Magnetfelder kennen Sie von Magneten, die andere Magneten oder Eisen anziehen. Diese Magneten bezeichnen wir in diesem Tutorial als Permanentmagneten. Sie verursachen ein Magnetfeld oder ein magnetisches Feld in ihrer Nähe. Permanentmagneten alleine sind für technische Einsätze nur bedingt geeignet, denn ihr Feld kann nicht verändert oder ausgeschaltet werden.
Bewegte elektrische Ladung in Form eines elektrischen Stroms verursache ebenfalls ein magnetisches Feld. Jeder Strom durch ein Kabel hat also ein Magnetfeld zur Folge. Dieses Magnetfeld ist über den Strom veränderbar, deshalb konzentrieren wir uns in diesem Tutorial auf diese Art der Erzeugung von Magnetfeldern.
Wenn Strom durch einen langen graden Draht bzw. eine Leitung fließt, entsteht um den Draht herum bereits ein Magnetfeld. Es ist kreisförmig um den Draht herum ausgerichtet. Die Richtung des Felds ermitteln wir wieder nicht aus Formeln sondern mit Merksätzen: Die „Rechte-Hand-Regel“ besagt:
Der Daumen zeigt in Richtung des Stroms (technische Stromrichtung)
Die restlichen leicht gekrümmten Finger der rechten Hand zeigen in die Richtung des Felds
Intensität und Richtung des Magnetfelds werden wieder durch Feldlinien beschrieben. Die Dichte der Feldlinien zeigt die Intensität des Felds an. Sie ist nah am Draht groß und nimmt mit steigendem Abstand stark ab.
Feldlinien magnetischer Felder sind immer geschlossen. Sie haben keinen Anfang und kein Ende. Bei elektrischen Feldern zeigen sie immer von der positiven Ladung zur negativen Ladung und verbinden diese. Hier gibt es einen klaren Anfang und ein Ende der Feldlinie.
Kopplung
Elektrischer Strom durch einen Leiter bewirkt ein Magnetfeld. Anders herum bewirkt ein Magnetfeld einen elektrischen Strom in einem Leiter. Das Prinzip ist bidirektional. Sie müssen in einer Schaltung mit Spulen immer aufpassen, dass die Magnetfelder der Spulen nicht ungewollt Ströme in anderen Schaltungsteilen erzeugen.
Betrachten wir zwei parallel verlaufende Kabel. Im ersten Kabel fließt Strom. Der Strom IErzeuger erzeugt ein Magnetfeld rund um das Kabel. Das zweite Kabel liegt in diesem Magnetfeld. Das Magnetfeld erzeugt (bidirektionale Wirkung) einen Strom IEingekoppeltim zweiten Kabel.
Damit führt das zweite Kabel einen ungewollten Strom, nur weil es unmittelbar neben dem anderen Kabel verlegt worden ist.
Hinweis: Hier liegt eine starke Vereinfachung vor: Die Kopplung erfolgt über Induktion einer Spannung, die dann einen Strom zur Folge hat. So tief steigen wir an dieser Stelle aber nicht in die Physik ein.
Gewollte und ungewollte Felder gibt es überall Schaltungen (und Schaltschränken) der Leistungselektronik. Diese Felder bewirken in benachbarten Schaltungsteilen ungewollt Ströme, die diese anderen Schaltungen stören. Felder wirken besonders intensiv auf Kabel (lange elektrische Leiter), die Felder wie Antennen „aufsaugen“. Viele Felder werden von Kabeln erzeugt. Wir nennen Erzeuger und Empfänger von Feldern auch „Antennen“. Sie müssen Schaltungsteile und Kabel über Schirmung vor Magnetfeldern schützen.
Eine Schirmung besteht aus magnetisch leitfähigem Material. Ein Kabel kann z. B. von einem Metallgeflecht ummantelt werden. Das wird im Haushalt vor allem bei Netzwerkkabeln (CAT) gemacht. Das Metallgeflecht wirkt als Schirmung gegen Felder. Das Kabel sendet dadurch weniger Felder aus und es empfängt auch weniger fremde Felder.
Trifft ein Magnetfeld auf eine Schirmung, wird darin ein Stromfluss erzeugt. Dieser Stromfluss erzeugt am Widerstand des Schirmungsmaterials eine elektrische Leistung. Dadurch sinkt die Energie und damit die Intensität des Magnetfelds. Der Strom in der Schirmung muss irgendwohin abgeleitet werden. Normalerweise schließen wir deshalb die Schirmung an Masse oder in einem Schaltschrank an PE oder FE (Funktionserde) an.
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