gilt aber nur in bestimmten Grenzen. Wenn diese überschritten werden 
spricht man von Sättigung.

http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Pe...

Im Vakuum ist das Verhältniss zwischen Feld und Fluss eine gerade.
Bei Eisen ist die Steigung am Anfang sehr stark später flacht die 
Funktion ab.

Autor: Andreas K. (derandi)
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Bringt dir mal Permeabilität und Sättungsfeldstärke nicht durcheinander.

Autor: Sebastian Hepp (sebihepp)
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Hmm, ich habe mich nämlich gefragt ob eine Speicherspule mit Luftkern 
möglich ist?

Autor: Simon K. (simon) Benutzerseite
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Soweit ich weiß ja, allerdings benötigt man zu viele Windungen/zu Viel 
Draht. Bzw. die Größe der Spule wäre riesig.

Autor: Michael (Gast)
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Sebastian Hepp schrieb:
> Hmm, ich habe mich nämlich gefragt ob eine Speicherspule mit Luftkern
> möglich ist?

Möglich ja, aber die geometrische Größe einer Luftspule ist erheblich 
höher (nicht nur Faktor 2-3, eher so Faktor 100-1000) als die einer 
Spule mit Eisenkern bei gleicher Induktivität.

Autor: Nils (Gast)
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> Hmm, ich habe mich nämlich gefragt ob eine Speicherspule mit Luftkern
> möglich ist?
Als Speicher dient ein ferroelektrischer Kern. Daher nein.

> Soweit ich weiß ja, allerdings benötigt man zu viele Windungen/zu Viel
> Draht. Bzw. die Größe der Spule wäre riesig.
Sicher, Simon und Michael? Wenn ich eine Spule aus Kupferdraht habe, 
gibt es keine Festkörperstrukturen, die einen Magnetisierungszustand 
speichern können.

Mal grundsätzlich, jenseits der Begriffe der Magnetostatik:
Um in einem Material eine dauerhafte Magnetisierung zu erzeugen, muss 
das Material gewisse Strukturen mitbringen, so dass eine Magnetisierung 
eine energetische Veränderung des Materials bewirken kann. Im Falle des 
Ferromagnetismus sind dies Festkörperstrukturen, die sich in einem 
Bereich von einigen hundert Atomen zu einer Struktur formieren (die 
Weißschen Bezirke). Die Neuausrichtung dieser Strukturen entspricht 
einem Informationszuwachs (und damit einer Verminderung der Entropie).
Das können nur wenige Materialien - das ist ein Effekt, der auf 
speziellen Eigenschaften von Festkörpern beruht.

Ein klassisches Gas (Luft) kann solche Eigenschaften niemals aufweisen, 
weil die einzige Wechselwirkung durch Stöße zustande kommt - auch ein 
Gas, dass über eine merkliche Permeabilität verfügt, könnte eine solche 
Korrelation niemals aufrecht erhalten.

Autor: Michael (Gast)
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Nils schrieb:
> Mal grundsätzlich

Mal grundsätzlich: Jedwede Energie im Eisenkern tut nur eines: Verluste 
erzeugen. Es ist die Induktivität, die ein Maß für die Energie darstellt 
und nicht die Magnetisierung. Das zeigt auch die bekannte Formel:

Wenn du nun sagst, dass eine Luftspule keine Energie speichern kann 
sagst du im Prinzip, dass sie keine Induktivität besitzt. Das ist aber 
nicht der Fall wie wir ja alle wissen. Keine Frage, die Energie einer 
Luftspule ist verdammt gering ;).

Autor: Nils (Gast)
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Michael - sie speichert Energie - aber doch nicht permanent.
Das sieht man ja an der Formel:
I = dQ/dt und daher im stationären Fall w = 0.
Anders gesprochen: Die Energiespeicherung in einem Magnetfeld, erzeugt 
durch eine Spule beruht auf ein nichtverschwindendes dQ/dt.

Es gibt einen Idealfall, in dem sich das Magnetfeld einer Spule 
einfrieren lässt - die Supraleitung. Aber das taucht in der 
Elektrodynamik nur als Grenzfall (Ginsburg-Landau) auf - es ist eher ein 
typisch quantenmechanischer Effekt.

Die Bemerkung von Sebastian zielte ja auf den Vergleich von 
ferromagentischen Kernen und Luft, also einem Gas - und ein klassisches 
Gas kann seine Energie nicht minimieren, so wie es bei der 
Neuausrichtung von Weißschen Bezirken passiert.

Autor: Michael (Gast)
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Nils schrieb:
> Michael - sie speichert Energie - aber doch nicht permanent.

Das macht auch eine Eisenspule nicht.

Nils schrieb:
> Anders gesprochen: Die Energiespeicherung in einem Magnetfeld, erzeugt
> durch eine Spule beruht auf ein nichtverschwindendes dQ/dt.

Auch das ist klar, eine Spule kann nur Energie speichern wenn Strom 
fließt....das gilt für Eisen- und Luftspulen...war das der klassische 
Beinschuss nun? ;)

Autor: Nils (Gast)
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@Michael:
> Wenn du nun sagst, dass eine Luftspule keine Energie speichern kann
> sagst du im Prinzip, dass sie keine Induktivität besitzt.

w = 0 -> L = 0 ist ein Trugschluss, da L als abgeleitete Materialgröße 
nicht verschwinden kann
w = 0 -> I = 0 ist die korrkete Deutung

> Auch das ist klar, eine Spule kann nur Energie speichern wenn Strom
> fließt....das gilt für Eisen- und Luftspulen...war das der klassische
> Beinschuss nun? ;)

Was denn nun? Vorher hast Du behauptet Speichern wären ohne Stromfluss 
möglich und nu?
Ich behaupte, zum dauerhaften Speichern brauchst Du Materialien, die 
aufgrund von Festkörpereigenschaften einen energetisch günstigeren 
Zustand einnehmen können. Das sind eben jene Ferrit-Speicherkerne, die 
sich auch nach Ausschalten des Stromflusses auslesen lassen.

Sebastian hat doch klar auf das Speichern in Luft abgehoben.
Möchtest Du jetzt mit mir Maxwell-Theorie spielen?

Autor: Ulrich (Gast)
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Es geht auch mit einer Luftspule, aber wie oben schon gesagt, ist die 
entsprechende Luftspule mechanisch relativ groß. Bei größerer Leistung 
(z.B. Schweißgeräte) werden zum Teil auch Luftspulen verwendet. So viel 
größer muß die Luftspule auch nicht werden, denn Spulen mit einem echt 
geschlossen Kern und hoher Permeabilität sind kaum also Speicherspulen 
geeigent, weil sie zu früh in Sättigung gehen. Ab einer gewissen Größe 
braucht man daher einen Luftspalt.

Bei einer Spule mit Ferromagnetischem Kern und Luftspalt wird übrigens 
die meiste Energie im Luftspalt gespeichert und nicht im Kern.

Autor: A. R. (redegle)
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Die Aussage, dass bis jetzt nur Feststoffe eine magnetische Energie 
speichern können ist korrekt.

Jedoch ist dies eine Eigenschaft, welche bei eine Speicherspule 
unerwünscht ist.

Denn es muss Energie aufgebracht werden, um diesen dauerhaften 
Energiespeiche zu laden und zu entladen.

Die Energie im Magnetfeld ist unabhängig von der dauerhaften Energie im 
Kernmaterial. Diese ist nur abhängig von der Induktivität sowie vom 
Strom.

Autor: Nils (Gast)
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@Ulrich:
Das sind doch aber Systeme, die ständig 'gepumpt' werden:
Ähnlich wie ein Kondensator elektr. Energie speichert, werden in Deinem 
Beispiel Spulen genutzt, um magnet. Energie zu speichern und diese bei 
'Zusammenbruch' wieder als Strom abzugeben.
Verstehe ich Dich da richtig?
Aber damit wird doch nicht dauerhaft Information gespeichert, so wie in 
einem Ferrit-Speicher.

Autor: Nils (Gast)
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@ A. R.
> Die Energie im Magnetfeld ist unabhängig von der dauerhaften Energie im
> Kernmaterial. Diese ist nur abhängig von der Induktivität sowie vom
> Strom.
Das Kernmaterial ist nach Maxwell eine Materialeigenschaft und sollte 
daher in das L mit einfließen - korrigiere mich bitte, wenn ich verkehrt 
liegen sollte.

Nachtrag:
Eigentlich bin ich mir sicher, dass das Kernmaterial per Müh-R mit 
einfliesst - ansonsten wäre ja der Anschluss der Elektrodymamik an die 
Thermodymamik und damit jede Energiebetrachtung nicht möglich.

Autor: GGaasstt (Gast)
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Nils: Diese Remanenz von Ferromagnetika ist für Informationsspeicherung 
wichtig.
Diese Anwendung hat mit der Anwendung als Energiezwischenspeicher 
beispielsweise in einem Schaltwandler überhaupt nichts gemein.

Gruß
Dennis

Autor: Nils (Gast)
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Hallo Dennis,

darauf wollte ich hinaus.

Gruß,
Nils

Autor: Michael (Gast)
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Nils schrieb:
> Was denn nun? Vorher hast Du behauptet Speichern wären ohne Stromfluss
> möglich und nu?

Wo hab ich das behauptet?

Autor: Olaf (Gast)
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> Hmm, ich habe mich nämlich gefragt ob eine Speicherspule mit
> Luftkern möglich ist?

Nach soviel toller Theorie kann ich dir bestaetigen das es auch in
der Praxis moeglich ist. :-)

Ich hab so vor 20Jahre mal einen Wandler 12V->24V 3-4A gebaut. Mit einem 
TL497. Die Spule war ein selbstgewickelter Klotz mit ungefaehr 5-6cm 
Kantenlaenge.
Ich hab damit meinen WTCP im Auto betrieben. Allerdings bin ich spaeter 
darauf gekommen das der Loetkolben auch mit 12V funktioniert. Er hat 
dann zwar deutlich weniger Leistung, aber fuer ein paar Kabel fuers 
Autoradio reicht es.

Olaf

Autor: Michael (Gast)
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Olaf schrieb:
> Nach soviel toller Theorie kann ich dir bestaetigen das es auch in
> der Praxis moeglich ist. :-)

Klar geht es, Nils hat bei Speicherspule nur nicht an Energiespeicher 
wie man ihn beim Step-Up/ Step-Down Wandler benötigt gedacht sondern 
eher an Informationsspeicher wie eine Speicherzelle einer SD-Karte. Das 
geht mit einer Luftspule natürlich nicht mangels Material, dass über 
länger Zeit die Magnetisierung behält.

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