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Archiv verlassen und diese Seite im Standarddesign anzeigen : Magnetfeld mit Gleichstrom



Peer
30.12.2002, 14:21
Hallo Physiker und Praktiker,
ich möchte mit einer Spule, die um ein Kupferrohr
mit dA=28mm gewickelt wird ein maximal starkes Magnetfeld erzeugen.
Die leistung, die dafür zur Verfügung steht, beträgt 12 V und 2 A.

Die Frage lautet nun: Lieber einen dünnen Draht oder lieber einen dicken Draht zum Wickeln der Spule benutzen ?

Was erzeugt die größere Felddichte, bzw. -stärke bei einer vorgegeben Leistung des Trafos ?

Ich weiss, dass ich nichts weiss....!

Peer

haschenk
30.12.2002, 18:26
Hi Peer,
der 1. Teil der Antwort auf deine Frage ist einfach:
Die Spule muß einen (Gleichstrom-)Widerstand von 12V/2A = 6 Ohm aufweisen.

Der Widerstand ergibt sich aus der Länge des zur Spule gewickelten Drahts und dessen Querschnittsfläche:
R = rho*L/f
mit
R = Widerstand in [Ohm]
rho = spezifischer Widerstand des Leiterwerkstoffs, für Kupfer = 0,017*10^-4 [Ohm cm]
L = Länge des Drahts, in [cm]
f = Querschnittsfläche des Drahts, in [cm^2]

Jetzt wird´s komplizierter.
Für die magnetische Feldstärke im Inneren der Spule sind die "Amperewindungen pro Meter" maßgebend:
H = I*N/l
mit
H = magnetische Feldstärke, in [Oe] oder [A/m], wobei 10^2 [A/m] = 1,257 [Oe]. [Oe] = "Oerstedt".
I = Stromstärke, in deinem Fall 2[A]
N = Anzahl der Windungen
l = Länge der Spule, in [m]

Du musst also versuchen, möglichst viele Windungen (pro Meter) auf die Spule zu bringen, mit der Nebenbedingung, daß der Spulenwiderstand 6 Ohm beträgt.

Da du außer dem Innendurchmesser noch keine weiteren Angaben zur Spulengröße gemacht hast, ist da zunächst mal "open end": Mehr Windungen sind gut, bedingen aber dann dickeren Draht, dadurch wird die Spule größer, usw.

Du musst jetzt erst noch die maximal möglichen Abmessungen (= "Wickelraum")vorgeben, dann erst wird die Sache im mathematischen Sinn "bestimmbar".

Wenn möglich, frag mal einen professionellen "Spulenwickler". Die haben für sowas fertige Tabellen und/oder Formeln, damit sie nicht jedesmal die mühsame Arbeit -vor allem Berechnung der Drahtlänge über alle die Lagen der Wicklung- machen müssen.

Wenn nicht, dann musst du da durch und nach Vorgabe der Spulenabmessungen und Annahme der Drahtstärke die Anzahl der Wicklungslagen, deren (unterschiedliche) Drahtlänge, die gesamte Drahtlänge, und dann zum Schluß den Widerstand berechnen. Kommen nicht die gewünschten 6 Ohm heraus, mit geänderter Drahtstärke neu beginnen, nach ein paar Versuchen findest du so den passenden Drahtdurchmesser und die Anzahl der Windungen. Da sich die theoretisch mögliche Windungszahl in der Praxis nicht realisieren lässt, musst du noch einen "Füllfaktor" berücksichtigen, dieser liegt je nach "Wickelkunst" etwa zwischen 0,6 und 0,9.

Du kannst dir die Rechnerei auf Kosten von mehr "Materialeinsatz" auch sparen, indem du einfach die gegebenen Spulenabmessungen vollwickelst. Danach den Widerstand messen; ist er größer als 6 Ohm, dann mit dickerem Draht (ein paar 100stel mm machen schon viel aus) neu wickeln, oder umgekehrt, usw.

Zum Schluß noch: Vergiß nicht, daß du die 12V*2A = 24 W in der Spule in Wärme verbratest. Wenn die Spule längere Zeit eingeschaltet ist, kann das zum Problem werden.

Grüße,
Helmut

(der auch nicht so viel mehr weiß)

haschenk
30.12.2002, 18:52
Hi Peer,
mir ist da nachträglich noch was aufgefallen:

In der Überschrift sprichst du von "Magnetfeld mit Gleichstrom".
Im letzten Satz taucht aber dann "Leistung des Trafos" auf.

Man könnte deshalb vermuten, daß du von gleichgerichtetem Wechselstrom sprichst, z.B. mit Brückengleichrichter. Ohne besondere Maßnahmen enthält der noch einen nicht vernachlässigbaren Wechselstrom-Anteil.
Für diesen wäre das Kupferrohr im Inneren der Spule ein satter Kurzschluß ("Trafo" mit 1 Sekundärwindung).
Du musst deshalb unbedingt für reinen Gleichstrom sorgen, z.B. durch Speisung aus einem "echten" Netzgerät.

Gruß,
Helmut

Gerhard_Hanssmann
30.12.2002, 20:52
Hallo Peer,Helmut

Die von Helmut verwendeten Größen sind:
R = Widerstand in [Ohm]
rho = spezifischer Widerstand des Leiterwerkstoffs, für Kupfer = 0,017*10^-4 [Ohm cm]
L = Länge des Drahts, in [cm]
f = Querschnittsfläche des Drahts, in [cm^2]

Jetzt wird´s komplizierter.
Für die magnetische Feldstärke im Inneren der Spule sind die "Amperewindungen pro Meter" maßgebend:
H = I*N/l
mit
H = magnetische Feldstärke, in [Oe] oder [A/m], wobei 10^2 [A/m] = 1,257 [Oe]. [Oe] = "Oerstedt".
I = Stromstärke, in deinem Fall 2[A]
N = Anzahl der Windungen
l = Länge der Spule, in [m]

Weiter soll sein:
d = 28 mm Aussendurchmesser des Kupferrohrs
r Radius des Spulendrahts
m Windungen in einer Lage
n Anzahl der Lagen
N = m*n Gesamtwindungszahl

r soll gegenüber d klein sein (A1)
2*r*m soll deutlich größer als d sein, damit eine lange Spule vorliegt (A2)

Nebenbedingungen wegen der Geometrie der Spule (dichte Wickelung, Draht an Draht) und des Widerstands gilt:

Spulenlänge: l = 2*r*m (1)

Drahtlänge: L = pi*d*m*n (2) unter der Voraussetzung (A1)

Windungszahl: N = m*n (3)

Widerstand: R=roh *L/f = roh*L / (pi *r^2) nach L aufgelöst:

L= R*pi*r^2 / roh (4) dies ergibt die Länge des Drahtes

(2) = (4) pi*dmn = pi* R r^2 /roh , kürzen und (3) verwenden ergibt:

N = R r^2/ (d * roh) (5) dies ergibt die Windungszahl

Hauptbedingun:

Für das mMgnetfeld einer langen Spule (A2) gilt:

H = N*I /l mit (5)

H =( R r^2*I) / (d *roh* 2 r m) mit U = R I

H = (U r) / ( 2dm *roh)

Ergebnis:

r groß wählen und m klein wählen, aber so dass eine lange Spule (A2) vorliegt.

Interpretation:

Großer Drahtdurchmesser erfordert einen langen Draht, damit sich der gegebene Widerstand ergibt. Dieser lange Draht ergibt viele Windungen der magnetfelderzeugenden Spule. Damit die Windungszahldichte (Wdg pro Längeneinheit) groß wird (nur dies ergibt ein starkes Magnetfeld), muß die Anzahl der Drahtlagen groß sein, die Windungen in einer Lage nur so, dass es eine lange Spule ergibt ( Spulenlänge mehr als ca. 2facher Spulendurchmesser).

Mit gegebenem r lassen sich mit (1) bis (5) und
l = ca. 2d alle fehlenden Größen ausrechnen.

[ 30. Dezember 2002, 20:58: Beitrag editiert von: Gerhard_Hanssmann ]

Mr. Lightspeed :-)
30.12.2002, 21:45
Hallo, Helmut, hallo, Gerhard,
weil Peer gerade mit "einer Tüte Popcorn und einer Tüte Taschentücher" einen wichtigen Film auf ARD guckt und ich nicht ganz unbeteiligt an seiner Frage bin, vielen Dank für die ausführlichen Antworten.
Ich muss erstmal ne Nacht drüber schlafen...
Gruß, Jan...

Peer
02.01.2003, 13:36
Danke !

Ich danke den Herren für ihre prompten und vor allem umfassenden Antworten.

Als Einfachdenker darf ich, Gerhards Ausführungen folgend, zusammenfassen:

1. Die Länge der Spule braucht 6 cm nicht zu übersteigen, damit wäre das Kriterium einer "langen Spule" erfüllt.

2. Die Verwendung eines dicken Drahtes bedingt mehr Drahtlänge, damit der erforderliche Widerstand erreicht wird. Dadurch wird die Spule unter Berücksichtigung von 1. auch dicker
und bringt mehr Leistung

3. Ich versuche also jetzt, einen eher dicken Draht möglichst eng in sovielen Lagen, bis zum Erreichen der erforderlichen Länge, um das Rohr zu wickeln.

Zur Bestimmung der erforderlichen Drahtlänge bei gewähltem Durchmesser benutze ich dann die angegebenen Formeln.

Stimmt das soweit jetzt - oder habe ich es doch nicht kapiert ?

Peer

Gerhard_Hanssmann
04.01.2003, 11:10
Original erstellt von Peer:
Danke !

2. Die Verwendung eines dicken Drahtes bedingt mehr Drahtlänge, damit der erforderliche Widerstand erreicht wird. Dadurch wird die Spule unter Berücksichtigung von 1. auch dicker
und bringt mehr Leistung

Stimmt das soweit jetzt - oder habe ich es doch nicht kapiert ?

PeerPeer, alles korrekt. Bei 2. solltest Du besser schreiben:
Dadurch hat die Spule mehr Lagen. Die Windungszahldichte ist daher groß. Dies ergibt ein großes Magnetfeld.

Peer
08.01.2003, 13:33
SO !
Ich habe fleissig gerechnet - bin zu einem befriedigenden Resultat gekommen und werde in baldiger Bälde die Spule zum Leben erwecken !

Das ganze Produkt soll die Kalkkristalle in meiner
Wasserleitung der Haftung berauben und so Ablagerungen vermindern.

Wollen doch mal sehen, ob's klappt - gemunkelt wird ja genug.

Danke nochmals für die Hilfe !

Peer

Radiomann
08.01.2003, 17:13
Hi Peer,

lies mal das hier (http://www.gwup.org/skeptiker/ausgaben/1997/2/kalk.html).

Aber wenns denn sein muß, nimm lieber Permanentmagnete aus nem alten E-Motor und spar den Strom!

Gruß, Gunter

Christian Lucas
09.01.2003, 10:08
Hi Peer,
da wir bei MagnetMotor Magnete in allen abmessungen,magnetisierungen und verschiedenen arten zu verfügung hatten,haben wir nach bekanntwerden der damals ersten Anzeigen dazu,sofort allemöglichen Stellen mit Magneten aus den Beständen bestückt.An Kaffemaschienen,Wasseramarturen,Kochtöpfen ect..
Ist alles wieder Verschwunden,am schnellsten geht es mit Salzsäure und am Ökologischsten mit Kratzen.Am besten einfach Essigkonzentrat oder Zitronensäure.Aber Magnete haben auch nach genauen Studium der Magnetanordnung in käuflichen
Geräten so meine Meinung keinen für diesen Zweck ausreichenden Effekt.
Falls jemand etwas besonders Effektives hat kann er es mir zum ausprobieren zusenden,ich habe hier in Gräfelfing sehr hartes Wasser und damit ein hervorragendes Testmedium.