Magnetische Größen und Einheiten

Beim elektrischen Stromkreis kommst du mit Spannung, Strom und Widerstand weit. Der magnetische Kreis – etwa in einem Transformator, einer Drossel oder einem Relais – hat ganz ähnliche Größen, nur mit anderen Namen. Wer sie einmal sortiert hat, kann Spulen abschätzen, Datenblätter von Ferritkernen lesen und versteht, warum ein Kern in die Sättigung geht.

Die Größen im Überblick

Durchflutung und Feldstärke

Die Ursache jedes Magnetfelds aus Strom ist die Durchflutung: der Strom I, der durch eine Spule mit N Windungen fließt, zählt N-mal.

Allgemein ist die Durchflutung die Summe aller Ströme, die von einer geschlossenen Feldlinie umfasst werden – bei der Spule eben N-mal derselbe Strom. Ihre Einheit ist das Ampere; oft schreibt man „Amperewindungen“ (AW), um die Herkunft deutlich zu machen. 100 Windungen mit 0,5 A ergeben dieselbe Durchflutung wie 10 Windungen mit 5 A. Weil sie das Feld antreibt wie die Spannung den Strom, nennt man sie auch magnetische Urspannung.

Verteilt sich diese Durchflutung auf eine mittlere Feldlinienlänge l, ergibt sich die magnetische Feldstärke:

Sie beschreibt, wie stark das Feld „angetrieben“ wird – unabhängig vom Material im Kern. Im Vergleich mit dem Stromkreis entspricht die Durchflutung der Spannung, die Feldstärke der Feldstärke im elektrischen Feld.

Flussdichte und Permeabilität

Wie viel Feld tatsächlich entsteht, hängt vom Stoff ab, den die Feldlinien durchsetzen. Die Flussdichte B ist die Größe, die Kräfte auf Leiter und Induktionsspannungen bestimmt:

Die magnetische Feldkonstante beträgt μ₀ ≈ 4π · 10^-7 Vs/Am ≈ 1,257 · 10^-6 Vs/Am. Die Permeabilitätszahl μ_r gibt an, um wie viel ein Stoff das Feld gegenüber Vakuum verstärkt: Luft und Kupfer haben praktisch 1, Ferrite einige Hundert bis über 10 000, Elektroblech mehrere Tausend.

Bei ferromagnetischen Stoffen ist μ_r allerdings keine Konstante. Mit steigender Feldstärke richten sich immer mehr Weiss'sche Bezirke aus, bis keine mehr übrig sind: Der Kern ist gesättigt, und B wächst kaum noch. Für Elektroblech liegt die Sättigung bei etwa 1,5 bis 2 T, für Ferrite schon bei 0,3 bis 0,5 T.

Magnetischer Fluss und Induktivität

Multiplizierst du die Flussdichte mit der Fläche A, die sie senkrecht durchsetzt, erhältst du den magnetischen Fluss; umgekehrt ist die Flussdichte der Fluss pro Fläche:

Trotz des Namens fließt dabei nichts – der Begriff kommt aus der Analogie zum Strom: Der Fluss ist gewissermaßen die Gesamtzahl der Feldlinien, die Flussdichte ihre Dichte. Seine Einheit Voltsekunde (Weber) folgt direkt aus dem Induktionsgesetz: Ändert sich der Fluss durch eine Windung in 1 s um 1 Vs, wird 1 V induziert.

Der Fluss ist die Größe, deren Änderung bei der Induktion eine Spannung erzeugt. Fasst man alle Größen für eine Spule zusammen, ergibt sich ihre Induktivität:

Die Induktivität wächst mit dem Quadrat der Windungszahl: Doppelt so viele Windungen ergeben die vierfache Induktivität. Hersteller von Ferritkernen geben deshalb oft den A_L-Wert an, die Induktivität pro Windung zum Quadrat: L = A_L · N².

Analogie zum Stromkreis

Viele Elektroniker merken sich den magnetischen Kreis über die Ähnlichkeit zum Ohmschen Gesetz: Die Durchflutung Θ treibt den Fluss Φ durch einen magnetischen Widerstand R_m = l / (μ₀ · μ_r · A), also Θ = R_m · Φ. Ein kleiner Luftspalt im Kern erhöht R_m stark – genau das nutzt man bei Speicherdrosseln, um die Sättigung zu höheren Strömen zu verschieben.

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