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Forum: HF, Funk und Felder Verständnis Frage zu magnetischen Feldern


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Autor: Bernd (Gast)
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Hallo,

ich hoffe jemand kann mir weiterhelfen. Wenn ich durch eine Spule einen 
Wechselstrom treibe baut sich ein magnetisches Wechselfeld auf. 
Durchströmt dieses Feld eine zweite Spule, so wird in dieser eine 
Spannung induziert. Die Feldlinien gehen von der ersten Spule aus durch 
die Zweite und wieder zurück zur Ersten. Das nennt man induktive 
Kopplung.

Ich möchte nun wissen:
Gibt es eine Entfernung ab der die in sich geschlossenen Feldlinien sich 
von der ersten Spule abkoppeln, ähnlich Elektromagnetische Welle.

Autor: Stefan M. (derwisch)
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Ja, es gibt aber beide Komponenten einen HF Feldes nicht unabhängig von 
einander.
Also es gibt immer nur H-Feld und E-Feld als gegenseitige Ursache.

Eine rein magnetische ( H ) Aussendung gibt es im Fernfeld nicht.

: Bearbeitet durch User
Autor: Bernd (Gast)
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Also gibt es physikalische Grenzen für die induktive Kopplung. Genau 
dann wenn sich die Feldlinien nicht mehr bei der Senderspule schließen.

Autor: Walter K. (Gast)
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Bernd schrieb:
> Hallo,
>
...
> Ich möchte nun wissen: Gibt es eine Entfernung ab der die in sich
> geschlossenen Feldlinien sich von der ersten Spule abkoppeln, ähnlich
> Elektromagnetische Welle.

Das es diese Entfernung gibt, hast Du ja schon selbst beantwortet

Wie groß diese Entfernung ist hängt dann nicht zuletzt von der
Magnet. Suszeptibilität des Mediums ab, in dem sich die Feldlinien 
ausbreiten ( siehe auch Permeabilität )
, in deinem Beidpiel ist es wohl Luft

Autor: Rolf R. (dankobum)
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Bernd schrieb:
> Ich möchte nun wissen:
> Gibt es eine Entfernung ab der die in sich geschlossenen Feldlinien sich
> von der ersten Spule abkoppeln, ähnlich Elektromagnetische Welle.

Theoretische Elektrotechnik liegt bei mir schon etwas länger zurück, 
aber ich glaube:

Es hängt nicht von der Entfernung ab, sondern von der Frequenz im 
Vergleich zu den Abmessungen und Eigenschaften der Spule.

Wenn also die Feldlinien in der Nähe geschlossen sind, sind auch die 
geschlossen, die in größerer Entfernung existieren.

Koppeln sich die Felder ab, ist es eine elektromagnetische Welle.

Autor: Teo D. (teoderix)
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Rolf R. schrieb:
> Wenn also die Feldlinien in der Nähe geschlossen sind, sind auch die
> geschlossen, die in größerer Entfernung existieren.

Zum Glück, sonnst würde es sich "Bumm" machen. :)

https://de.wikipedia.org/wiki/Magnetischer_Monopol

Autor: r20 third (Gast)
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Hallo,
magnetische Feldlinien, bzw. der magnetische Fluß, den sie beschreiben, 
sind/ist immer geschlossen. Das geht aus den Maxwell-Gleichungen hervor.
Bei zunehmendem Abstand (und abhängig von der Orientierung) der Spulen 
nimmt die Kopplung ab, das heißt, ein geringerer Anteil des vom 
elektrischen Stromfluß in der ersten Spule erzeugten magnetischen 
Flusses durchdringt die zweite Spule.
Wie Du den Jefimenko-Gleichungen

https://en.wikipedia.org/wiki/Jefimenko%27s_equations
entnehmen kannst, entsteht das B-Feld zu einem Anteil durch eine 
statische Stromdichte (Ladungen konstanter Geschwindigkeit/Fläche) und 
zu einem weiteren Anteil durch die zeitliche Ableitung der Stromdichte 
(Änderung der Geschwindigkeit der Ladungen/Fläche). Der statische Anteil 
fällt mit dem Abstand quadratisch. Der beschleunigungsabhängige Anteil 
fällt mit dem Abstand lediglich linear.
Dies ist der Anteil, von Deinem Wechselfeld erzeugt, der als 
magnetischer Anteil einer elektromagnetische Welle im Fernfeld 
auftritt/verbleibt. Er breitet sich orthogonal zum elektrischen Anteil 
(das siehst Du am Kreuzprodukt) aus und ist im Fernfeld phasengleich mit 
dem elektrischen Anteil des EM-Feldes (der auch durch die Beschleunigung 
von Ladungen erzeugt wird und mit dem Abstand linear abfällt, auch hier 
sind die beiden anderen Teile im Fernfeld vernachlässigbar).
H-Feld und E-Feld sind NICHT gegenseitige Ursache. Sie werden
gemeinsam erzeugt und breiten sich gemeinsam aus. Bereits aufgrund der
Phasengleichheit könnten sie sich gar nicht gegenseitig verursachen!

Autor: Bernd (Gast)
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Ok, ersteinmal danke.
Wenn ich das Biot-Savart-Gesetz heranziehe um die magnetische 
Flussdichte im Abstand, zu einer Spule, zu messen, muss doch dann ab 
einem gewissen Abstand diese Gleichung ihre Gültigkeit verlieren. Oder 
wie kann man die magnetische Flussdichte, die von einer Spule erzeugt 
wird, in einem Abstand von 100km berechnen ? In dieser Entfernung ist 
die magnetische Welle völlig abgekoppelt vom Sender.

Autor: pA-philer (Gast)
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Bernd schrieb:
> Wenn ich das Biot-Savart-Gesetz heranziehe um die magnetische
> Flussdichte im Abstand, zu einer Spule, zu messen, muss doch dann ab
> einem gewissen Abstand diese Gleichung ihre Gültigkeit verlieren. Oder
> wie kann man die magnetische Flussdichte, die von einer Spule erzeugt
> wird, in einem Abstand von 100km berechnen ? In dieser Entfernung ist
> die magnetische Welle völlig abgekoppelt vom Sender.

Da Biot-Savart-Gesetz gilt nur fuer statische Magnetfelder, erzeugt 
durch statische elektrische Stroeme (die Jefimenko-Gleichung fuer B 
entspricht dem BS-Gesetz, ergaenzt um den dynamischen Teil).
Es ergibt sich aus den Maxwell-Gleichungen und ist auch fuer grosse 
Abstaende gueltig.
Das Wort Welle klingt bereits nach einer periodischen Aenderung.
Fuer beliebige, auch nur zu einem Zeitpunkt stattfindende, Aenderungen 
ist der Begriff Feldstoerung besser. Feldstoerungen (E und B) breiten 
sich mit der Lichtgeschwindigkeit des Mediums aus. Wellen sind 
periodische Feldstoerungen.
Die magnetische Flussdichte in einem Raumpunkt haengt davon ab, wie sich 
alle(!) Ladungen im Raum zu einer fruehren Zeit bewegt haben, die (pro 
Ladung) genau so lange zurueckliegt, wie die von ihnen jeweils erzeugten 
Feldstoerungen des EM-Feldes brauchten, um den von Dir gewuenschten 
Raumpunkt zu erreichen. Wenn Du in den Sternenhimmel schaust, siehst Du 
EM-Wellen, die zu unterschiedlichsten Zeiten erzeugt wurden (auf Deine 
Zeit bezogen) und jetzt gemeinsam in Deinem Auge eintreffen.

Es verbleibt die wichtige Frage, wie sich die Ladungen bewegt haben, da 
die durch sie erzeugten Feldstoerungen abhaengig von der 
Bewegungsrichtung sind (was man an der Koppeleffizienz zweier Spulen 
sieht, die man zueinander verdreht).
Eine gute Antenne ist eine Struktur, bei der die Ladungen so bewegt 
werden, dass die durch sie erzeugte Feldstoerung in Deinem gewuenschten 
Raumpunkt moeglichst gross wird. Eine schlechte Antenne ist eine 
Struktur, bei der die Ladungen so bewegt werden (z.B. dicht beieinander 
liegend gegenlaeufig) dass ihre erzeugten Feldstoerungen sich (in Deinem 
Raumpunkt) nahezu vollstaendig gegenseitig aufheben.
Ob in 100km Entfernung eine Rueckwirkungsfreiheit auf die Antenne 
vorliegt
(="Abkopplung"), haengt nur von der Wellenlaenge im Medium ab.

Du kannst zur approximativen Beantwortung Deiner Frage nach der 
Flussdichte einen magnetischen Dipol heranziehen:
https://de.wikipedia.org/wiki/Magnetischer_Dipol
(Fuer I im magnetischen Dipolmoment musst Du Deinen Wechselstrom 
einsetzen)
Hier wird auch die Richtungsabhaengigkeit deutlich.
In dieser Betrachtung ignorierst Du allerdings noch moegliche 
absorbierende und reaktive Effekte, wobei umliegende Ladungen durch die 
vom Dipol erzeugten Feldstoerungen bewegt werden (Energie aufnehmen) und 
auch ihrerseits Feldstoerungen erzeugen (Energie abgeben). Im leeren 
Weltraum ist das recht vernachlaessigbar, in einer Hoehle oder im Ozean 
(siehe parallelen Thread ueber EM-Ausbreitung in Wasser) jedoch nicht.

Autor: pA-philer (Gast)
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Sorry!
Falsche Formel!
Diese (dynamische) magnetische Dipolstrahlung ist gemeint:
https://en.wikipedia.org/wiki/Multipole_radiation#Magnetic_dipole_radiation

Autor: Jürgen Wissenwasser (Gast)
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Deine Frage läßt sich grob durch die Unterscheidung in Nah- und Fernfeld 
beschreiben: Im Nahfeld gibt es die Rückkopplung zum Sender, im Fernfeld 
nicht mehr; d.h. die EM-Welle hat sich vom Sender abgelöst und von einem 
Empfänger (bzw. 2. Spule oder anderes Element) gibt es Reflexionen.

Autor: Martin O. (ossi-2)
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Das Radar zeigt, dass auch weit entfernte Objekte eine Auswirkung auf 
das Feld des Sendeantenne haben.

Autor: Bernhard S. (gmb)
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Martin O. schrieb:
> Das Radar zeigt, dass auch weit entfernte Objekte eine Auswirkung auf
> das Feld des Sendeantenne haben.

Wenn deine Frau auf dem Sofa schläft und du möchtest sie wecken oder 
ärgern, du sitzt aber selber zu weit weg um sie mit dem Arm zu 
erreichen, dann kannst du einen Besenstiel nehmen und sie damit pieken. 
Das wäre das Äquivalent zu magnetischer Induktion, so wie der Sendespule 
messbar Energie entzogen wird merkst du den mechanischen Widerstand, 
wenn der Besenstiel deine Frau erreicht. Du kannst aber auch einen Ball 
nehmen und deiner Frau an den Kopf werfen, das wäre das Äquivalent zur 
elektromagnetischen Welle. Dein Wurfarm merkt nicht, ob der Ball das 
Ziel (oder ein Ziel) trifft oder verfehlt.

Autor: Cleveland (Gast)
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Hallo

"Hallo, magnetische Feldlinien, bzw. der magnetische Fluß, den sie 
beschreiben, sind/ist immer geschlossen. Das geht aus den 
Maxwell-Gleichungen hervor."

und

"Wenn ich das Biot-Savart-Gesetz heranziehe um die magnetische
Flussdichte..."

wow!

Ich finde es zwar sehr gut wenn hier nicht auf Kindergartenniveau 
diskutiert wird und es nicht beim "Frau wecken" Beispiel bleibt, aber 
das ist doch ein ganz klein wenig übertrieben.

Eigentlich ist das kein Physiker Forum - daher wäre es schön einen neuen 
Thread zu eröffnen oder noch besser den "normalen" Hobbyelektroniker 
kurz und einfach (wenn es den möglich ist...) zu erklären warum in wie 
das aus der Maxell-Gleichung hervorgeht bzw. das Biot-Savart-Gesetz 
Laientauglich zu erklären.
Googeln hilft einen Laien oder selbst einen vorgebildeten 
Hobbyelektroniker nicht wirklich viel, da das doch recht heftiger Stoff 
ist den man nicht "mal eben so versteht" ohne entsprechende Vorbildung.

Also zeigt mal ob ihr gute Wissensvermittler seid ;-)

Autor: Johann L. (gjlayde) Benutzerseite
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Rolf R. schrieb:
> Theoretische Elektrotechnik liegt bei mir schon etwas länger zurück,
> aber ich glaube:
>
> Es hängt nicht von der Entfernung ab, sondern von der Frequenz im
> Vergleich zu den Abmessungen und Eigenschaften der Spule.

IIUC hängt es von beiden ab.

> Wenn also die Feldlinien in der Nähe geschlossen sind, sind auch die
> geschlossen, die in größerer Entfernung existieren.
>
> Koppeln sich die Felder ab, ist es eine elektromagnetische Welle.

Hier unterscheidet man zwischen Nahfeld, Fresnel-Feld und Fernfeld.  Die 
entsprechenden Felder sind in jedem Abstand vorhanden allerdings weisen 
sie eine unterschiedliche Abstandscharakeristiken auf:

Nahfeld: (magnetische) Feldstärke geht mit 1/r^3

Fresnel-Feld: (elektrische) Feldstärke geht mit 1/r^2

Fernfeld: Feldstärke geht mir 1/r

https://en.wikipedia.org/wiki/Near_and_far_field#Compared_to_the_far_field

Je nach Abstand können also bestimmte Komponenten vernachlässigt werden. 
Bei "großem" Abstand dominiert 1/r, bei "kleinem" Abstand dominiert 
1/r^3.  Was dabei "groß" und "klein" ist bzw. "fern" und "nah" hängt 
dann von Frequenz und Bauform der Antenne ab und wird teilweise auch 
definiert:

https://en.wikipedia.org/wiki/Near_and_far_field#Definitions

Autor: Michael B. (laberkopp)
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Bernd schrieb:
> Gibt es eine Entfernung ab der die in sich geschlossenen Feldlinien sich
> von der ersten Spule abkoppeln, ähnlich Elektromagnetische Welle.

Ja, siehe (vereinfachend gegenüber den eher wissenschaftlichen 
Abhandlungen bisher hier) das Prinzip der magnetischen Antenne, vor 
allem bei niedrigen Frequenzen üblich in der Verwendung.

https://de.wikipedia.org/wiki/Magnetantenne

Autor: Hirnschaden, H. (Firma: Happy Computing MDK Inc.) (hirnschaden)
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Ainen gudden!

Cleveland schrieb:
> warum in wie das aus der Maxell-Gleichung hervorgeht

Das ist ganz einfach eine Tangente.

Dwianea
hirnschaden

Autor: Bernhard S. (gmb)
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Cleveland schrieb:
> ... kurz und einfach (wenn es den möglich ist...) zu erklären warum in wie
> das aus der Maxell-Gleichung hervorgeht bzw. das Biot-Savart-Gesetz
> Laientauglich zu erklären.

Das ist nicht einfach, da Biot Savart und erst Recht die Maxwellschen 
Gleichungen eines an Mathematik erfordern um sie zu verstehen. Ich 
versuche es mal so knapp wie ich es hinbekomme:

Die zweite Maxwellsche Gleichung sagt, dass das Magnetfeld divergenzfrei 
(=quellenfrei) ist. Diesen Zusammenhang kann man umformen in eine 
Integralform, die mathematisch exakt die gleiche Aussage hat aber 
vielleicht anschaulicher ist: Ein Integral des Magnetfeldes über eine 
geschlossene Oberfläche ist immer Null. Stell dir gedanklich vor du hast 
eine irgendwie geformte Oberfläche und teilst sie in sehr kleine gleich 
große Miniflächen, für jede dieser Flächen nimmst du den Teil der 
magnetischen Flussdichte, der senkrecht durch diese Fläche geht. Diese 
Werte addierst du für alle deiner Miniflächen - das Ergebnis wird laut 
Maxwell Null sein. Wenn man drüber nachdenkt dann bedeutet das, dass 
keine Magnetfeldlinien irgendwo "herauskommen" (zumindest nicht mehr als 
"hineingehen") und damit kann es nur geschlossene Magnetfledlinien geben 
bzw. den einen Spezialfall einer geraden unendlich langen 
Magnetfeldlinien wie zum Beispiel auf der Achse einer Spule.

Biot Savart ist eine Formel, mit der du aus beliebig geformten Strömen 
das Magnetfeld in jedem beliebigen Punkt im Raum errechnen kannst. Das 
kann ein Linienstrom wie in einem dünnen Leiter sein oder ein 
(elektrischer-) Volumenstrom in leitfähigen Körpern (z.B. Erdboden).

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