Elektromagnet

Ein einfacher Elektromagnet, der aus einer Spule aus Draht besteht, die um einen Eisenkern gewickelt ist. Ein Kern aus ferromagnetischem Material wie Eisen dient zur Verstärkung des erzeugten Magnetfelds. Die Stärke des erzeugten Magnetfelds ist proportional zur Stromstärke, die durch die Wicklung fließt. ⓘ

Von einer Magnetspule (Drahtspule) erzeugtes Magnetfeld. Diese Zeichnung zeigt einen Querschnitt durch die Mitte der Spule. Die Kreuze sind Drähte, in denen der Strom in die Seite fließt; die Punkte sind Drähte, in denen der Strom nach oben aus der Seite fließt. ⓘ

Ein Elektromagnet ist eine Art Magnet, bei dem das Magnetfeld durch elektrischen Strom erzeugt wird. Elektromagnete bestehen normalerweise aus Draht, der zu einer Spule gewickelt ist. Der durch den Draht fließende Strom erzeugt ein Magnetfeld, das sich in dem Loch konzentriert, das den Mittelpunkt der Spule darstellt. Das Magnetfeld verschwindet, wenn der Strom abgeschaltet wird. Die Drahtwindungen sind oft um einen Magnetkern aus einem ferromagnetischen oder ferrimagnetischen Material wie Eisen gewickelt; der Magnetkern konzentriert den Magnetfluss und macht einen stärkeren Magneten aus. ⓘ

Der Hauptvorteil eines Elektromagneten gegenüber einem Dauermagneten besteht darin, dass das Magnetfeld durch Steuerung der Stromstärke in der Wicklung schnell verändert werden kann. Im Gegensatz zu einem Dauermagneten, der keinen Strom benötigt, ist bei einem Elektromagneten jedoch eine kontinuierliche Stromzufuhr erforderlich, um das Magnetfeld aufrechtzuerhalten. ⓘ

Elektromagnete werden häufig als Bestandteile anderer elektrischer Geräte verwendet, z. B. in Motoren, Generatoren, elektromechanischen Solenoiden, Relais, Lautsprechern, Festplatten, MRT-Geräten, wissenschaftlichen Instrumenten und Geräten zur magnetischen Trennung. Elektromagnete werden auch in der Industrie zum Aufnehmen und Bewegen schwerer Eisengegenstände wie Eisenschrott und Stahl eingesetzt. ⓘ

In der Spule befindet sich meist ein offener Eisenkern, der das Magnetfeld führt und verstärkt. Die Erfindung des Elektromagneten gelang dem Engländer William Sturgeon im Jahre 1826. Erstmals nachgewiesen wurde die elektromagnetische Wirkung 1820 von dem dänischen Physiker Hans Christian Ørsted. ⓘ

Geschichte

Elektromagnet von Sturgeon, 1824

Einer von Henrys Elektromagneten, der Hunderte von Pfund heben konnte, 1830er Jahre

Nahaufnahme eines großen Henry-Elektromagneten ⓘ

Der dänische Wissenschaftler Hans Christian Ørsted entdeckte im Jahr 1820, dass elektrische Ströme Magnetfelder erzeugen. Der britische Wissenschaftler William Sturgeon erfand den Elektromagneten im Jahr 1824.

Sein erster Elektromagnet war ein hufeisenförmiges Stück Eisen, das mit etwa 18 Windungen blankem Kupferdraht umwickelt war (isolierten Draht gab es damals noch nicht). Das Eisen wurde lackiert, um es von den Wicklungen zu isolieren. Wenn ein Strom durch die Spule floss, wurde das Eisen magnetisiert und zog andere Eisenstücke an; wurde der Strom abgestellt, verlor es seine Magnetisierung. Sturgeon demonstrierte seine Kraft, indem er zeigte, dass er, obwohl er nur sieben Unzen (etwa 200 Gramm) wog, neun Pfund (etwa 4 Kilo) heben konnte, wenn der Strom einer einzelligen Stromquelle angelegt wurde. Sturgeons Magnete waren jedoch schwach, weil der von ihm verwendete unisolierte Draht nur in einer einzigen, mit Abstand angeordneten Schicht um den Kern gewickelt werden konnte, was die Anzahl der Windungen begrenzte. ⓘ

Ab 1830 verbesserte der US-Wissenschaftler Joseph Henry den Elektromagneten systematisch und machte ihn populär. Durch die Verwendung von mit Seidenfaden isoliertem Draht und inspiriert von Schweiggers Verwendung mehrerer Drahtwindungen zur Herstellung eines Galvanometers war er in der Lage, mehrere Lagen Draht auf Kerne zu wickeln und so leistungsstarke Magnete mit Tausenden von Drahtwindungen zu schaffen, darunter einen, der 936 kg (2.063 lb) tragen konnte. Der erste große Einsatz von Elektromagneten war die Verwendung in Telegrafenlautsprechern. ⓘ

Die Theorie der magnetischen Domäne, die beschreibt, wie ferromagnetische Kerne funktionieren, wurde erstmals 1906 von dem französischen Physiker Pierre-Ernest Weiss vorgeschlagen, und die detaillierte moderne quantenmechanische Theorie des Ferromagnetismus wurde in den 1920er Jahren von Werner Heisenberg, Lev Landau, Felix Bloch und anderen ausgearbeitet. ⓘ

Anwendungen von Elektromagneten

Industrieller Elektromagnet beim Heben von Eisenschrott, 1914 ⓘ

Ein portativer Elektromagnet ist ein Elektromagnet, der nur dazu dient, Material an seinem Platz zu halten; ein Beispiel ist ein Hebemagnet. Ein ziehender Elektromagnet übt eine Kraft aus und bewegt etwas. ⓘ

Elektromagnete werden sehr häufig in elektrischen und elektromechanischen Geräten verwendet, z. B:

• Motoren und Generatoren
• Transformatoren
• Relais
• Elektrische Glocken und Buzzer
• Lautsprechern und Kopfhörern
• Aktuatoren wie Ventile
• Magnetische Aufzeichnungs- und Datenspeichergeräte: Tonbandgeräte, Videorekorder, Festplatten
• MRI-Geräte
• Wissenschaftliche Geräte wie z. B. Massenspektrometer
• Teilchenbeschleuniger
• Magnetische Schlösser
• Magnetische Trenngeräte, die zum Trennen von magnetischem und nichtmagnetischem Material verwendet werden, z. B. zum Trennen von eisenhaltigem Metall von anderem Material in Schrott.
• Industrielle Hebemagnete
• Magnetschwebetechnik, die in einer Magnetschwebebahn oder in Zügen verwendet wird
• Induktionserwärmung zum Kochen, zur Herstellung und zur Hyperthermietherapie ⓘ

Elektromagnet im Labor. Erzeugt ein Feld von 2 T bei einem Strom von 20 A.

Magnet in einem Massenspektrometer

Wechselstrom-Elektromagnet auf dem Stator eines Elektromotors

Magnete in einer elektrischen Glocke

Sextupol-Fokussierungsmagnet in einem Synchrotron ⓘ

Einfacher Solenoid

Ein üblicher Zugelektromagnet besteht aus einer gleichmäßig gewickelten Magnetspule und einem Tauchanker. Die Magnetspule ist eine Drahtspule, der Kolben besteht aus einem Material wie Weicheisen. Durch Anlegen eines Stroms an die Magnetspule wird eine Kraft auf den Tauchkolben ausgeübt, die ihn in Bewegung setzen kann. Der Anker stoppt seine Bewegung, wenn die auf ihn wirkenden Kräfte ausgeglichen sind. Die Kräfte sind zum Beispiel ausgeglichen, wenn der Kolben in der Mitte des Magneten sitzt. ⓘ

Der maximale gleichmäßige Zug ist gegeben, wenn sich ein Ende des Kolbens in der Mitte der Magnetspule befindet. Ein Näherungswert für die Kraft F ist

$F=CAnI/l$

wobei C eine Proportionalitätskonstante, A die Querschnittsfläche des Tauchankers, n die Anzahl der Windungen im Magneten, I der Strom durch den Magnetdraht und l die Länge des Magneten ist. Für Einheiten, die Zoll, Pfund Kraft und Ampere mit langen, schlanken Magneten verwenden, liegt der Wert von C bei etwa 0,009 bis 0,010 psi (maximale Zugkraft Pfund pro Quadratzoll der Kolbenquerschnittsfläche). Eine 12 Zoll lange Spule (l=12 in) mit einem langen Kolben von 1 Quadratzoll Querschnitt (A=1 in²) und 11.200 Amperewindungen (n I=11.200 Aturn) hat beispielsweise eine maximale Zugkraft von 8,75 Pfund (entsprechend C=0,0094 psi). ⓘ

Die maximale Zugkraft wird erhöht, wenn ein magnetischer Anschlag in die Magnetspule eingesetzt wird. Der Anschlag wird zu einem Magneten, der den Kolben anzieht; er trägt nur wenig zur Anziehungskraft des Magneten bei, wenn der Kolben weit entfernt ist, erhöht aber die Anziehungskraft dramatisch, wenn sie nahe beieinander liegen. Ein Näherungswert für die Anziehungskraft P ist

$P=AnI[(nI/l_{\mathrm {a} }^{2}C_{1}^{2})+(C/l)]=(An^{2}I^{2}/l_{\mathrm {a} }^{2}C_{1}^{2})+(CAnI/l)$

Dabei ist la der Abstand zwischen dem Ende des Anschlags und dem Ende des Stößels. Die zusätzliche Konstante C₁ für Einheiten von Zoll, Pfund und Ampere bei schlanken Magneten beträgt etwa 2660. Der zweite Term in der Klammer steht für die gleiche Kraft wie beim Magneten ohne Anschlag oben; der erste Term steht für die Anziehungskraft zwischen dem Anschlag und dem Stößel. ⓘ

An der Grundkonstruktion können einige Verbesserungen vorgenommen werden. Die Enden des Anschlags und des Stößels sind oft konisch. Der Stößel kann zum Beispiel ein spitzes Ende haben, das in eine entsprechende Aussparung im Anschlag passt. Durch diese Form wird die Zugkraft des Magneten in Abhängigkeit vom Abstand gleichmäßiger. Eine weitere Verbesserung ist die Hinzufügung eines magnetischen Rückführpfades um die Außenseite des Magneten (ein "eisenbeschichteter Magnet"). Der magnetische Rückweg hat, ebenso wie der Anschlag, nur eine geringe Auswirkung, solange der Luftspalt klein ist. ⓘ

Physik

Ein Strom (I) durch einen Draht erzeugt ein Magnetfeld (B). Das Feld ist nach der Rechten-Hand-Regel ausgerichtet. ⓘ

Die magnetischen Feldlinien einer stromdurchflossenen Drahtschleife verlaufen durch den Mittelpunkt der Schleife und bündeln das Feld dort ⓘ

Das Magnetfeld, das durch einen Stromfluss durch eine Spule erzeugt wird ⓘ

Ein elektrischer Strom, der durch einen Draht fließt, erzeugt aufgrund des Ampere'schen Gesetzes ein Magnetfeld um den Draht (siehe Zeichnung unten). Um das Magnetfeld zu konzentrieren, wird der Draht in einem Elektromagneten zu einer Spule mit vielen nebeneinander liegenden Drahtwindungen gewickelt. Das Magnetfeld aller Drahtwindungen geht durch die Mitte der Spule und erzeugt dort ein starkes Magnetfeld. Eine Spule, die die Form einer geraden Röhre (einer Spirale) hat, wird als Solenoid bezeichnet. ⓘ

Die Richtung des Magnetfelds durch eine Drahtspule lässt sich mit einer Form der Rechte-Hand-Regel ermitteln. Wenn die Finger der rechten Hand in Richtung des Stromflusses (konventioneller Strom, Fluss positiver Ladung) durch die Wicklungen um die Spule gewickelt sind, zeigt der Daumen in die Richtung des Feldes im Inneren der Spule. Die Seite des Magneten, aus der die Feldlinien austreten, wird als Nordpol bezeichnet. ⓘ

Wesentlich stärkere Magnetfelder können erzeugt werden, wenn sich im Inneren der Spule ein "Magnetkern" aus einem weichen ferromagnetischen (oder ferrimagnetischen) Material, wie z. B. Eisen, befindet. Ein Kern kann das Magnetfeld aufgrund der hohen magnetischen Permeabilität μ des Materials auf das Tausendfache der Stärke des Feldes der Spule allein erhöhen. Dies nennt man einen Elektromagneten mit ferromagnetischem Kern oder Eisenkern. Allerdings verwenden nicht alle Elektromagneten Kerne, und die stärksten Elektromagneten, wie supraleitende und Hochstrom-Elektromagneten, können sie aufgrund von Sättigung nicht verwenden. ⓘ

Das Ampere'sche Gesetz

Die Definitionen der nachstehenden Variablen finden Sie im Kasten am Ende des Artikels. ⓘ

Das Magnetfeld von Elektromagneten ist im allgemeinen Fall durch das Ampere'sche Gesetz gegeben:

$\int \mathbf {J} \cdot d\mathbf {A} =\oint \mathbf {H} \cdot d\mathbf {l}$ ⓘ

Es besagt, dass das Integral des magnetisierenden Feldes $\mathbf {H}$ um eine beliebige geschlossene Schleife gleich der Summe des Stroms ist, der durch die Schleife fließt. Eine weitere Gleichung, die das Magnetfeld für jeden kleinen Stromabschnitt angibt, ist das Biot-Savart-Gesetz. Die Berechnung des Magnetfelds und der Kraft, die von ferromagnetischen Materialien ausgeht, ist aus zwei Gründen schwierig. Erstens, weil die Stärke des Feldes von Punkt zu Punkt auf komplizierte Weise variiert, insbesondere außerhalb des Kerns und in Luftspalten, wo Streufelder und Streufluss berücksichtigt werden müssen. Zweitens, weil das Magnetfeld B und die Kraft nichtlineare Funktionen des Stroms sind, die von der nichtlinearen Beziehung zwischen B und H für das jeweilige Kernmaterial abhängen. Für genaue Berechnungen werden Computerprogramme verwendet, die ein Modell des Magnetfelds mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode erstellen können. ⓘ

Magnetischer Kern

Das Material eines Magnetkerns (oft aus Eisen oder Stahl) besteht aus kleinen Bereichen, den so genannten magnetischen Domänen, die wie winzige Magnete wirken (siehe Ferromagnetismus). Bevor der Strom im Elektromagneten eingeschaltet wird, zeigen die Domänen im Eisenkern in zufällige Richtungen, so dass sich ihre winzigen Magnetfelder gegenseitig aufheben und das Eisen kein großflächiges Magnetfeld hat. Wenn ein Strom durch den Draht fließt, der um das Eisen gewickelt ist, durchdringt sein Magnetfeld das Eisen und bewirkt, dass sich die Domänen drehen und parallel zum Magnetfeld ausrichten, so dass sich ihre winzigen Magnetfelder zum Feld des Drahtes addieren und ein großes Magnetfeld erzeugen, das sich in den Raum um den Magneten herum erstreckt. Die Wirkung des Kerns besteht darin, das Feld zu konzentrieren, und das Magnetfeld geht leichter durch den Kern als durch Luft. ⓘ

Je größer der Strom ist, der durch die Drahtspule fließt, desto stärker richten sich die Domänen aus und desto stärker ist das Magnetfeld. Schließlich sind alle Bereiche ausgerichtet, und eine weitere Erhöhung des Stroms führt nur noch zu einer geringen Zunahme des Magnetfelds: Dieses Phänomen wird als Sättigung bezeichnet. ⓘ

Wenn der Strom in der Spule abgeschaltet wird, verlieren die meisten Domänen in den weichmagnetischen Materialien, die fast immer als Kerne verwendet werden, ihre Ausrichtung und kehren in einen zufälligen Zustand zurück, und das Feld verschwindet. Ein Teil der Ausrichtung bleibt jedoch erhalten, da die Domänen Schwierigkeiten haben, ihre Magnetisierungsrichtung zu ändern, so dass der Kern ein schwacher Dauermagnet bleibt. Dieses Phänomen wird als Hysterese bezeichnet, und das verbleibende Magnetfeld wird als remanenter Magnetismus bezeichnet. Die Restmagnetisierung des Kerns kann durch Entmagnetisierung beseitigt werden. In Wechselstrom-Elektromagneten, wie sie in Motoren verwendet werden, kehrt sich die Magnetisierung des Kerns ständig um, und die Remanenz trägt zu den Verlusten des Motors bei. ⓘ

Magnetischer Kreis - die Annäherung an ein konstantes B-Feld

Magnetfeld (grün) eines typischen Elektromagneten, wobei der Eisenkern C eine geschlossene Schleife mit zwei Luftspalten G darin bildet.
B - magnetisches Feld im Kern
B_F - "Streufeld". In den Luftspalten G "wölben" sich die magnetischen Feldlinien aus, so dass die Feldstärke geringer ist als im Kern: B_F < B
B_L - Streufluss; magnetische Feldlinien, die nicht dem vollständigen magnetischen Kreis folgen
L - durchschnittliche Länge des Magnetkreises, die in Gl. 1 verwendet wird. Sie ist die Summe aus der Länge L_core in den Eisenkernstücken und der Länge L_gap in den Luftspalten G.
Sowohl der Streufluss als auch die Streufelder werden größer, wenn die Spalte vergrößert werden, wodurch die vom Magneten ausgeübte Kraft verringert wird. ⓘ

In vielen praktischen Anwendungen von Elektromagneten, wie Motoren, Generatoren, Transformatoren, Lasthebemagneten und Lautsprechern, hat der Eisenkern die Form einer Schleife oder eines magnetischen Kreises, der möglicherweise durch einige schmale Luftspalte unterbrochen ist. Das liegt daran, dass die magnetischen Feldlinien die Form von geschlossenen Schleifen haben. Eisen hat einen viel geringeren "Widerstand" (Reluktanz) gegenüber dem Magnetfeld als Luft, so dass ein stärkeres Feld erzielt werden kann, wenn der größte Teil des Magnetfeldes innerhalb des Kerns verläuft. ⓘ

Da der größte Teil des Magnetfelds auf die Umrisse der Kernschleife beschränkt ist, ermöglicht dies eine Vereinfachung der mathematischen Analyse. Siehe die Zeichnung auf der rechten Seite. Eine allgemeine vereinfachende Annahme, die von vielen Elektromagneten erfüllt wird und die in diesem Abschnitt verwendet wird, ist, dass die magnetische Feldstärke B um den Magnetkreis herum (innerhalb des Kerns und der Luftspalte) konstant und außerhalb davon gleich Null ist. Der größte Teil des Magnetfeldes wird im Kernmaterial (C) konzentriert. Innerhalb des Kerns ist das Magnetfeld (B) über jeden Querschnitt annähernd gleichmäßig. Wenn also der Kern über seine gesamte Länge eine annähernd konstante Fläche hat, ist auch das Feld im Kern konstant. Dann bleiben nur noch die Luftspalten (G), falls vorhanden, zwischen den Kernabschnitten. In den Lücken sind die magnetischen Feldlinien nicht mehr durch den Kern begrenzt, so dass sie sich über die Umrisse des Kerns hinaus "ausbeulen", bevor sie sich zurückbiegen, um in das nächste Stück Kernmaterial einzutreten, wodurch die Feldstärke in der Lücke verringert wird. Diese Ausbuchtungen (BF) werden als Randfelder bezeichnet. Solange die Länge des Spalts jedoch kleiner ist als die Querschnittsabmessungen des Kerns, ist das Feld im Spalt ungefähr dasselbe wie im Kern. Darüber hinaus nehmen einige der magnetischen Feldlinien (BL) "Abkürzungen" und verlaufen nicht durch den gesamten Kernkreis, so dass sie nicht zur vom Magneten ausgeübten Kraft beitragen. Dazu gehören auch Feldlinien, die die Drahtwicklungen umschließen, aber nicht in den Kern eindringen. Dies wird als Streufluss bezeichnet. Daher gelten die Gleichungen in diesem Abschnitt für Elektromagneten, bei denen:

1. der magnetische Kreis eine einzige Schleife aus Kernmaterial ist, die eventuell durch einige Luftspalte unterbrochen ist
2. der Kern über seine gesamte Länge ungefähr die gleiche Querschnittsfläche hat.
3. etwaige Luftspalte zwischen den Abschnitten des Kernmaterials im Vergleich zu den Querschnittsabmessungen des Kerns nicht groß sind.
4. es gibt einen vernachlässigbaren Streufluss

Das wichtigste nichtlineare Merkmal ferromagnetischer Materialien besteht darin, dass das B-Feld bei einem bestimmten Wert in die Sättigung geht, der bei den meisten hochpermeablen Kernstählen etwa 1,6 bis 2 Tesla (T) beträgt. Bis zu diesem Wert nimmt das B-Feld mit steigendem Strom schnell zu, aber oberhalb dieses Wertes flacht das Feld ab und wird nahezu konstant, unabhängig davon, wie viel Strom durch die Wicklungen fließt. Die maximal mögliche Stärke des Magnetfelds eines Elektromagneten mit Eisenkern ist also auf etwa 1,6 bis 2 T begrenzt. ⓘ

Durch Strom erzeugtes Magnetfeld

Das von einem Elektromagneten erzeugte Magnetfeld ist proportional zur Anzahl der Windungen in der Wicklung, N, und zum Strom im Draht, I. Daher wird dieses Produkt, NI, in Amperewindungen, als magnetomotorische Kraft bezeichnet. Für einen Elektromagneten mit einem einzigen Magnetkreis, bei dem die Länge L_core des Magnetfeldpfades im Kernmaterial und die Länge L_gap in Luftspalten liegt, reduziert sich das Ampere'sche Gesetz auf:

$NI=H_{\mathrm {core} }L_{\mathrm {core} }+H_{\mathrm {gap} }L_{\mathrm {gap} }\,$ ⓘ

$NI=B\left({\frac {L_{\mathrm {core} }}{\mu }}+{\frac {L_{\mathrm {gap} }}{\mu _{0}}}\right)\qquad \qquad \qquad \qquad (1)\,$

wobei

$\mu =B/H\,$ die magnetische Permeabilität des Kernmaterials bei dem verwendeten B-Feld ist.

$\mu _{0}=4\pi (10^{-7})\ \mathrm {N} \cdot \mathrm {A} ^{-2}$ die Permeabilität des freien Raums (oder der Luft) ist; beachten Sie, dass $\mathrm {A}$ in dieser Definition Ampere ist. ⓘ

Dies ist eine nichtlineare Gleichung, da die Permeabilität des Kerns, μ, mit dem Magnetfeld B variiert. Für eine genaue Lösung muss der Wert von μ bei dem verwendeten B-Wert aus der Hysteresekurve des Kernmaterials ermittelt werden. Wenn B unbekannt ist, muss die Gleichung mit numerischen Methoden gelöst werden. Liegt die magnetomotorische Kraft jedoch weit über der Sättigung, so dass sich das Kernmaterial in der Sättigung befindet, entspricht das Magnetfeld ungefähr dem Sättigungswert B_sat für das Material und variiert kaum mit Änderungen von NI. Bei einem geschlossenen magnetischen Kreis (kein Luftspalt) erreichen die meisten Kernmaterialien ihre Sättigung bei einer magnetomotorischen Kraft von etwa 800 Amperewindungen pro Meter Flussweg. ⓘ

Für die meisten Kernmaterialien, $\mu _{r}=\mu /\mu _{0}\approx 2000-6000\,$. In der obigen Gleichung (1) dominiert also der zweite Term. Daher hängt in Magnetkreisen mit Luftspalt die Stärke des Magnetfelds B stark von der Länge des Luftspalts ab, während die Länge des Flusspfads im Kern keine große Rolle spielt. Bei einem Luftspalt von 1 mm ist eine magnetomotorische Kraft von etwa 796 Amperewindungen erforderlich, um ein Magnetfeld von 1 T zu erzeugen. ⓘ

Vom Magnetfeld ausgeübte Kraft

Die Kraft, die von einem Elektromagneten auf einen Abschnitt des Kernmaterials ausgeübt wird, beträgt:

$F={\frac {B^{2}A}{2\mu _{0}}}\qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad (2)\,$ ⓘ

wobei $A$ ist die Querschnittsfläche des Kerns. Die Kraftgleichung lässt sich aus der in einem Magnetfeld gespeicherten Energie ableiten. Energie ist Kraft mal Abstand. Durch Umstellen der Terme erhält man die obige Gleichung. ⓘ

Der oben erwähnte Grenzwert von 1,6 T für das Feld setzt eine Grenze für die maximale Kraft pro Kernflächeneinheit bzw. den magnetischen Druck, den ein Elektromagnet mit Eisenkern ausüben kann:

${\frac {F}{A}}={\frac {B_{sat}^{2}}{2\mu _{0}}}\approx 1000\ \mathrm {kPa} =10^{6}\mathrm {N/m^{2}} =145\ \mathrm {lbf} \cdot \mathrm {in} ^{-2}\,$

In intuitiveren Einheiten ist es nützlich, sich daran zu erinnern, dass der magnetische Druck bei 1 T ungefähr 4 Atmosphären oder kg/cm² beträgt. ⓘ

Ausgehend von einer Kerngeometrie lässt sich das für eine bestimmte Kraft erforderliche B-Feld anhand von (2) berechnen; liegt es deutlich über 1,6 T, muss ein größerer Kern verwendet werden. ⓘ

Geschlossener magnetischer Kreis

Querschnitt eines Hubelektromagneten wie im obigen Bild, der eine zylindrische Konstruktion zeigt. Die Wicklungen (C) sind flache Kupferstreifen, die der Lorentzkraft des Magnetfeldes standhalten. Der Kern wird durch das dicke Eisengehäuse (D) gebildet, das die Wicklungen umhüllt. ⓘ

Für einen geschlossenen Magnetkreis (kein Luftspalt), wie er in einem Elektromagneten zu finden ist, der ein Stück Eisen über seine Pole spannt, ergibt sich Gleichung (1):

$B={\frac {NI\mu }{L}}\qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad (3)\,$ ⓘ

Setzt man sie in (2) ein, so ergibt sich die Kraft:

$F={\frac {\mu ^{2}N^{2}I^{2}A}{2\mu _{0}L^{2}}}\qquad \qquad \qquad \qquad \qquad (4)\,$ ⓘ

Es ist ersichtlich, dass zur Maximierung der Kraft ein Kern mit einem kurzen Flussweg L und einer großen Querschnittsfläche A bevorzugt wird (dies gilt auch für Magnete mit einem Luftspalt). Um dies zu erreichen, wird bei Anwendungen wie Lasthebemagneten (siehe Foto oben) und Lautsprechern häufig eine flache zylindrische Konstruktion verwendet. Die Wicklung ist um einen kurzen, breiten zylindrischen Kern gewickelt, der den einen Pol bildet, und ein dickes Metallgehäuse, das sich um die Außenseite der Wicklungen wickelt, bildet den anderen Teil des Magnetkreises und bringt das Magnetfeld nach vorne, um den anderen Pol zu bilden. ⓘ

Kraft zwischen Elektromagneten

Die oben genannten Methoden gelten für Elektromagnete mit einem Magnetkreis und gelten nicht, wenn ein großer Teil des Magnetfeldpfades außerhalb des Kerns liegt. Ein Beispiel wäre ein Magnet mit einem geraden zylindrischen Kern, wie er oben in diesem Artikel abgebildet ist. Bei Elektromagneten (oder Dauermagneten) mit genau definierten "Polen", bei denen die Feldlinien aus dem Kern austreten, kann die Kraft zwischen zwei Elektromagneten mit Hilfe eines Magnetladungsmodells ermittelt werden, das davon ausgeht, dass das Magnetfeld durch fiktive "magnetische Ladungen" auf der Oberfläche der Pole erzeugt wird, mit der Polstärke m und der Einheit Ampere-Turnmeter. Die magnetische Polstärke von Elektromagneten lässt sich aus ermitteln: $m={\frac {NIA}{L}}$ ⓘ

Die Kraft zwischen zwei Polen ist: $F={\frac {\mu _{0}m_{1}m_{2}}{4\pi r^{2}}}$ ⓘ

Jeder Elektromagnet hat zwei Pole, so dass die Gesamtkraft auf einen bestimmten Magneten aufgrund eines anderen Magneten gleich der Vektorsumme der Kräfte der Pole des anderen Magneten ist, die auf jeden Pol des bestimmten Magneten wirken. Dieses Modell geht von punktförmigen Polen anstelle der endlichen Flächen aus und liefert daher nur dann eine gute Annäherung, wenn der Abstand zwischen den Magneten viel größer ist als ihr Durchmesser. ⓘ

Nebeneffekte

Es gibt mehrere Nebenwirkungen, die bei Elektromagneten auftreten und die bei der Konstruktion berücksichtigt werden müssen. Diese treten im Allgemeinen bei größeren Elektromagneten stärker in Erscheinung. ⓘ

Ohmsche Erwärmung

Große Aluminiumsammelschienen, die Strom in die Elektromagnete des Hochfeldlabors LNCMI (Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses) leiten. ⓘ

Die einzige Leistung, die in einem Gleichstrom-Elektromagneten unter stationären Bedingungen verbraucht wird, ist der Widerstand der Wicklungen und wird als Wärme abgeleitet. Einige große Elektromagneten benötigen Wasserkühlsysteme in den Wicklungen, um die Abwärme abzuführen. ⓘ

Da das Magnetfeld proportional zum Produkt NI ist, können die Anzahl der Windungen in den Wicklungen N und der Strom I so gewählt werden, dass die Wärmeverluste minimiert werden, solange ihr Produkt konstant ist. Da die Verlustleistung, P = I²R, mit dem Quadrat des Stroms, aber nur annähernd linear mit der Anzahl der Windungen zunimmt, kann die in den Windungen verlorene Leistung minimiert werden, indem man I verringert und die Anzahl der Windungen N proportional erhöht oder dickeren Draht verwendet, um den Widerstand zu verringern. Die Halbierung von I und die Verdoppelung von N halbiert beispielsweise die Verlustleistung, ebenso wie die Verdoppelung der Drahtfläche. In jedem Fall verringert die Vergrößerung der Drahtmenge die ohmschen Verluste. Aus diesem Grund haben Elektromagnete oft eine erhebliche Dicke der Wicklungen. ⓘ

Die Grenze für die Erhöhung von N oder die Verringerung des Widerstands liegt jedoch darin, dass die Wicklungen mehr Platz zwischen den Kernstücken des Magneten beanspruchen. Wenn der für die Wicklungen zur Verfügung stehende Raum voll ist, müssen mehr Windungen mit einem kleineren Drahtdurchmesser ausgeführt werden, der einen höheren Widerstand aufweist, was den Vorteil der Verwendung von mehr Windungen zunichte macht. Bei großen Magneten gibt es also eine Mindestmenge an Wärmeverlusten, die nicht verringert werden kann. Diese nimmt mit dem Quadrat des magnetischen Flusses B² zu. ⓘ

Induktive Spannungsspitzen

Ein Elektromagnet hat eine beträchtliche Induktivität und widersteht Änderungen des Stroms durch seine Wicklungen. Jede plötzliche Änderung des Wicklungsstroms führt zu großen Spannungsspitzen über den Wicklungen. Das liegt daran, dass bei einer Erhöhung des Stroms durch den Magneten, z. B. beim Einschalten, Energie aus dem Stromkreis im Magnetfeld gespeichert werden muss. Beim Ausschalten wird die Energie des Feldes wieder in den Stromkreis zurückgeführt. ⓘ

Wird ein gewöhnlicher Schalter zur Steuerung des Wicklungsstroms verwendet, kann dies zu Funkenbildung an den Klemmen des Schalters führen. Beim Einschalten des Magneten tritt dies nicht auf, da die begrenzte Versorgungsspannung dazu führt, dass der Strom durch den Magneten und die Feldenergie langsam ansteigen, aber beim Ausschalten wird die Energie im Magnetfeld plötzlich in den Stromkreis zurückgeführt, was zu einer großen Spannungsspitze und einem Lichtbogen über den Kontakten des Schalters führt, was diese beschädigen kann. Bei kleinen Elektromagneten wird manchmal ein Kondensator über den Kontakten eingesetzt, der die Lichtbogenbildung durch vorübergehende Speicherung des Stroms verringert. Häufiger wird eine Diode verwendet, um Spannungsspitzen zu verhindern, indem der Strom durch die Wicklung zurückfließt, bis die Energie als Wärme abgeleitet wird. Die Diode ist über die Wicklung geschaltet und so ausgerichtet, dass sie im stationären Betrieb in Sperrichtung vorgespannt ist und nicht leitet. Wenn die Versorgungsspannung weggenommen wird, wird die Diode durch die Spannungsspitze in Durchlassrichtung vorgespannt und der Blindstrom fließt weiter durch die Wicklung, durch die Diode und zurück in die Wicklung. Eine auf diese Weise verwendete Diode wird als Freilaufdiode oder Flyback-Diode bezeichnet. ⓘ

Große Elektromagnete werden in der Regel von elektronischen Stromversorgungen mit variabler Stromstärke gespeist, die von einem Mikroprozessor gesteuert werden und Spannungsspitzen verhindern, indem sie Stromänderungen langsam, in sanften Rampen, durchführen. Es kann mehrere Minuten dauern, einen großen Magneten an- oder abzustromen. ⓘ

Lorentz-Kräfte

In starken Elektromagneten übt das Magnetfeld aufgrund der Lorentz-Kraft eine Kraft auf jede Windung der Wicklungen aus $q\mathbf {v} \times \mathbf {B} \,$ die auf die beweglichen Ladungen im Draht wirkt. Die Lorentzkraft wirkt senkrecht zur Achse des Drahtes und zum Magnetfeld. Man kann sie sich als einen Druck zwischen den Magnetfeldlinien vorstellen, der sie auseinander drückt. Sie hat zwei Auswirkungen auf die Wicklungen eines Elektromagneten:

• Die Feldlinien in der Achse der Spule üben eine radiale Kraft auf jede Windung der Wicklungen aus, die sie in alle Richtungen nach außen drückt. Dies verursacht eine Zugspannung im Draht.
• Die Streufeldlinien zwischen den einzelnen Windungen der Spule üben eine Anziehungskraft zwischen benachbarten Windungen aus und ziehen diese zusammen.

Die Lorentz-Kräfte nehmen mit B² zu. Bei großen Elektromagneten müssen die Wicklungen fest eingespannt werden, damit die Bewegungen beim Ein- und Ausschalten keine Metallermüdung in den Wicklungen verursachen. Bei der Bitter-Konstruktion (siehe unten), die in Forschungsmagneten mit sehr hohen Feldern verwendet wird, sind die Wicklungen als flache Scheiben konstruiert, um den radialen Kräften zu widerstehen, und in axialer Richtung geklemmt, um den axialen Kräften zu widerstehen. ⓘ

Kernverluste

In Wechselstrom-Elektromagneten, die in Transformatoren, Drosseln, Wechselstrommotoren und -generatoren verwendet werden, ändert sich das Magnetfeld ständig. Dies führt zu Energieverlusten in den Magnetkernen, die als Wärme in den Kern abgeleitet werden. Die Verluste sind auf zwei Prozesse zurückzuführen:

• Wirbelströme: Nach dem Faraday'schen Induktionsgesetz induziert das sich ändernde Magnetfeld zirkulierende elektrische Ströme in nahe gelegenen Leitern, so genannte Wirbelströme. Die Energie in diesen Strömen wird als Wärme in den elektrischen Widerstand des Leiters abgeleitet, sie sind also eine Ursache für Energieverluste. Da der Eisenkern des Magneten leitfähig ist und sich der größte Teil des Magnetfelds dort konzentriert, sind die Wirbelströme im Kern das größte Problem. Wirbelströme sind geschlossene Stromschleifen, die in Ebenen fließen, die senkrecht zum Magnetfeld liegen. Die abgeleitete Energie ist proportional zu der von der Schleife eingeschlossenen Fläche. Um sie zu vermeiden, bestehen die Kerne von Wechselstrom-Elektromagneten aus einer Reihe von dünnen Stahlblechen, die parallel zum Magnetfeld ausgerichtet und an der Oberfläche mit einer Isolierschicht versehen sind. Die Isolierschichten verhindern, dass Wirbelströme zwischen den Blechen fließen. Die verbleibenden Wirbelströme müssen innerhalb des Querschnitts jedes einzelnen Blechs fließen, was die Verluste stark reduziert. Eine weitere Alternative ist die Verwendung eines Ferritkerns, der ein Nichtleiter ist.
• Hysterese-Verluste: Die Umkehrung der Magnetisierungsrichtung der magnetischen Domänen im Kernmaterial bei jedem Zyklus verursacht aufgrund der Koerzitivfeldstärke des Materials Energieverluste. Diese Verluste werden als Hysterese bezeichnet. Der Energieverlust pro Zyklus ist proportional zur Fläche der Hystereseschleife im BH-Diagramm. Um diesen Verlust zu minimieren, werden Magnetkerne in Transformatoren und anderen Wechselstrom-Elektromagneten aus "weichen" Materialien mit geringer Koerzitivfeldstärke hergestellt, z. B. aus Siliziumstahl oder Weichferrit. Der Energieverlust pro Zyklus des Wechselstroms ist bei jedem dieser Prozesse konstant, so dass die Verlustleistung linear mit der Frequenz zunimmt. ⓘ

Hochfeld-Elektromagnete

Supraleitende Elektromagnete

Der stärkste Elektromagnet der Welt, der 45-T-Hybrid-Bitter-Supraleitungsmagnet im US National High Magnetic Field Laboratory, Tallahassee, Florida, USA ⓘ

Wenn ein Magnetfeld benötigt wird, das über der ferromagnetischen Grenze von 1,6 T liegt, können supraleitende Elektromagnete eingesetzt werden. Anstelle von ferromagnetischen Materialien verwenden diese supraleitende, mit flüssigem Helium gekühlte Wicklungen, die den Strom ohne elektrischen Widerstand leiten. Dadurch können enorme Ströme fließen, die starke Magnetfelder erzeugen. Supraleitende Magnete sind durch die Feldstärke begrenzt, bei der das Wicklungsmaterial nicht mehr supraleitend ist. Derzeitige Konstruktionen sind auf 10-20 T begrenzt, wobei der aktuelle (2017) Rekord bei 32 T liegt. Die notwendige Kühlanlage und der Kryostat machen sie wesentlich teurer als gewöhnliche Elektromagnete. Bei Anwendungen mit hoher Leistung kann dies jedoch durch niedrigere Betriebskosten ausgeglichen werden, da nach dem Start keine Leistung für die Wicklungen erforderlich ist, da keine Energie durch ohmsche Erwärmung verloren geht. Sie werden in Teilchenbeschleunigern und MRT-Geräten eingesetzt. ⓘ

Bittere Elektromagnete

Sowohl Eisenkern- als auch supraleitende Elektromagnete haben Grenzen für das Feld, das sie erzeugen können. Daher wurden die stärksten vom Menschen erzeugten Magnetfelder von nicht-supraleitenden Elektromagneten mit Luftkern erzeugt, die 1933 von Francis Bitter erfunden wurden, den so genannten Bitter-Elektromagneten. Anstelle von Drahtwicklungen besteht ein Bitter-Magnet aus einem Solenoid, das aus einem Stapel leitender Scheiben besteht, die so angeordnet sind, dass der Strom schraubenförmig durch sie fließt, mit einem Loch in der Mitte, in dem das maximale Feld erzeugt wird. Diese Konstruktion verfügt über die mechanische Festigkeit, um den extremen Lorentz-Kräften des Feldes, die mit B² zunehmen, standzuhalten. Die Scheiben sind mit Löchern versehen, durch die Kühlwasser fließt, um die durch den hohen Strom verursachte Wärme abzuführen. Das stärkste kontinuierliche Feld, das allein mit einem Widerstandsmagneten erreicht wurde, beträgt 37,5 T (Stand: 31. März 2014) und wurde von einem Bitter-Elektromagneten im Hochfeldmagnetlabor der Radboud-Universität in Nimwegen, Niederlande, erzeugt. Der bisherige Rekord lag bei 35 T. Das stärkste kontinuierliche Magnetfeld insgesamt, 45 T, wurde im Juni 2000 mit einem Hybridgerät erreicht, das aus einem Bitter-Magneten in einem supraleitenden Magneten besteht. ⓘ

Der Faktor, der die Stärke von Elektromagneten einschränkt, ist die Unfähigkeit, die enorme Abwärme abzuführen. Daher wurden stärkere Felder, bis zu 100 T, von Widerstandsmagneten erzielt, indem man kurze Hochstromimpulse durch sie schickte; die inaktive Periode nach jedem Impuls ermöglicht es, die während des Impulses erzeugte Wärme abzuführen, bevor der nächste Impuls erfolgt. ⓘ

Explosiv gepumpte Flusskompression

Explosiv gepumpter Flusskompressionsgenerator in Form eines Hohlrohrs. Das hohle Kupferrohr wirkt wie die Sekundärwicklung eines Transformators mit nur einer Windung; wenn der Stromimpuls aus dem Kondensator in den Wicklungen einen Magnetfeldimpuls erzeugt, entsteht in dem Rohr ein starker Umfangsstrom, der die Magnetfeldlinien im Inneren einschließt. Der Sprengstoff lässt dann die Röhre kollabieren, wodurch sich ihr Durchmesser verringert und die Feldlinien näher zusammenrücken, wodurch das Feld verstärkt wird. ⓘ

Die stärksten vom Menschen erzeugten Magnetfelder wurden durch den Einsatz von Sprengstoff zur Komprimierung des Magnetfelds in einem Elektromagneten erzeugt, während dieser gepulst wird; diese werden als explosiv gepumpte Flusskompressionsgeneratoren bezeichnet. Durch die Implosion wird das Magnetfeld für einige Mikrosekunden auf Werte von etwa 1000 T komprimiert. Obwohl diese Methode sehr zerstörerisch erscheinen mag, ist es möglich, die Hauptlast der Explosion radial nach außen zu lenken, so dass weder das Experiment noch die magnetische Struktur beschädigt werden. Diese Geräte werden als destruktive gepulste Elektromagnete bezeichnet. Sie werden in der Physik und in der materialwissenschaftlichen Forschung eingesetzt, um die Eigenschaften von Materialien bei hohen Magnetfeldern zu untersuchen. ⓘ

Definition der Begriffe

Begriff	Bedeutung	Einheit ⓘ
$A\,$	Querschnittsfläche des Kerns	Quadratmeter
$B\,$	Magnetisches Feld (Magnetische Flussdichte)	tesla
$F\,$	Vom Magnetfeld ausgeübte Kraft	Newton
$H\,$	Magnetisierendes Feld	Ampere pro Meter
$I\,$	Stromstärke im Wicklungsdraht	Ampere
$L\,$	Gesamtlänge des Magnetfeldweges $L_{\mathrm {core} }+L_{\mathrm {gap} }\,$	Meter
$L_{\mathrm {core} }\,$	Länge des magnetischen Feldweges im Kernmaterial	Meter
$L_{\mathrm {gap} }\,$	Länge des magnetischen Feldweges in Luftspalten	Meter
$m_{1},m_{2}\,$	Polstärke des Elektromagneten	Amperemeter
$\mu \,$	Permeabilität des Kernmaterials des Elektromagneten	Newton pro Quadratampere
$\mu _{0}\,$	Permeabilität des freien Raums (oder der Luft) = 4π(10-7)	Newton pro Quadratampere
$\mu _{r}\,$	Relative Permeabilität des Kernmaterials des Elektromagneten	-
$N\,$	Anzahl der Windungen des Drahtes des Elektromagneten	-
$r\,$	Abstand zwischen den Polen von zwei Elektromagneten	Meter

Das Magnetfeld eines jeden stromdurchflossenen Leiters ist durch das Biot-Savart-Gesetz gegeben. Für eine lange elektromagnetische Spule der Länge l {Maßeinheit: m (Meter)} und der Windungszahl n {ohne Maßeinheit}, durch die ein Strom I {Maßeinheit: A (Ampère)} fließt, berechnet sich die magnetische Feldstärke H {Einheit: A/m} im Inneren zu ⓘ

${\displaystyle }$ ⓘ

bzw. die magnetische Flussdichte B {Maßeinheit: T (Tesla)} zu ⓘ

${\displaystyle }$. ⓘ

Dabei ist μ₀ die magnetische Feldkonstante und μ_r die relative Permeabilität des von der Spule umschlossenen Raumes. Im Vakuum ist definitionsgemäß μ_r=1, und auch in Luft ist der Wert von μ_r sehr nahe bei Eins; in ferromagnetischen Materialien hingegen kann μ_r Werte zwischen 4 und 15.000 bis zum Erreichen der materialabhängigen magnetischen Sättigung annehmen. ⓘ

Bauformen und Besonderheiten

Elektromagnet mit variablem Luftspalt für experimentelle Anwendungen, mit dem magnetische Flussdichten bis 2 Tesla erzeugt werden können. ⓘ

Zug-, Klappanker- und Haltemagnete

Sie dienen der Betätigung (Zug-, Druck- und Klappankermagnete), als Kupplung oder zum Transport. Sie unterscheiden sich durch die Ankerform:

• Zug- und Druckmagnete besitzen stabförmige Anker
• Schütz-Betätigungsspulen besitzen I- oder T-förmige Anker und entsprechend ein E-förmiges Joch
• beim Klappanker (siehe auch Klappanker-Relais) schwenkt ein abgewinkeltes Ankerblech um eine der Kanten des Jochs
• bei Kupplungsmagneten (Magnetkupplung) ist der Anker eine Scheibe
• Halte- und Transportmagnete verwenden das Transportgut als „Anker“. Beispiele sind auch Magnetscheider und Magnetkran. ⓘ

Mit Gleichspannung betriebene Magnete besitzen eine stark nichtlineare Kraft-Weg-Kennlinie bei Annäherung des Ankers an das Joch. Berühren sich beide, ist die Kraft am größten. Mit der Entfernung sinkt sie nahezu hyperbolisch ab. Ursache ist die mit der Verringerung des Luftspaltes ansteigende magnetische Flussdichte. Die zu Beginn des Anziehens geringe Kraft macht sie ungeeignet für Einsatzfälle, die sofort eine große Kraft benötigen. Auswege sind:

• überhöhte Spannung als Anzughilfe
• konstruktive Gestaltung der Magnetpole (Anker und Joch):
  • Andrehungen vergrößern die Kraft auch bei großen Hüben
  • Proportionalmagnete (zum Beispiel für Proportionalventile) besitzen einen bei kleiner werdendem Abstand wirksam werdenden magnetischen Nebenschluss ⓘ

Anders ist das bei Wechselspannung: Hier bewirkt die bei großem Luftspalt verringerte Induktivität einen erhöhten Stromfluss beim Anziehen. Wechselstrom-Zugmagnete (oder auch Relais- und Schützspulen) haben daher bereits zu Beginn des Anziehens eine große Kraft. ⓘ

Prinzipielles Zeitdiagramm für Zugmagnet mit Spaltpol (F~H²) ⓘ

Um die Kraft bei Wechselstrom-Zugmagneten während der Strom-Nulldurchgänge aufrechtzuerhalten, setzt man Kurzschlusswindungen wie bei einem Spaltpolmotor ein – diese erzeugen in einem Teil des Magnetkreises ein phasenverschobenes Magnetfeld. Eine weitere Möglichkeit sind Drehstrom-Zugmagnete, diese erfordern jedoch drei separate Schenkel von Joch und Anker. ⓘ

Beim Abschalten des Stroms können durch Selbstinduktion Überspannungen entstehen, die wiederum Funken oder Lichtbögen hervorrufen. Diese können zur Zerstörung des Schalters führen. Als Abhilfe werden bei Gleichstrom Schutzdioden, bei Wechselstrom Varistoren sowie diskret antiseriell geschaltete Z-Dioden (bzw. integrierte Leistungs-Suppressordioden) und – oder in Kombination mit – Boucherotgliedern eingesetzt. ⓘ

Relais, Schaltschütz

Elektromechanische Relais sind meistens mit einem Klappankermechanismus aufgebaut, der über einen Hebel den oder die Kontakte betätigt. Relais werden mit Gleich- oder Wechselstromspulen gebaut. Ein Schaltschütz benutzt zumeist Tauchanker-Elektromagnete für Gleich- oder Wechselstrom. Die Anzugskräfte zum Kontaktschluss sind wesentlich größer als bei Relais, weshalb die Elektromagnete dafür größer sind als bei Relais. ⓘ

Tauchspulmagnete

Zugmagnete mit Tauchanker für Gleichstrom ⓘ

Tauchspulen können auch in Zug- und Druckmagneten verbaut sein. Ein üblicher englischer Begriff ist auch voice coil, weil Mikrofone oder Lautsprecher damit gebaut werden. Entweder ist auch eine Parallelführung vorhanden oder der Anwender muss durch die Konstruktion selbst eine Führung der Spule im Dauermagnet gewährleisten. Bei Tauchspulmagneten bewegt sich wie beim elektrodynamischen Lautsprecher eine Spule (Zylinderspule) im Luftspalt eines Dauermagneten durch die Lorentzkraft. Sie weisen gegenüber den oben beschriebenen Bauformen eine nahezu lineare Kraft/Weg-Kennlinie auf (je nach den nichtlinearen Randbedingungen der technischen Umsetzung). Die bewegte Masse ist gering, daher ist die Dynamik hoch. Die erreichbare Kraft pro Masse ist jedoch geringer. ⓘ

Tauchankermagnete

In Schaltschützen werden zum Schließen der Kontakte größere Kräfte als bei Relais benötigt, weshalb man dafür Elektromagnete benutzt, die einen Eisenkern in die feststehende Spule hineinziehen. Diese werden sowohl für Gleich- als auch für Wechselstrombetrieb gebaut. ⓘ

Magnetspulen

Elektromagnete mit und ohne Joch, jedoch ohne bewegte Anker oder ähnliches werden meist nicht als Elektromagnet bezeichnet. Relevante Begriffe sind Solenoid (Zylinderspule), Helmholtz-Spule, Ablenkmagnet, Dipolmagnet. ⓘ

Pulsbetrieb

Im Impulsbetrieb können dank der Wärmekapazität des Spulenwerkstoffes kurzzeitig hohe Flussdichten erreicht werden, ohne dass die Wärmeleistung sofort weggekühlt werden muss (Integral der Stromwärme über die Zeit). Zur mechanischen Stabilität müssen solche Spulen mechanisch stabilisiert werden. Dazu dienen u. a. Faserverbundwerkstoffe, Spulendrähte aus hochfesten Werkstoffen wie kupferplattiertem Stahl oder Berylliumbronze sowie äußere Bandagen aus Stahlband. Die Strompulse werden durch Kondensatoren bereitgestellt. Die Pulsdauern ergeben sich aus der Wärmekapazität und der Festigkeit und betragen einige Millisekunden. Siehe auch Gaußgewehr. ⓘ

Solche, mit flüssigen Stickstoff heruntergekühlte, wiederverwendbare Pulsmagnetspulen sind für Hochfelduntersuchungen bis etwa 100 Tesla realisierbar und werden unter anderem am Institut Hochfeld-Magnetlabor Dresden entwickelt und erprobt. ⓘ

Pulsmagnetspulen werden unter anderem auch zur Magnetumformung genutzt. Hier sind die Felder jedoch gedämpfte Schwingungen mit Frequenzen im zweistelligen kHz-Bereich, die Pulsdauern betragen weniger als 100 µs. ⓘ

Bei Experimenten mit magnetischen Flussdichten von einigen tausend Tesla zu wissenschaftlichen Zwecken wird oft hingenommen, dass die Spulen bei jedem Versuch mechanisch oder thermisch zerstört werden. Eine zusätzliche Steigerung der Flussdichte kann bei gleichzeitiger Komprimierung der Spule bzw. des Feldes mittels Sprengladungen erreicht werden; siehe auch Flusskompressionsgenerator oder im Kapitel Impulstechnik bei Sacharow, dem Erfinder des Flusskompressionsgenerators. ⓘ

Eigenschaften von Betätigungsmagneten

Gleichspannungsmagnet	Wechselspannungsmagnet ⓘ
konstant hohe Stromaufnahme	Stromaufnahme stark von Ankerstellung abhängig
längere Schaltzeit	schnelles Schalten
beim Abschalten oft Schutz des Schaltelementes (beispielsweise durch eine Freilaufdiode) nötig	Entstörglied (Boucherotglied) empfehlenswert
große Abfallverzögerung mit Freilaufdiode	geringe Abfallverzögerung
Restluftspalt als Klebeschutz erforderlich	Spaltpol/Kurzschlusswindung zur Vermeidung von Brumm-Geräuschen erforderlich
Schaltzeit durch Überspannung verringerbar	Schaltzeit nicht beeinflussbar

Anwendungen

Statorwicklungen eines Elektromotors mit Kern ⓘ

1. Spule mit ferromagnetischem Kern (meist aus Eisen) ⓘ

• Betätigungsmagnete von Relais und Schützen
• Türöffner-Magnet, Magnete in Summern und Tür-Gongs
• Magnetkupplungen (in Vakuumpumpen oder Klimakompressoren im Kfz) und Bremsen (mit Rückstellfeder in Rasenmähern und an Kranen)
• Zugmagnete, Schubmagnete
• Hubmagnete (Magnetkran in Stahlwerken)
• Magnetschienenbremse bei Schienenfahrzeugen
• Magnete, um Weichen von Schienenfahrzeugen zu stellen
• Wechselstrom-Magnete in Membranpumpen oder Dosierpumpen (Luftpumpe für Aquarien, Additive oder Kraftstoffe) und Schwingförderern
• Erregerfeld-Erzeugung in Elektromotoren (wie im Staubsauger) und Generatoren (Kfz-Lichtmaschine, Kraftwerk)
• Separatoren zur Stofftrennung „ferromagnetisch“ / „nicht ferromagnetisch“ (Magnetscheider, zur Müllsortierung)
• Ablenkmagnete in Teilchenbeschleunigern für geladene Teilchenstrahlen
• Ablenkspulen- und Fokussiermagnete (Elektronenmikroskop, Elektronenstrahlschweißen, Bildröhren)
• Elektromagnetisch betätigte Einspritzinjektoren bei Dieselmotoren mit dem Einspritzverfahren Common-Rail
• Mit Magnetfiltern (überwiegend Elektro-Magnetfilter) werden ferromagnetische Feststoffe (feinverteilte Eisenoxide) aus den Umlaufkondensaten von Kraftwerken und den Umlaufwässern von Fernheiznetzen abfiltriert. ⓘ

Spule ohne Kern mit Platz für Fusionsplasma (W7-AS) ⓘ

2. Spule ohne ferromagnetisches Kernmaterial ⓘ

• Felderzeugung für Wanderfeldröhren
• Induktor für Induktionsöfen und induktive Erwärmung
• Betätigungsspule für Reedkontakte
• supraleitende Magnete in Kernspinresonanz-Tomografen und zur Forschung, so in Kernfusionsreaktoren auf Basis der Fusion mittels magnetischen Einschlusses
• ungekühlte Magnetspulen für Hochfeld-Untersuchungen (nur Impulsbetrieb – oft muss die Spule nach jedem Experiment erneuert werden)
• hochfeste Spulen zur Magnetumformung sowie zum Schweißen, Fügen und Schneiden von Metallen mit starken, gepulsten Wechselfeldern
• Bittermagnet (nach Francis Bitter)
• Helmholtz-Spulen, daraus entwickelte Fanselau-Spulen und weiter verbesserte Braunbek-Spulen und -systeme zur Erzeugung von homogenen magnetischen Gleichfeldern und niederfrequenten Wechselfeldern ⓘ