Hallo,
aus dem Grundlagenartikel Spulen :
"Wenn in einer Spule aufgrund der Anwendung eine nennenswerte Menge
Energie gespeichert werden muss, benötigt sie einen Luftspalt. Der
Großteil der Energie wird dann nicht mehr direkt im Kernmaterial
(welches sättigen kann), sondern im Luftspalt gespeichert."
das dies so ist ist ja Fakt.
Aber warum ? Ich kann mir nicht vorstellen wie im Luftspalt Energie
gespeichert wird.
Was für Zustände (Veränderungen) finden in den Luftspalt statt um das
dort Energie gespeichert wird ?
- Muss es unbedingt Luft sein, oder würde zb. die Energiespeicherung
auch in einen anderen Gas funktionieren?
- Was wäre wenn die Spule in (Trafo)-öl getaucht würde - findet die
Energiespeicherung dann im Öl welches sich im Spalt befindet statt ?
Irgendwie kann ich mir Energiespeicherung in einen Luftspalt nur sehr
schwer vorstellen bzw. überhaupt nicht erklären.
Wer kann mich hierzu "aufklären" ?
Paul Panther
Paul Panther schrieb:> Aber warum ?
Das Kernmaterial ist der magnetische Leiter. Jedwede Energie die im
Leiter transportiert wird trägt stets nur zu den Verlusten bei (Pointing
Vektor), die Nutzenergie wird außerhalb des Leiters, idR Luft,
transportiert.
Die Energie wird nicht in der Luft gespeichert. Die Energie befindet
sich im Magnetfeld das sich an der Stelle des Luftspaltes befindet.
Somit geht jedes Material, was ein µr hat das wesentlich kleiner ist,
als das von Eisen.
Volker
Volker Zabe schrieb:> Die Energie wird nicht in der Luft gespeichert.
Das ist ein guter Einwand und ein Aspekt, den ich nicht bedachte. Volker
hat natürlich recht, die Energie ist zwar hier in der Luft und wird da
(scheinbar) gespeichert aber sie wäre auch im Vakuum im "Luftspalt".
Gespeichert wird sie natürlich, wie Volker sagte, im magnetischen Feld.
Zu Felder muss man eines sagen: Sie sind fiktive mathematische
Konstrukte die uns helfen sollen etwas zu verstehen. Ein Feld ist, so
die Definition, ein Gebiet in welchem Kräfte wirken können aber nicht
zwangsläufig müssen. Genauer erklärt wird sowas häufig in Einleitungen
zur numerischen Feldberechnung.
@ Paul Panther (Gast)
>Was für Zustände (Veränderungen) finden in den Luftspalt statt um das>dort Energie gespeichert wird ?
Es wird ein Magnetfeld aufgebaut. Die Luft sorgt dafür, dass der
magnetische Widerstand hoch ist, damit kann man mehr Energie speichern.
Klingt komisch, ist aber so. In einem geschlossenen Eisenkern kann man
nur wenig Energie speichern, weil man zwar mit wenig Strom schon einen
hohe Flußdichte erreicht, der Kern dann irgendwann sättigt, aber damit
die Energie klein bleibt! Siehe Formel!
http://www.mikrocontroller.net/articles/Spule#Spulen_selber_wickeln.2C_quick_.26_dirty>- Muss es unbedingt Luft sein,
Nein. So ziemlich jeder Nichteisenwerkstoff, der keine magnetische
Sättigung hat, ist brauchbar. Holz, Kunststoff, sogar Aluminium und
Kupfer, dann aber nur für Gleichstrom, wegen der Wirbelströme ;-)
> oder würde zb. die Energiespeicherung>auch in einen anderen Gas funktionieren?
Sicher.
>- Was wäre wenn die Spule in (Trafo)-öl getaucht würde - findet die>Energiespeicherung dann im Öl welches sich im Spalt befindet statt ?
Ja.
>Irgendwie kann ich mir Energiespeicherung in einen Luftspalt nur sehr>schwer vorstellen bzw. überhaupt nicht erklären.
Energie in einem Magnetfeld speichern heißt, stark vereinfacht, eine
magnetische Feder zu spannen. Ist diese recht hart (hoher magnetischer
Widerstand, Kern mit Luftspalt), kann man viel Energie speichern.
Ist sie weich (geringer magnetischer Widerstand, Eisenkern ohne
Luftspalt) kann man nur wenig Energie speichern.
MfG
Falk
P S Die wissenschaftliche Erklärung ala Maxwell überlasse ich den dazu
qualifizierten Leuten, ich hatte in Theoretischer Elektrotechnik nur ne
4- 8-0
Ich erklärs mal mathematisch in möglichst einfachen Formeln. Da sieht
man das mMn. am besten.
Fangen wir an mit der magnetischen Energiedichte. Die ist
.
Man muss also das B-Feld und das H-Feld kennen. Das B-Feld ist (wegen
den Stetigkeitsbedingungen) überall im magnetischen Kreis (d.h. im
Kernmaterial und im Luftspalt, sofern der Luftspalt klein ist) gleich
gross. Das H-Feld hingegen macht einen Sprung an der Materialgrenze.
Weil B gleich bleibt und man es einfach berechnen kann, rechnen wir
damit weiter.
Um aus der Energiedichte die Energie zu erhalten, muss man die
Energiedichte über den Raum integrieren. Da wir aber davon ausgehen,
dass unser Luftspalt klein ist, ist das B-Feld ja überall gleich gross,
also konstant. Damit vereinfacht sich das Integral zu einer
Multiplikation mit dem Volumen, in dem sich das Feld befindet.
Mit
folgt nun
.
Energie im Kernmaterial:
Energie im Luftspalt:
Das Verhältnis der beiden:
Nun ist
sehr gross (Bereich 5000). Das Verhältnis der Volumina von Luftspalt
und Eisenkreis, also das Verhältnis deren Längen, liegt vielleicht im
Bereich 1:50 (10cm Eisenkreis, 2mm Luftspalt).
Damit wäre das Gesamtverhältnis der Energien im Bereich 100. D.h. der
Luftspalt trägt 100 mal mehr Energie als das Kernmaterial.
Ich hoffe, dass das einigermassen verständlich ist.
MfG
Daniel
Danke ,
so in etwa habe ich das verstanden und kann mir das jetzt auch besser
vorstellen.
Schöne erklärung von Falk.
Wie es nun streng wissentschaftlich funktioniert scheint ja doch sehr
komplex zu sein - schon alleine die Aussage "Ein Feld ist, so
die Definition, ein Gebiet in welchem Kräfte wirken können aber nicht
zwangsläufig müssen. " deutet für mich dahin das das was in innersten
abläuft wohl sehr komplex und wenig anschaulich sein wird.
Da gefällt mir das Bild von Falk wesentlich besser :-)
Danke an alle.
Paul Panther
Paul Panther,
deine Fragestellung finde ich superinteressant,
da auch mich diese Fragen bewegen.
du zitiertest folgendes:
> "Ein Feld ist, so> die Definition, ein Gebiet in welchem Kräfte wirken können aber nicht> zwangsläufig müssen. "
Es könnte ja fast philosophisch werden, wenn man sich mal Gedanken
über die Spule macht.
Da wir ja nun wissen, dass auch Öl oder das Vacuum funktionieren würde,
frage ich mich, wo nun das Energiezeugs bleiben könnte.
Falks Erklärung mit der Feder finde ich ganz gut, aber ich würde gern
ein präziseres Bild haben. z.B. was machen die Federn bei einem Kern
ohne Luftspalt anders als bei einem mit Luftspalt.
Daniel R. hat es mit Sicherheit auch gut gemeint mit seinen Formeln
aber die sagen mir nix. Ich bin eher Praktiker.
Ich hoffe es geht weiter
Klaus
@ Klaus De lisson (kolisson)
>ein präziseres Bild haben. z.B. was machen die Federn bei einem Kern>ohne Luftspalt anders als bei einem mit Luftspalt.
Sie gehen in den Anschlag (=Sättigung). Kann man sich so vorstellen,
dass man eine Feder nur endlich zusammendrücken kann, dann stoßen die
einzelnen Windungen aneinander, Feierabend.
Mit Luftspalt kommt der Anschlag deutlich später, je größer der
Luftspalt umso später. Kerne ohne jegliche Eisenmaterialen haben
keinerlei Sättigung und können "endlos" komprimiert werden. Praktisch
setzt hier der ohmsche Widerstand der Wicklungen eine Grenze.
Supraleitende Spulen wie z.B. im Magnetresonanztomographen (MRT) helfen
hier weiter.
MFG
Falk
Wie sieht das bei Ferritkernen von Übertragern aus.
Gehen diese später in Sättigung wie Übertrager mit Luftspalt?
Kann man theoretsich beliebig viel Energie im Magnetfeld speichern?
Sind die natürlichen Grenzen durch die Ausdehnung des Drahts bzw. den
Querschnitt vorgegeben?
Meine Frage war wie sich Übertrager mit Ferritkernen verhalten.
Erhöht der Ferritkern gegenüber einem Eisenkern die zu übertragende
Energie pro Magentisierungsvorgang im Sinne eines Luftspalts, oder dient
der Ferritkern dazu, die Wirbelstrom und Ummagnetisierungsverluste zu
reduzieren.
M. H. schrieb:> Meine Frage war wie sich Übertrager mit Ferritkernen verhalten.>> Erhöht der Ferritkern gegenüber einem Eisenkern die zu übertragende> Energie pro Magentisierungsvorgang im Sinne eines Luftspalts, oder dient> der Ferritkern dazu, die Wirbelstrom und Ummagnetisierungsverluste zu> reduzieren.
Nun, auch Ferritkerne gibts mit und ohne Luftspalt. Ferrit nimmt
man hauptsächlich, um höhere Frequenzen verarbeiten zu können.
Gruss
Harald
Paul Panther schrieb:> Wie es nun streng wissentschaftlich funktioniert scheint ja doch sehr> komplex zu sein
Nö, Paul,
Sorry, aber die Physik ist überhaupt nicht kompliziert.
Nur manchmal tun wir Menschen uns so schwer im Verständnis wie mit der
Relativitätstheorie....
Dein "gesunder Menschenverstand" hat völlig Recht - wo nichts ist, wie
eben im Luftspalt, da ist auch nichts, was speichern könnte.
Aber dem mathematischen Verstand kann es so scheinen.
Bessere Erklärungen findet man mit der Fragestellung "wie funktioniert
das?"
Dazu bemühe ich die Elementarmagnete in ferromagnetischen Materialien
wie Ferrite - und zur Darstellung benutze ich eine Handvoll winziger
Magnete.
Wenn Du die auf einer Fläche ausbreitest, dann orientieren die sich Nord
an Süd, bilden "Rudel", sogar "Schleifen", bis sie ein gemeinsames
Energieminimum gefunden haben.
Legen wir eine Spule drum rum und schicken Strom durch, orientieren sich
einige Elementarmagnete um.
Je größer der Strom, desto mehr.
In der Sättigung sind dann alle Elementarmagnete gemeinsam ausgerichtet
gegen das elektromagnetische Feld.
Sobald das nachlässt, verlieren die Elementarmagnete wieder ihre
Ordnung.
In der Auslenkung der Elementarmagneten ist die Energie gespeichert.
Aber wenn Du mit Trafoquerschnitten rechnest, mit "mittlerer
magnetischer Weglänge", EpsilonE und EpsilonR und Luftspaltlänge, dann
findest Du, was oben schon klug gesagt war.
Ciao
Wolfgang Horn
> In der Auslenkung der Elementarmagneten ist die Energie gespeichert.
Das kann man so aber auch nicht sagen. Bei einem Kern mit Luftspalt ist
tatsächlich die meiste Energie im Luftspalt gespeichert, die
"Elementarmagnete" sind aber im Kernmaterial.
Hier passt ganz gut ein Satz von Albert Einstein: "Mache die Dinge so
einfach wie möglich - aber nicht einfacher."
Um das wirklich zu verstehen, sollte man das nicht auf einen so
einfachen (und falschen) Satz reduzieren.
Es ist eher so, dass man in Luft (bzw. Vakuum oder anderen dia- und
paramagnetischen Materialien) ein wesentlich stärkeres H-Feld braucht,
um eine bestimmte Flussdichte (B-Feld) zu erzeugen als ein
ferromagnetischen Werkstoffen (Eisen, Ferrit, ...).
In einem Kern mit konstantem Querschnitt ist die Flussdichte überall
gleich, also auch im Luftspalt. Die Energiedichte ist das Produkt aus H-
und B-Feldstärke. In Luft ist also bei gleicher Flussdichte die
Energiedichte um den Faktor µ_r größer als in Eisen bzw. Ferrit. Deshalb
kann in einem relativ schmalen Luftspalt viel mehr Energie gespeichert
werden als im deutlich größeren Kern.
Gleichzeitig ist bei ferromagnetischen Werkstoffen der Zusammenhang
zwischen H- und B-Feld (µ_r) nichtlinear, ab einer bestimmten
Flussdichte (Sättigungsflussdichte) sinkt die Permeabilitätszahl und
geht Richtung 1, also den Wert von Luft. Man kann also theoretisch in
einer Spule auf einem Eisen- bzw. Ferritkern eine beliebig hohe Energie
speichern, allerdings gehen dabei die ferromagnetischen Eigenschaften
des Kerns verloren und die Spule verhält sich annähernd wie eine
Luftspule.
Deshalb verwendet man Kerne mit Luftspalt. Mathematisch kann man das so
betrachten, dass sich das effektive µ_r durch den Luftspalt verringert.
Das vereinfacht evtl. einige Berechungen, aber man sollte schon auch das
Prinzip verstanden haben.
Johannes E. schrieb:>> In der Auslenkung der Elementarmagneten ist die Energie gespeichert.>> Das kann man so aber auch nicht sagen. Bei einem Kern mit Luftspalt ist> tatsächlich die meiste Energie im Luftspalt gespeichert, die> "Elementarmagnete" sind aber im Kernmaterial.
Sorry, Johannes,
ich halte nichts von Geistern, Gespenstern oder nichtexistenten
Behältern für Energie wie einen Luftspalt.
Ein Modell, wie das Zustandekommen eines Schwingkreises aus L und C, ist
erst dann geklärt, wenn die Frage "wie funktioniert das?" hinreichend
geklärt ist.
Im Ferrit haben wir natürlich keine magnetischen Klötzchen, im Gitter
aber Atome, die mit einem Valenzelektron ein magnetisches Feld erzeugen.
All die Elementarmagnete im Ferrit verhalten sich etwa so, wie ich
beschrieben habe.
Der experimentelle Beweis: Erhitze den vermuteten "Speicher" für das
Magnetfeld über den Curie-Punkt hinaus. Was passiert?
Erhitze ich allein den Luftspalt, passiert gar nix.
Erhitze ich aber das Kristallgitter, lösen sich am Curiepunkt die
Bindungen auf und sogar die Restremanenz verschwindet.
Das war der Beweis, dass der Speicher für die magnetische Energie
tatsächlich im Kristallgitter war.
Ciao
Wolfgang Horn
> Aber warum ?> Ich kann mir nicht vorstellen wie im Luftspalt Energie gespeichert wird.
Brauchst du auch nicht, ist ja nur ein Bildnis:
Eine Spule ohne Luftspalt ist wie ein magnetischer Kurzschluss.
Legst du eine Spannung an, steigt (im Arbeitsbereich, also unterhalb der
Sättigung) der Strom und damit der "magnetische Strom", das B-Feld,
jedoch nicht die magnetische Spannung, das H-Feld, also ist (I*U=B*H)
nicht so besonders.
Führst du in derselben Spule einen Luftspalt ein, steigt der
"magnetische Widerstand" und damit mit dem "magnetischen Strom" auch die
"magnetische Spannung" und du bekommst mehr I*U=B*H.
Daher der Luftspalt, und das Bildnis der Energie im Luftspalt.
Es ginge mit Kernmaterialen mit niedrigerem magnetischen µ genau so auch
ohne Luftspalt.
Wolfgang Horn schrieb:> ich halte nichts von Geistern, Gespenstern oder nichtexistenten> Behältern für Energie wie einen Luftspalt.
Dann solltest du dir unbedingt nochmal die Grundlagen anschaun und
durchlesen. Jedwede Energie, die im Eisen ist, trägt nur zu den
Verlusten bei und kann für nichts sonst benutzt werden (sofern man die
Wärme des Eisens nicht nutzt). Jedwede Energie, die außerhalb des Eisens
(des Leiters) transportiert wird kann auch genutzt werden.
MaWin hats schön anschaulich erklärt wie ich finde.
Wolfgang Horn schrieb:> ich halte nichts von Geistern, Gespenstern oder nichtexistenten> Behältern für Energie wie einen Luftspalt.
Ich nehme an, dass du zum Telefonieren dein Handy sorgfältig mit dem
GSM-Kabel am nächsten Funkmast anschliesst.
> Der experimentelle Beweis: Erhitze den vermuteten "Speicher" für das> Magnetfeld über den Curie-Punkt hinaus. Was passiert?> Erhitze ich allein den Luftspalt, passiert gar nix.> Erhitze ich aber das Kristallgitter, lösen sich am Curiepunkt die> Bindungen auf und sogar die Restremanenz verschwindet.
Du verstehst das anscheinend überhaupt nicht.
Der Ferritkern macht einen "magnetischen Kurzschluss", in dem sich die
Feldlinien um den Luftspalt herum schließen. Durch das wesentlich
größere µ_r ist die Feldstärke im Kern dabei sehr klein, während sie im
Luftspalt sehr groß ist.
Den Kern braucht man eigentlich nur dazu, dass man Platz für eine große
Wicklung hat, mit der eine hohe Feldstärke erziehlt werden kann.
Durch erwärmen über den Curiepunkt wird der "magnetische Widerstand" der
Ferrits ziemlich groß, dadurch sinkt die Induktivität und damit die
Flussdichte. Die Energiedichte im Luftspalt wird dadurch auch kleiner.
> Das war der Beweis, dass der Speicher für die magnetische Energie> tatsächlich im Kristallgitter war.
Das ist ungefähr so, wie wenn man eine Batterie mit einem Kabel mit
einer Lampe verbindet und dann das Kabel durchschneidet und das dann als
Beweis dafür bezeichnet, dass die Energie im Kabel und nicht in der
Batterie gespeichert ist.
Hier ist mein "Gegenbeweis":
Nimm einen E20-Kern, Material N87:
Mit Luftspalt 0,25 mm ist der A_l - Wert 171 nH
Mit Windungszahl 10 ergibt sich eine Induktivität von 17,1 µH. Bei einer
maximalen Flussdichte von 0,4 T entspricht das einer maximalen Energie
von 482 µJ.
Mit Luftspalt 0,5 mm ist der A_l - Wert 103 nH
Mit Windungszahl 10 ergibt sich eine Induktivität von 10,3 µH. Bei einer
maximalen Flussdichte von 0,4 T entspricht das einer maximalen Energie
von 800 µJ.
Durch den doppelt so großen Luftspalt hat sich die maximale Energie fast
verdoppelt; die Abweichung kommt daher, dass das µ_r von N87 nicht
unendlich ist, die Feldstärke im Ferrit ist also nicht 0.
Es wird also schon noch ein gewisser Anteil der Energie im Ferrit
gespeichert, aber der größte Anteil ist im Luftspalt.
Wenn die komplette Energie im Kern gespeichert würde, dann bräuchte man
gar keinen Luftspalt in den Kern reinmachen.
Nachtrag:
Man kann auch in einer Luftspule bzw. im Vakuum, also ganz ohne Ferrit
und Elemntarmagnete Energie speichern. Nur ist hier das Volumen deutlich
größer bzw. man braucht eine viel größere Stromdichte (Supraleiter).
Johannes schrieb:> Es wird also schon noch ein gewisser Anteil der Energie im Ferrit> gespeichert, aber der größte Anteil ist im Luftspalt.
Eher im Streufeld. Im Ferrit ist zwar auch Energie aber die trägt nur zu
den Verlusten bei. ;)
Aber schönes, anschauliches Beispiel.
>> Es wird also schon noch ein gewisser Anteil der Energie im Ferrit>> gespeichert, aber der größte Anteil ist im Luftspalt.> Eher im Streufeld. Im Ferrit ist zwar auch Energie aber die trägt nur zu> den Verlusten bei. ;)
Ferrit (N87) hat laut Datenblatt ein effektives µ_r von 1680, das
bedeutet, dass bei gleicher Flussdichte die Feldstärke im kern um diesen
Betrag kleiner ist als im Luftspalt und damit auch die Energiedichte.
Der Luftspalt beim E20-Kern hat ein Volumen von 8 mm^3 (bei 0,25mm
Luftspalt) bzw. 16mm^3 (bei 0,5mm Luftspalt). Der Kern (ohne Luftspalt)
hat ein Volumen von 1490 mm^3.
Damit ist die gesamte im Kern gespeicherte Energie ungefähr
W_kern = W_Luftspalt / 1680 * 1482 / 8
bzw.
W_kern = W_Luftspalt / 1680 * 1474 / 16
je nach Luftspalt.
Beim 0,25 mm - Spalt sind im Kern also ca. 11% der Energie des
Luftspalts gespeichert; beim 0,5 mm - Spalt sind das etwa 5,5 %.
Damit erhält man für mein Beispiel folgende Energie-Verteilung:
0,25mm Luftspalt: W_Luftspalt = 434 µJ, W_Kern = 48 µJ
0,5mm Luftspalt: W_Luftspalt = 758 µJ, W_Kern = 42 µJ
Theoretisch müsste die Energie im Kern in beiden Fällen gleich groß
sein, der Unterschied kommt durch die Streufelder und die Kerngeometrie
(inhomogenes Feld). Im Kern ist also schon auch Energie gespeichert, nur
eben wesentlich weniger als im Luftspalt.
> Aber schönes, anschauliches Beispiel.
Danke.
Johannes schrieb:> Theoretisch müsste die Energie im Kern in beiden Fällen gleich groß> sein
Nein, nicht ganz. Dein Kern ist beim 0.5mm Luftspalt ja auch kleiner als
beim 0.25mm Luftspalt. ;)
Johannes schrieb:> Im Kern ist also schon auch Energie gespeichert, nur> eben wesentlich weniger als im Luftspalt.
Klar ist auch im Kern Energie gespeichert nur bringt dir die Energie im
Kern nüschts außer, dass sie den Kern warm macht. Dat Kernmaterial ist
ja nicht verlustfrei ;)
>> Theoretisch müsste die Energie im Kern in beiden Fällen gleich groß>> sein> Nein, nicht ganz. Dein Kern ist beim 0.5mm Luftspalt ja auch kleiner als> beim 0.25mm Luftspalt. ;)
ja, richtig, hatte ich übersehen.
> Klar ist auch im Kern Energie gespeichert nur bringt dir die Energie im> Kern nüschts außer, dass sie den Kern warm macht. Dat Kernmaterial ist> ja nicht verlustfrei ;)
Doch. Diese im Kern gespeicherte Energie wird genau so wieder abgegeben
wie die Energie im Luftspalt. Ansonsten würden beim 0,25 mm Luftspalt
ca. 10 % der gesamten Energie in Wärme umgewandelt werden. Der
Wirkungsgrad einer Ferrit-Speicherdrossel ist aber ziemlich groß.
Durch die Änderung der Flussdichte entstehen Verluste im Kern, die sind
aber nicht so groß wie die Energie, die im Kern gespeichert ist und
diese Verluste haben auch nichs mit der im Kern gespeicherten Energie zu
tun.
Paul Panther schrieb:> Ich kann mir nicht vorstellen wie im Luftspalt Energie gespeichert wird.
Es ist, wie bei einem Stein, der gehoben wird. Steckt da die Energie in
der Luft. Nein, der Stein wird gegen das Kraftfeld, in diesem Fall das
Gravitationsfeld, gehoben.
Man stelle sich vor, man hätte zwei U-förmige Schnittbandkerne, die mit
einer stromdurchflossenen Spule versehen sind und ohne Luftspalte
zusammen gefügt sind.
Wenn man jetzt die beiden Hätten von einander trennen, dann muss man
eine erhebliche Kraft aufwenden. Die dabei hinein gesteckt Energie ist
das Produkt aus Kraft mal Weg. Der Weg entspricht dem Luftspalt. Steckt
nun die Energie in der Luft zwischen den beiden Schnittbandkernhälften?
Falk B. schrieb:> Energie in einem Magnetfeld speichern heißt, stark vereinfacht, eine> magnetische Feder zu spannen. Ist diese recht hart (hoher magnetischer> Widerstand, Kern mit Luftspalt), kann man viel Energie speichern.> Ist sie weich (geringer magnetischer Widerstand, Eisenkern ohne> Luftspalt) kann man nur wenig Energie speichern.
Das Bild paßt zwar, hängt aber verkehrt herum. Wenn die maximale Kraft
feststeht, kann ich in einer weichen Feder mehr Energie speichern als in
einer harten. Einfachstes Beispiel: Wassertank vs. Drucklufttank bei
gleichem Druck und gleichem Volumen. In der Luft ist viel
Kompressionsarbeit gespeichert, im Wasser fast gar keine.
Beim Magnetfeld ist es genauso. Wenn die maximale Feldstärke festliegt
(und zwar bei der Sättigungsgrenze), kann ich natürlich mehr Energie im
Feld speichern, wenn der dafür nötige Fluß besonders groß ist. Das geht
eben besser bei einem sehr weichen Kern. Weil die Energie, die benötigt
wird, um den Luftspalt aufzumagnetisieren, größer ist als beim Eisen.
Walter T. schrieb:> Wenn die maximale Kraft feststeht, kann ich in einer weichen Feder mehr> Energie speichern als in einer harten.
Die gespeicherte Energie in einer Feder ist Kraft x Weg besser
daher weiche Feder, langer Weg oder harte Feder, kurzer Weg
GEKU schrieb:> Walter T. schrieb:> Wenn die maximale Kraft feststeht, kann ich in einer weichen Feder mehr> Energie speichern als in einer harten.>> Die gespeicherte Energie in einer Feder ist Kraft x Weg> besserW=∫tst=0f(t)dt W = \int_{t = 0}^{ts}f(t) dt>> daher weiche Feder, langer Weg oder harte Feder, kurzer Weg
Ich merk's mir ganz einfach:
- Eisen sorgt mit wenig Kupfer für viel Induktivität
- Der Spalt macht die Sättigung vom Eisen weg (und die
Induktivität etwas weniger).
Die Aufteilung ist halt ein Kompromiss. Mechanisch will man möglichst
viel Eisen verwenden, elektrisch aber keins.
GEKU schrieb:> Die gespeicherte Energie in einer Feder ist Kraft x Weg besser> W=∫tst=0f(t)dt W = \int_{t = 0}^{ts}f(t) dt> daher weiche Feder, langer Weg oder harte Feder, kurzer Weg
Und irgendwann bist Du bei gegebenem Querschnitt an der
Festigkeitsgrenze des Materials angekommen. Die Kraft hat damit eine
Obergrenze. In welcher Feder ist mehr Energie: Der weichen oder der
harten mit dem gleichen Querschnitt? (Bonuspunkte gibt es, wenn als
Plausibilitätskontrolle die Längen der weichen und harten Feder im
entspannten Zustand verglichen werden.)
Mal eine Spielerei mit Maßeinheiten:
Die Induktivität hat die Maßeinheit Vs /A . Sie gibt an, wie viele Vs
Magnetfeld man je A erzeugen kann.
Bei einem ferromagnetischen Stoff passiert es aber ganz leicht: die
schon in den Atomen in Form von Elektronenspin vorhandenen Magnete
werden durch die außen angelegten A geordnet und man bekommt viele Vs
Magnetfeld durch wenige A. Die aufgewendeten A je Vs sind nur wenige Ws
= wenige J (oder Ws)
In Luft bzw. Vakuum müssen die A die Vs des Magnetfeldes "selbst"
erzeugen.
man muss also vielmehr A für die gleiche Magnetfeldmenge (Vs)aufwenden,
das Wagnetfeld enthält also viel mehr Ws (J)als in dem von z.B. Eisen
ablaufenden Vorgang.
Natürlich ist die zutreffende Erklärung diejenige mit den
Volumenintegralen.
Aber vielleicht bringt diese Spielerei mit den Maßeinheiten auch etwas
Ich sage es mal so schrieb:> - Bei Ausgangstransformatoren hingegen muß ein Luftspalt verwendet> werden
Hat aber andere Gründe, man will hier vermeiden daß der Kern durch den
Ruhestrom der Röhre (A-Betrieb!) in die Sättigung geht.
Energie will man hier nicht speichern.
Bei einer Glättungsdrossel wird aus dem selben Grund ein Luftspalt im
Kern eingebaut.
loeti2 schrieb:> Energie will man hier nicht speichern.>> Bei einer Glättungsdrossel wird aus dem selben Grund ein Luftspalt im> Kern eingebaut.
Liest (und versteht) man das so zusammen, könnte man auf die Idee
kommen, daß so eine Drossel ebenfalls keine Speicherwirkung braucht. Man
könnte Drosseln ohne Luftspalt bauen, und allein das Eisen die Energie
speichern lassen - das aber würden sehr, sehr große Drosseln...
Einzig Trafokerne ohne DC- Belastung ("-Bias", "-Vormagnetisierung",
...) wie z.B. Netztrafos mit Spannungs- Ein- und auch Ausgang (der
Großteil aller Netztrafos (*)) sind - bzw. werden immer mehr - auf
möglichst geringe Speicherwirkung / Streuung hin optimiert.
Weil diese nicht zur Funktion erforderlich, sondern sogar eher
hinderlich.
(Magnetisierungsstrom darf natürlich Kern nicht saettigen.)
Eine AC- Drossel arbeitet prinzipiell wie eine DC- Drossel auch -
für die Funktion ist diese Speicherwirkung erforderlich. Zwar ist das
Ergebnis hierbei kein glatter Gleich- sondern ein (nahezu / je nach
Dimensionierung) rechteckförmiger Wechselstrom, aber auch das gilt als
Konstantstrom... an AC-Verbrauchern.
(*: Ein Trafo und eine Drossel "in einem" ist z.B. ein sogenannter
Streu-(feld-) Trafo. Dieser hat am Ausgang eher
Stromquellencharakteristik. Ist sogar kleiner machbar als z.B. einem
normalen Trafo eine Drossel nachzuschalten - durch einen Trick: Den
magnetischen Nebenschluß.
https://de.wikipedia.org/wiki/Streufeldtransformator)
Oder was hattest Du sagen wollen? Dem obigen Anschein mußte man (also
ich) widersprechen. Die Energiespeicherung ist bei Drosseln in keinster
Weise "Nebensache", sondern die essentielle Funktionsgrundlage.
Lediglich bei Ausgangstrafos könnte man das überhaupt als Nebensache
betrachten - aber auch nur betrachten, denn ohne würden sie auch nicht
funktionieren.
Bei einem Luftspalt im Kern verringert sich doch die Induktivität L
einer Spule.
Die gespeicherte Energie ist:
W = 0,5 L * I *I
Demnach ist die gespeicherte Energie mit Luftspalt kleiner als ohne.
Dies widerspricht sich zu den obigen Aussagen.
Wo ist das der Fehler?
Peda schrieb:> Bei einem Luftspalt im Kern verringert sich doch die Induktivität> L> einer Spule.> Die gespeicherte Energie ist:> W = 0,5 L * I *I> Demnach ist die gespeicherte Energie mit Luftspalt kleiner als ohne.> Dies widerspricht sich zu den obigen Aussagen.> Wo ist das der Fehler?
Die Spule geht mit Luftspalt aber erst bei viel höherem Strom in
Sättigung.
Solange die Ströme unter der Sättigungsgrenze (im linearen Bereich)
sind, sind I~H~B und die Induktivität der Spule ohne Luftspalt größer.
Größere Induktivitäten können mehr Energie speichern.
Was ist daran falsch?
Peda schrieb:> Ok, solange man unter der Sättigungsgrenze bleibt, kann man ohne> Luftspalt mehr Energie speichern.
Wir betrachten zwei Kerne, die - bis auf den Luftspalt, identisch sind.
Wenn du fragst, welcher Kern mehr Energie speichern kann, dann ist die
Antwort immer: der Kern mit Luftspalt. Diese Frage bezieht sich auf eine
Eigenschaft des Kerns (nicht auf einen konkreten Arbeitspunkt oder einen
bestimmten Strom). Wenn du dich z.B. in beiden Fällen der
Sättigungsgrenze "auf 80% näherst", dann hat der Kern mit Luftspalt sehr
viel mehr Energie gespeichert.
Wenn du stattdessen fragst, wo bei einem identischen (Popel)Strom, der
in beiden Fällen nicht zur Sättigung führt, mehr Energie im Kern
gespeichert ist, dann lautet die Antwort tatsächlich: im Kern ohne
Luftspalt. Es ist aber sehr viel weniger Energie als der Kern mit
Luftspalt problemlos speichern könnte.
Peda schrieb:> Was ist daran falsch?Peda schrieb:> sind I~H~B
dein Fehler ist z.B., dass du die stark unterschiedlichen
Proportionalitätskonstanten in beiden Fällen ignorierst.
Achim S. schrieb:> Wenn du stattdessen fragst, wo bei einem identischen (Popel)Strom, der> in beiden Fällen nicht zur Sättigung führt, mehr Energie im Kern> gespeichert ist, dann lautet die Antwort tatsächlich: im Kern ohne> Luftspalt. Es ist aber sehr viel weniger Energie als der Kern mit> Luftspalt problemlos speichern könnte.
Genau das war meine Aussage.
Mann kann das eben nicht so einfach verallgemeinern, wie das hier
gemacht wurde.
Ist wahrscheinlich aber nur von akademische Bedeutung;)
Peda schrieb:> Genau das war meine Aussage.
Nein, war es nicht. Deine Aussage war:
Peda schrieb:> Ok, solange man unter der Sättigungsgrenze bleibt, kann man ohne> Luftspalt mehr Energie speichern.
Diese Aussage ist die falsche Verallgemeinerung. Wenn man in beiden
Fällen bis auf 80% von B_sat geht (also in beiden Fällen unter der
Sättigungsgrenze bleibt), dann steckt im Kern mit Luftspalt sehr viel
mehr Energie.
Peda schrieb:> Ok, solange man unter der Sättigungsgrenze bleibt, kann man ohne> Luftspalt mehr Energie speichern.
Ja. Oder anders formuliert: bei gleichem Strom kannst du in der Spule
mit der größeren Induktivität mehr Energie speichern. Woher die größere
Induktivität kommt, ist dabei egal.
Die Frage die du nicht gestellt hast, deren Antwort dir die Leute hier
aber alle aufs Auge drücken wollen, ist die ob du in einer gegebenen
Spule mit gegebenem Kern mehr Energie speichern kannst, wenn du einen
Luftspalt hinzufügst. Und die Antort ist: ja, mit Luftspalt kann die
Spule mehr Energie speichern. Aber eben auch erst bei einem wesentlich
höheren Strom.
Achim S. schrieb:> Peda schrieb:>> Ok, solange man unter der Sättigungsgrenze bleibt, kann man ohne>> Luftspalt mehr Energie speichern.>> Diese Aussage ist die falsche Verallgemeinerung. Wenn man in beiden> Fällen bis auf 80% von B_sat geht (also in beiden Fällen unter der> Sättigungsgrenze bleibt), dann steckt im Kern mit Luftspalt sehr viel> mehr Energie.
Da verstehst du ihn (absichtlich?) falsch. Denn er schrieb ja auch noch:
bei gleichem Strom. Ohne Luftspalt ist die Sättigungsflußdichte
geringer, damit bestimmt diese Konfiguration den maximalen Strom. Und
die Spule mit Luftspalt speichert bei diesem Strom dann weniger Energie.
Achim S. schrieb:> Peda schrieb:>> Genau das war meine Aussage.>> Nein, war es nicht. Deine Aussage war:>> Peda schrieb:>> Ok, solange man unter der Sättigungsgrenze bleibt, kann man ohne>> Luftspalt mehr Energie speichern.>> Diese Aussage ist die falsche Verallgemeinerung. Wenn man in beiden> Fällen bis auf 80% von B_sat geht (also in beiden Fällen unter der> Sättigungsgrenze bleibt), dann steckt im Kern mit Luftspalt sehr viel> mehr Energie.
Ok, dann habe ich den linearen Bereich gemeint.
Ich wollte damit nur aufmerksam machen, dass nicht immer mit Luftspalt
mehr Energie gespeichert werden kann.
Sonder es gibt einen Strom abhängigen Grenzfall wo das eine Modell in
das andere übergeht.
Axel S. schrieb:> Da verstehst du ihn (absichtlich?) falsch.
Nein: ich versuche ihm zu erklären, dass das, was er meint, und das, was
er als Aussage aufschreibt, zwei unterschiedliche Dinge sind. Seine von
mir zitierte Aussage ist falsch. Das hat hinz ihm korrekt, aber knapp
beantwortet. Peda hat um einge Begründung geben, die habe ich ihm
geliefert.
Was Peda eigentlich richtig meint (die tatsächich gespeicherte Energie
bei konstanten Strom), habe ich deswegen oben auch schon mal richtig
umformuliert.
Peda schrieb:> Ich wollte damit nur aufmerksam machen, dass nicht immer mit Luftspalt> mehr Energie gespeichert werden kann.
Es tut mir leid: wenn du fragst, welcher Kern mehr Energie speichern
kann, dann ist die Antwort völlig eindeutig: im Kern mit Luftspalt
kann immer sehr viel mehr Energie gespeichert werden als im selben Kern
ohne Luftspalt. Die speicherbare Energiemenge ist eine Eigenschaft des
Kerns und seines Luftspalts. Ein bestimmter Kern mit bestimmtem
Luftspalt kann maximal eine bestimmte Energiemenge in J speichern. Und
der Wert ist mit Luftspalt immer viel größer als ohne Luftspalt.
Was du meinst, ist: es kann sein, dass unter bestimmten, willkürlichen
Randbedingungen mehr Energie im Kern ohne Luftspalt gespeichert ist. Ja,
klar kann das sein (wie oben schon beschrieben). Wenn du als
Randbedingung "konstanter Strom" wählst, dann wird in dem Kern mehr
Energie gespeichert sein, der bei diesem Strom die größere Induktivität
hat.
Ich könnte folgendes Modell für die Vorstellung anbieten :
Ein Behälter gefüllt mit Öl (entspricht dem Eisen) enthält eine
Luftblase (entspricht dem Luftspalt). Der Behälter wird unter Druck
gesetzt. Öl und Luftblase werden komprimiert.
Wo wird mehr Energie gespeichert? Im Öl oder in der kleinen Luftblase?
Natürlich ändern sich beim Eisenkern und Luftspalt das Volumen nicht,
aber es zeigt, dass sich die Energie sehr unterschiedlich auf die
Materialien aufteilt. Das Material mit der geringeren Dicht nimmt den
größeren Teil der Energie auf.
Achim S. schrieb:> im Kern mit Luftspalt> kann immer sehr viel mehr Energie gespeichert werden als im selben Kern> ohne Luftspalt.
Wenn man meine Randbedingung vernachlässigt stimmt das;)
Ist das, dann aber immer?
Achim S. schrieb:> m Kern mit Luftspalt kann immer sehr viel mehr> Energie gespeichert werden als im selben Kern> ohne Luftspalt.
Sicher nicht.
Der Hauptteil der Energie wird ja gerade NICHT im
KERN gespeichert, sondern im LUFTSPALT -- sofern
vorhanden.
Anders formuliert: Es würde rein sprachlich helfen,
wenn Du Dich festlegen könntest, ob den den Luftspalt
zum Kern dazuzählen willst oder nicht.
Gerald K. schrieb:> Ein Behälter gefüllt mit Öl (entspricht dem Eisen) enthält eine> Luftblase (entspricht dem Luftspalt).
Ich hab auch noch einen:
schalte einen 100µF Elko und einen 100nF Folienkondensator in Reihe und
lade diese Reihenschaltung auf 1000V auf. Wo wird die meiste Energie
gespeichert?
Der dicke Elko allein würde die hohe Spannung nicht vertragen, aber
würde er sie vertragen dann könnte man damit natürlich 1000 mal mehr
Energie speichern.
