Elektromagnet berechnen - die Physikexpertin erklärt es für eine Spule

Elektromagnete - das sollten Sie wissen

• Die Versuche des dänischen Physikers Hans Christian Oersted zeigten im 19. Jahrhundert, dass sich Kompassnadeln durch stromführende Drähte ablenken lassen.
• Dementsprechend muss ein stromdurchflossener Leiter ebenfalls ein Magnetfeld erzeugen - dies gilt als die Geburtsstunde des Elektromagnetismus.
• Im Gegensatz zu (natürlichen) Permanentmagneten hat der Elektromagnetismus viele Vorteile. So lässt sich seine Feldstärke beispielsweise durch die Größe des Stroms bestimmen. Zudem kann durch An- und Abschalten des Stroms Magnetismus erzeugt, aber auch wieder gelöscht werden.
• Besonders geeignet als starke Elektromagnete sind Spulen, also aufgewickelte Drähte, die dadurch auf kleinem Raum ein nahezu homogenes Magnetfeld erzeugen können.
• Eine Verstärkung dieses Magnetfeldes ist durch einen Eisenkern möglich, der von der Spule magnetisiert wird. In vielen Elektromotoren finden sich derartige Spulen.

Magnetfeld der Spule berechnen - so wird's gemacht

1. Die charakteristische Größe eines Magnetfeldes, egal ob Permanent- oder Elektromagnet, ist die sog. magnetische Flussdichte B (teilweise vereinfacht auch magnetische Feldstärke genannt, obwohl dieser Begriff so nicht ganz richtig ist).
2. Die magnetische Flussdichte B wird in der internationalen Einheit "Tesla" (abgekürzt: T) zu Ehren des Physikers Nicola Tesla gemessen.
3. Die Formel, mit der sich die Flussdichte einer (dünnen) Spule berechnen lässt, lautet: B = µ_o* µ_r* I _* n/l. Dabei bedeuten µ_o die magnetische Feldkonstante, eine Naturkonstante mit dem Wert 1,257 _* 10^-6 Tm/A, µ_r die sog. Permeabilitätszahl des Stoffes, der in der Spule ist, I die Stromstärke in Ampere, die durch die Spule fließt sowie n die Windungszahl und l die Länge der Spule in Metern.
4. Die Formel zeigt, dass die magnetische Flussdichte dieses Elektromagneten umso größer wird, je stärker der fließende Strom und je mehr Windungen die Spule pro Länge hat. Zudem achte man darauf, in der Spule ein Material zu verwenden, dass eine möglichst große Permeabilität, sprich Verstärkung des Magnetfeldes bewirkt. Hier erweisen sich Eisen sowie Legierungen, wie Permalloy, als besonders günstig. 
5. Als Beispiel soll die Flussdichte einer Spule berechnet werden, die einen Eisenkern (µ_r etwa 800 für Gusseisen) hat. Die Spule habe eine Länge von l = 0,1 m sowie 50 Windungen. Der Erregerstrom betrage I = 0,2 A.
6. Sie berechnen nach der Formel: B = µ_o* µ_r* I _* n/l = 1,257 _* 10^-6 Tm/A _* 800 _*  0,2 A _* 50/0,1 m = 0,1 T.
7. Zum Vergleich: Die Stärke des Erdmagnetfeldes beträgt 5 _* 10^-5 T. Dies zeigt, dass Spulen sehr effiziente Elektromagnete sein können. In medizinischen Magnetresonanztomographen betragen die Feldstärken teilweise bis zu 4 T und werden auch dort von (supraleitenden) Spulen erzeugt. In Beschleunigern sind die Feldstärken noch weitaus höher und halten die schnellen Teilchen auf ihrer Bahn.