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%29Andre schrieb:> Constraints
Als Laie mit Fremdwörtern um sich fuchteln, nette Sache.
Andre schrieb:> abgefackelt
Die Batterie? Der Nagel? Der Draht? Wieso wohl ?
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?
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...) ;-)
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.
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.
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 ?
