3.3 Saiten-Magnetparameter
© M.Zollner 2004
3-9
Die azimutale magnetische Feldstärke
H
im Innern dieser Ringspule beträgt dann:
D
I
N
H
⋅
⋅
=
π
1
Feldstärke in der Ringspule
Hierbei ist
N
1
die Windungszahl der Primärspule (im Beispiel 239),
I
der Erregerstrom, und
D
der Ringdurchmesser (45,8 mm). Mit
I
= 5 A erhält man
H
= 8,3 kA/m, einen für Saitenstahl
ausreichend hohen Wert. Zur Messung der magnetischen Flussdichte
B
wickelt man als Se-
kundärspule eine zweite Drahtwicklung auf die erste; im Beispiel mit
N
2
= 100 Windungen.
Bei Wechselstrombetrieb wird in der Sekundärspule eine Wechselspannung induziert, die u.a.
von der zeitlichen Änderung der Flussdichte
B
abhängt (Induktionsgesetz, Kap. 4.10).
Die in
N
2
Windungen induzierte Spannung ist
U
=
dt
d
N
/
2
Φ
⋅
. Der Fluss
Φ
berechnet sich
aus dem Produkt von
Flussdichte und Fläche. Weil die Saite im Vergleich zu Luft aber für
Magnetfelder der wesentlich bessere Leiter ist, muss (in diesem Beispiel) als Fläche die
sechsfache Saitenfläche, und nicht die Querschnittsfläche der Spule eingesetzt werden. Der
Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass diese Vereinfachung bei Sättigung ihre Gültigkeits-
grenze erreicht.
Abb. 3.4
zeigt Messwerte einer 17-mil-Saite. Im linken Bild sind der sinus-
förmige Stromverlauf (
f
= 10 Hz) und die impulsförmige Induktionsspannung dargestellt. Da
diese Spannung dem zeitlichen Differential der Flussdichte entspricht, muss sie zur Gewin-
nung von
B
integriert werden (rechtes Bild). Man erkennt einen fast rechteckförmigen
B
-Verlauf, der auf eine ausgeprägte magnetische Sättigung hinweist.
0
40
80
120
160
200
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
I
ms
I
/ A
0
40
80
120
160
200
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
10 Hz
U
U
/ mV
0
40
80
120
160
200
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
H
ms
H
/ kA/m
0
40
80
120
160
200
-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
10 Hz
B
B
/ Tesla
Abb. 3.4:
Erregerstrom
I
und Induktionsspannung
U
(links), Feldstärke
H
und Flussdichte
B
(rechts).
Bei Variation der
Frequenz
des Erregerstroms zeigte sich, dass Form und Phasenlage der
B
-
Kurve variierten: Offensichtlich kommt es zu Verzögerungen im Aufbau des magnetischen
Feldes, die in Anbetracht der niedrigen Frequenzen nicht unbedingt zu erwarten waren. Der
Grund für diese Verzögerungen ist der
Skineffekt
: Wirbelströme schwächen das
H
-Feld, das
erst mit Abnahme dieser Wirbelströme verzögert aufgebaut werden kann. Auf Stromänderung
reagiert das
H
-Feld verzögert, und als Folge hiervon reagiert auch der Magnetfluss verzögert
auf die Stromänderung (Kap. 3.3.2 und 4.10.4). Um diese Effekte zu minimieren, wurden alle
weiteren Saitenringe mit lackierten Saiten angefertigt – Wirbelströme können dann nur mehr
in der einzelnen Saite kreisen (Abb. 3.5 und 5.9.17). Für Hysterese-Messungen müssen die
Wirbelströme nicht quantitativ ermittelt werden – es reicht, in sukzessiven Messungen die
Frequenz so lange zu verringern, bis die Unterschiede kleiner sind als der tolerierte Mess-
fehler. Hierfür ist Spannungseinprägung zweckmäßiger als Stromeinprägung.