Elektromagnete

[blisslfutz]

Hallo,

kurz vorweg: Ich war nie sonderlich gut in Physik, speziell der Bereich der Elektrotechnik war bisher immer ein Buch mit sieben Sigeln fürn mich. Also nicht weinend davon laufen, wenn ich totalen Mist zusammenschreibe
So langsam möchte ich mich aber in die Materie einarbeiten, da man doch das ein oder andere nette Zeug basteln kann.
Für die Idee, die ich aktuell im Kopf habe, brauch ich Elektromagneten. Möglichst klein, relativ stark (ca. 100g Haftkraft sollten eigentlich reichen). Je stärker und je kleiner ist natürlich besser.
Idee ist, dass ich eine Fläche mit möglichst vielen Magneten möglichst eng besetzen kann. Diese sollen später einzelnd angesteuert werden.

https://www.roboternetz.de/community/threads/1488-Elektromagnet/page3
Hier wurd ein bisschen was zum Elektromagneten erörtert. Ich bin aber nicht hunderprozentig schlau drauß geworden. Die benutzte Formel war F = (H * A * 2 * Pi * 10^-7)/ x² mit H magnetische Feldstärke, A die Oberfläche des Magneten und x der Abstand.
Da mich die Haftkraft interessiert müsste ich x eigentlich 0 wählen, ist aber eher suboptimal. Baulich bedingt kommt eh eine Platte auf die Magnete. Diese wird ca. 1 mm dick sein. Angenommen ich möchte die 100g direkt hinter der Platte haben brauche ich ein F von 1. A setze ich erstmal auf 1cm², diese Größenordnung wäre ziemlich toll für die späteren Magneten. H berechnet sich ja durch Stromstärke *Wicklungen/Länge. Weiterhin nehme ich an, dass ich den Magneten auf einer Länge von 10cm zusammenbastel.
Dann würde ich bei 140 Wicklungen und 0,1 Ampere auf 1,2 N kommen. Würde für mich völlig ausreichen.
Habe ich hier einen Fehler gemacht, oder passt das soweit? Falls keine groben Fehler da sind, wo und wie muss ich hier noch den Spulenkern berücksichtigen?

Angenommen mein berechneter Kram stimmt. Dann müsste ich bei einem 1cm dicken und 10cm langen Eisenstab und einem 0,5mm dicken Draht 20 Wicklungen nebeneinander kriegen. Brauch ich 7 Lagen und insgesamt knapp 9 m Kabel. Wäre dann ein Widerstand von 0,11 Ohm. Also müsste meine Stromversorgung ca. 0,01 Volt liefern. Bzw. bei einer 4,5 Volt Batterie muss ich noch einen Widerstand mit 45 Ohm einbauen.

Wie anfangs gesagt habe ich quasi keine Erfahrung und mein Wissen ist eher schlecht als recht. Jedoch finde ich, dass der benötigte Strom ziemlich wenig ist.

Ich will das zu Beginn eher auf theoretische Ebene halten, bevor ich mir Kram hole, wenn ich das mit den Magneten eh nicht bewerkstelligen kann. Ich habe mir aber eine 4,5 Volt Blockbatterie und ein bisschen 1mm dicken Kupferdraht geholt. Bei ca. 30-40 Wicklungen um eine Schraube hab ich zwar einen schwachen Magneten, allerdings wird der verdammt schnell ziemlich warm. Was kann ich tun, um das zu verhindern? Da ich bei dem kurzen Stück draht quasi keinen Widerstand habe, fließt wohl recht viel Ampere durch, was vermutlich die Wärme erklärt. Jedoch müsste mit der Rechnung bezüglich der Stärke der Magnet 11kg Zugkraft haben. Was so nicht ganz stimmt.

Ich hoffe ihr könnt mir helfen^^

Grüße

Edit: Vorher kommt die Verlinkung zu Amazon beim Buch? Habe da eigentlich nichts stehen^^

[Hubert.G]

Mit dieser Materie habe ich mich noch nie ernstlich auseinandergesetzt.
Aber auf 10cm bekommst du 200 Windungen 0,5mm Draht.

[blisslfutz]

Ja das stimmt natürlich, weiß nciht, was da bei mir falsch lief. Habe mich heute nochmal rangesetzt, hatte in meiner Exceldatei an einer Stelle noch ein Quadrat stehen, was da so nicht hingehört hat. Jetzt ergeben die Zahlen auch etwas mehr Sinn. Wobei ich in diesem Zusammenhang immernoch nicht verstanden habe, warum die Oberfläche des Magneten betrachtet wird und wie genau die Formel hergeleitet wird.
Auf Wikidepia bin ich fündig geworden, wie man den Tesla-wert berechnet. Habe aber nichts im Internet gefunden, um diesen Wert in Newton umrechnen zu können. Ich bräuchte dafür irgendwas mit der Eineit Ampere*meter, um Tesla in Newton umrechen zu können. (1 T = 1 N/Am).
Einzige was ich bezüglich A*m gefunden habe st, dass es der SI-Wert für die Stärke der Pole eines Magneten ist. Und dies berechnet sich mit 1 C * m/s. Wenn ich die Feldstärke berchnen mächte, müsste ich also berechnen, wie viel Strom pro Sekunde durch meinen Elektromagneten fließt (für C) und dann messen, wie schnell sich etwas durch Magnetfeld bewegt? dann hätte ich die Magnetstärke an den entsprechenden Punkt. Dies müsste ich dann ja mithilfe des Superpositionsprinzp berechnen können. Wie auch bei einem elektrischen Feld. Hierzu müsste ich über die Abstände der einzelnen gemessen Punkte differenzieren. Sollte beim Magnetfeld ja ziemlich ähnlich funktionieren.

Inwiefern kann ich hier jetzt aber auf die Stärke an einen Punkt kommen, wenn ich nur den Tesla-wert habe? Kann man die magnetische Feldstärke irgendwie direkt berechnen, ohne versuche durchzuführen?

Die magnetische Flussdichte(Tesla) kann ich ja relativ einfach über magnetische Feldkonstante * ermeabilität der Spule * Stromstärke * Wicklungszahl/Länge ermitteln.

Nochmal zu Berechnung der Stromstärke:
Diese ermittelt sich ja durch U/R. Der Widerstand eines Kupferkabels ist 0,0171 * (1+0,0039*(Temperatur-20)) * Länge in m/Querschnitt in mm². Bei einem 10m langen und 5mm dicken Kabel komme ich bei 20° auf 0,002 Ohm. Ist der Wert realistisch oder habe ich wieder einen komischen Fehler eingebaut?
Bei einer angeschlossenen Batterie 4,5V, ohne Eigenwiderstand würde bei dem Kabel dann ja über 2000 Ampere fließen. Was für praktische Unterschiede hat es, wenn ich eine Batterie mit 2V und einem Widerstand von 1, bzw eine Batterie mit 4V und einem Widerstand von 2 nehme?

Letzte Frage: Gibt es sinvolle Ansätze um die Wärmeentwicklung abschätzen zu können? Leider gerade nicht genug Zeit. Würde heute Abend das Internet durchsuchen, wenn ich wieder zu Hause bin. Grobe Idee von mir wäre: Ich muss mit dem Gewicht der Spule und der spezifischen Wärmekapazität des Kupfers und der Energie die ich durchfließen lasse ausrechnen, wie stark es sich erwärmt. Dann noch ermitteln, wie viel Temperatur in der gleichen Zeiteinheit über die Oberfläche an die Umgebung (Luft) abgegeben werden kann. Der Einfachheit halte ich die Außentemperatur konstant. Wenn man nun so wenig Strom durch den Draht fließen lässt, dass die Temperaturerhöhung - Abgabe kleiner oder gleich 0 ist, dürfte sich ncihts erwärmen. Falls es doch dazu kommt, wird ja der Strom, der durch den Draht fließt immer weniger, da der Widerstand des Drahtes ansteigt. Folglich kann er sich nicht mehr so stark erhitzen.
Übersehe ich was, bzw. sind die Größenordnungen der einzelnen Werte überhaupt von praktischer Relevanz?

Grüße

[hbquax]

Ich habe jetzt nichts nachgerechnet, aber z.B. dein Widerstand kommt mir sehr klein vor. Hast du die Einheiten jeweils durch die Rechnungen mit durchgezogen (Stichwort Einheitenkontrolle), oder einfach nur mit den Zahlen gerechnet? Du hantierst da munter mit m, mm, cm² usw....

Zusatztipp: Kabelquerschnitt = pi * R^2 = pi/4 * D^2

[indeas]

Beim Haftmagneten ist vor allem der Luftspalt und damit die Konstruktion entscheidend; (wirkt ja mit 1/X²).
Da zählt jedes µ; es sind also zwei Dinge zu beachten
1. Das Joch am besten aus dem Vollen herstellen (keinen weiteren Luftspalt für den Rückfluss).
2. Die Oberflächen müssen 100%ig plan sein. Selbst bei den einfachen Haftmagneten sind diese überschliffen und haben auch keine Oberfläche (verzinkt oder ähnliches)

Noch ein was zur Mechanik: beiden Flächen die über das zu haltenden Teil miteinander verbunden werden sollten gleich groß sein.

Zu Deiner Spule:
Möglichst hohe Durchflutung (w*I) heißt viele, viele, viele Windungen. Da kommst Du mit Klingeldraht nicht weit; Du brauchst Wickeldraht mit Durchmessern <0,2mm.
Das kann man aber ausrechnen, wenn Du das Wickelfenster und den Sollwiderstand hast, dann man den passenden Drahtdurchmesser und die Wicklungszahl ausrechnen.