Hi! Vorweg, ich bin leider doch ziemlicher Elektronik-DAU. Würde mich daher über deppenfreundliche Erklärungen freuen. :D Ich lese mir auch gerne Material durch, solange ich eine Chance habe, es auch zu verstehen. Ich benötige für ein kleines Projekt einen winzigen Elektromagnet (Stabform) und gehe dabei von relativ engen Constraints aus: Die Abmessungen des Magneten dürfen höchstens 4.5 mm in der Länge und 2 mm im Durchmesser (Höhe) sein. Stromversorgung soll über Batterien/Akkus geschehen und kann zwischen 1.5V und 12V liegen. Meine Frage daher: Wie berechne ich mit diesen Constraints einen passenden, möglichst "starken" Magneten (mit Eisenkern?) - sprich: welche Formeln kommen da zum Einsatz? Weiters: *) Wenn man als Laie wie ich von einem "starken" (Elektro-)Magneten spricht, welche Maßzahl(en) meint man damit eigentlich? *) Ich habe einen Hallsensor an einen Arduino gehängt. Sensitivität laut Datenblatt wird in "Milivolt per Gauss" angegeben. Wie hängt Gauss als Einheit jetzt mit der "Stärke" des Magneten zusammen? Habe testweise 0.1 mm Kupferlackdraht vierlagig auf eine abgeschnittene Stecknadel (Länge etwa 4.5 mm, Durchmesser 0.60 mm laut Schublehre) gewickelt und an ne 9V Batterie geklemmt. Hat gut funktionert. 5 Sekunden lang. Dann ist das Teil leider abgefackelt. Würde mich über Tipps, Erklärungen oder auch nur Verweisen zu leichtverständlicher Lektüre wirklich freuen. Liebe Grüße Andre
Andre schrieb: > Wenn man als Laie wie ich von einem "starken" (Elektro-)Magneten > spricht, welche Maßzahl(en) meint man damit eigentlich? Dann ist man Laie und redet offensichtlich nur mit anderen Laien, Nicht-Laien würden erstmal fragen, 'Was heißt stark?' ... Andre schrieb: > Wie hängt Gauss als > Einheit jetzt mit der "Stärke" des Magneten zusammen? Kannte die Einheit Gauss bis gerade eben auch nicht, Wikipedia kennt sie schon : https://de.wikipedia.org/wiki/Gau%C3%9F_%28Einheit%29 Andre schrieb: > Constraints Als Laie mit Fremdwörtern um sich fuchteln, nette Sache. Andre schrieb: > abgefackelt Die Batterie? Der Nagel? Der Draht? Wieso wohl ?
zu viel strom. ist wie ameise auf koks. schleppt viel, aber nicht lange.
Ion schrieb: > Andre schrieb: >> Wenn man als Laie wie ich von einem "starken" (Elektro-)Magneten >> spricht, welche Maßzahl(en) meint man damit eigentlich? > > Dann ist man Laie und redet offensichtlich nur mit anderen Laien, > Nicht-Laien würden erstmal fragen, 'Was heißt stark?' ... Hm, dachte, es wäre klar was ich ungefähr meine. Seiten, die (zumeist Neodym-)Magnete verkaufen sprechen oft von einer "Haftkraft" in Newton. Auf der Seite von Wikipedia zum Thema Magnetismus heißt es einleitend: "Die Richtung und Stärke magnetischer Kräfte kann man durch Feldlinien anschaulich darstellen." > Andre schrieb: >> Wie hängt Gauss als >> Einheit jetzt mit der "Stärke" des Magneten zusammen? > > Kannte die Einheit Gauss bis gerade eben auch nicht, Wikipedia kennt sie > schon : https://de.wikipedia.org/wiki/Gau%C3%9F_%28Einheit%29 Danke zumindest für den Link. Anscheinend hängt wegen
die magnetische Feldstärke direkt mit der magnetischen Flussdichte zusammen (muss hier für \mu die Permeabilität vom Spulenmaterial oder vom Kern eingesetzt werden?). Anscheinend ist Gauss eine andere Maßeinheit für die magnetische Flussdichte und häufiger wird Tesla verwendet. Die Frage ist, ob ich die magnetische Flussdichte maximieren muss, oder mir die magnetische Feldstärke reicht (der Unterschied wäre ja anscheinend die Permeabilität μ. > Andre schrieb: >> Constraints > > Als Laie mit Fremdwörtern um sich fuchteln, nette Sache. Was ist dir denn bitte über die Leber gelaufen? xD > Andre schrieb: >> abgefackelt > > Die Batterie? Der Nagel? Der Draht? Wieso wohl ? Der Draht. Zu geringer Durchmesser/Länge für zu hohen Strom hätte ich vermutet. Ich weiß allerdings nicht, welche Änderungen dafür sinnvoll sind.. Dickerer Draht erzeugt weniger Windungen. Vorgeschalteter Widerstand (weiß noch nichtmal ob das Sinn macht) wird wohl relativ stark belastet werden, oder (in einem anderen Thread hier meinte jemand, der Widerstand würde bei ihm extrem heiß werden)? Kann ich den Strom irgendwie anders begrenzen?
Ich würde mir einen Draht im 0,xx Bereich nehmen und zumindest 50-100 Windungen aufwickeln. Da wird eine 1,5 V Batterie reichen... Mani
Andre schrieb: > Dickerer Draht erzeugt weniger Windungen. Der dicke Draht wickelt sich genauso oft um den Kern wie der dünne, wenn man will. >Vorgeschalteter > Widerstand (weiß noch nichtmal ob das Sinn macht) wird wohl relativ > stark belastet werden, oder (in einem anderen Thread hier meinte jemand, Je, er vernichtet einfach nur Energie (wandelt sie in Wärme um). Im Prinzip ist der vorgeschaltete Widerstand und deine Spule ein Widerstandsteiler. Je nachdem wie groß der (Vor-)Widerstand ist, fällt hier die meiste Spannung ab. Der Strom durch Widerstand und Spule ist gleich. Also "vernichtet" der Widerstand den Großteil der Leistung. > der Widerstand würde bei ihm extrem heiß werden)? Kann ich den Strom > irgendwie anders begrenzen? Ja. Weniger Spannung. Der Draht schmilzt wegen der zu hohen (Heiz-)Leistung. Leistung ist Spannung x Strom P = U x I Da der Widerstand der Spule gegeben ist (ausser du machst den Draht länger... z.B. durch mehr Windungen), bietet es sich an, die Spannung herunterzusetzen, denn Strom = Spannung / Widerstand (I = U / R) zusammengefasst: P = U * U / R oder P = U^2 / R d.h. die Leistung steigt quadratisch mit der Spannung. Gleichzeitig wird mit weniger Spannung natürlich das Magnetfeld schwächer, da ja der Strom kleiner ist, aber das ist eben die Grenze von dem, was dein Elektromagnet leisten kann. Größeres Magnetfeld erreicht man also durch - dickeren Draht, der einen größeren Strom aushält - mehr Windungen PS: Oder gut kühlen (flüssiger Stickstoff...) ;-)
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Vielen Dank erstmal! :) Joe F. schrieb: > Andre schrieb: >> Dickerer Draht erzeugt weniger Windungen. > > Der dicke Draht wickelt sich genauso oft um den Kern wie der dünne. Naja, was ich damit meinte, war, dass ich einen Draht mit größerem Durchmesser eben wegen des größeren Durchmessers weniger oft um einen 5 mm langen Eisenstab wickeln kann (ich muss ja die genannten Durchmesser und Längeneinschränkungen einhalten). > Der Draht schmilzt wegen der zu hohen (Heiz-)Leistung. > Leistung ist Spannung x Strom > > P = U x I > > Da du den Widerstand der Spule nicht verändern kannst, bietet es sich > an, die Spannung herunterzusetzen, denn > > Strom = Spannung / Widerstand (I = U / R) > > zusammengefasst: > P = U * U / R > oder > P = U^2 / R > > d.h. die Leistung steigt quadratisch mit der Spannung. > > Gleichzeitig wird mit weniger Spannung natürlich das Magnetfeld > schwächer, da ja der Strom kleiner ist, aber das ist eben die Grenze von > dem, was dein Elektromagnet leisten kann. Vielen Dank nochmals für die Ausführungen. Was ich mich jetzt allerdings noch frage, ist, wie hoch die Leistung maximal sein darf, damit sich der Kupferdraht nicht allzusehr erwärmt (das sollte ja vom Drahtdurchmesser abhängig sein) - gibt es dafür irgendwelche Richtlinien oder Tabellen oder so? Liebe Grüße Andre
Andre schrieb: > Naja, was ich damit meinte, war, dass ich einen Draht mit größerem > Durchmesser eben wegen des größeren Durchmessers weniger oft um einen 5 > mm langen Eisenstab wickeln kann (ich muss ja die genannten Durchmesser > und Längeneinschränkungen einhalten). Es spricht nichts dagegen, den Draht in mehreren Lagen hin- und herzuwickeln... Es muss nicht eine einzige Lage sein. Andre schrieb: > Was ich mich jetzt allerdings > noch frage, ist, wie hoch die Leistung maximal sein darf, damit sich der > Kupferdraht nicht allzusehr erwärmt (das sollte ja vom Drahtdurchmesser > abhängig sein) - gibt es dafür irgendwelche Richtlinien oder Tabellen > oder so? Es gibt z.B. die Norm AWG (american wire gauge), da kannst du nachgucken, wie groß der Querschnitt für einen bestimmten Strom sein sollte. Allerdings ist dies natürlich so ausgelegt, dass sich der Leiter kaum erwärmt. Dein Kern wird eine gewisse kühlende Wirkung haben, insofern ist das schwer auszurechnen. Am besten findet man das experimentell mit einem (Infrarot-)Thermometer raus. Mit wenig Strom anfangen (z.B. Richtlinie AWG) und dann steigern, mit Temperaturmessung. Wenn du dann irgendwann so 10-20K Erwärmung feststellst, würde ich es dabei belassen, einzelne Windungsabschnitte können sich dabei bereits deutlich mehr erwärmt haben. Ansonsten könnte man natürlich die (Heiz-)Leistung ausrechnen, und überlegen, ob diese Wärme durch Konvektion an der Oberfläche abtransportiert werden kann... wird aber nicht einfach... Nachtrag: der Kern kühlt natürlich nur für eine kurze Zeit, vor allem wenn es nur eine Stecknadel ist. Danach findet die Wärmeableitung ausschließlich über die Oberfläche statt.
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Für die Kraft, die ein Elektromagnet entwickelt, ist die Gesamtzahl der Feldlinien maßgebend. Verantwortlich sind erstmal die Amperewindungen, das Produkt aus Ampere und Windungszahl der Spule. 10 AW können dadurch entstehen, dass 10 Windungen von 1 A durchflossen werden oder 100 Windungen von 0,1 A. Einfache Relais arbeiten mit hunderten von Ampere-Windungen. Je mehr Windungen desto weniger Strom, dafür aber mehr Spannung, wegen des Widerstandes des dünnen Drahts. Erste Grenze ist allerdings die Wärme, die in der Wicklung entsteht. Man kann also nur so viel Kraft erzeugen, wie die Wicklung von der Wärme her verträgt. Mehr Effekt kann man durch Verwendung eines Eisenkerns erreichen. Nur ist ein dünner gerader Stab wohl die schwierigste Form. Da verläuft der größte Teil des Feldes in der Luft. Erst mit einem Kern, der den größten Teil des Feldes in Eisen verlaufen lässt und einen möglichst schmalen Luftspalt hat, lassen sich nennenswerte Kräfte erzeugen ohne gleich Rauch zu entwickeln. Das sind dann sog. Elektromagnete wie sie in Magnetkupplungen, Relais usw. angewendet werden. Bei einer Nadel als Kern lassen sich nur minimale Kräfte erzeugen, die gerade an der Grenze des Nachweisbaren liegen. Ein etwas dickere Schraube (M8 oder M10) mit so hundert Windungen 0,5mm drauf bringen Kraft , so von einem zehntel bis halben Newton. Nebenbei: eine 9V-Batterie ist eine der verschwenderischsten Arten, Strom zu erzeugen. Ein altes Computernetzteil vom Schrott mit seinen 5V und vielen A Stromfähigkeit oder ein Trafo mit 20 bis 60W Leistung ist für solche ersten Versuche besser.
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Andre schrieb: > Ich benötige für ein kleines Projekt einen winzigen Elektromagnet Da wäre es das einfachste, wenn Du ein Relais passender Grösse "schlachtest". Wenn Du ein möglichst grosse Anzugskraft benötigst musst Du die Spule stark überlasten. Dieser überhöhte Strom muss natürlich sofort nach Anzug stark verringert werden.
Wie stark du die Windung erhitzen darfst hängt auch noch von der Einschaltdauer ab. Z.B. sind die Antriebsspulen in Modeleisenbahnweichen nur sehr kurzfristig bestrombar bevor sie durchbrennen. Meist sind da dann extra Unterbrecherschalter verbaut die die Spule abschalten.
Die ganze Anordnung soll ? Kraft entwickeln ? Fuer Kraft bemoetigt man ein inhomogenes Magnetfeld. Nicht ein moeglichst starkes. Ich wuerd mal damit beginnen. Was fuer eine Kraft soll entwickelt werden, ueber welchen Weg ?
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