Material für Elektromagneten / magn. Permeabilität

[Multi-kv]

Hallo Leute,

möchte mal spaßeshalber mit Elektromagneten experimentieren und die mit Neodymmagneten vergleichen.
Jetzt frage ich mich, welche Materialien wären für den Kern gut geeignet, also weichmagnetisches Eisen oder
sowas wie Permalloy / Mu-Metall etc. Es sollte also eine hohe magnet. Permeabilität aufweisen.
Einfacher Eisenstab / Nagel / Baustahl geht wohl auch - was kann man da für einen Perm-Wert erwarten?

Ich kenne mich mit dem Thema nicht so besonders gut aus, welche Randbedingungen wären da noch wichtig?
Diese Permeabilität ist ja nicht konstant sondern hängt von der magnet. Flußdichte ab (oder Feldstärke?)
Hmm - Physik ist da schon soo lange her

Außerdem gibts da noch so Phänomene wie magn. Sättigung, Hysteresekurve, Remanenz ...

Also, möglichst viele Windungen drauf, möglichst viel Strom DC und ab die Post

Ziel: möglichst viel Tesla / Haftkraft

[kilovolt]

Hallo Multi-kv

ich kann von mir jetzt leider auch nicht behaupten, dass ich viel Ahnung von der Materie hätte. Also wichtig für einen Elektromagneten ist halt vorallem, dass das Material eine geringe Hysterese resp. wenig Remanenz hat (also ein weichmagnetischer Werkstoff), damit das Magnetfeld nach abschalten des Stromes sofort weg ist. Bei einem Elektromagneten ist Restmagnetismus absolut unerwünscht.

Generell würde ich eher mit vielen Windungen und hohen Spannungen arbeiten als mit wenigen Windungen und hohem Strom, denn wenn man wenige Windungen nimmt, braucht man einen extrem hohen Strom und sehr dicke, starre Drähte. Es ist in der Regel einfacher, hohe Spannungen zu handhaben als sehr hohe Ströme. Ich würde den Elektromagneten wohl so auslegen, dass Du direkt mit gleichgerichteter Netzspannung 230V (325V DC) oder gar 400V (566V DC) arbeiten kannst. Ach ja und vergiss eine fette Freilaufdiode nicht!

Beste Grüsse
kilovolt

[Multi-kv]

o.k. - vielen Dank, kilovolt.

Es soll nur mal ein kleines Experiment in dieser Richtung sein, nichts größeres.
Möchte da eher noch mit ungefährlichen Spannungen bis vllt. 30 / 40 V arbeiten und ein paar A.
Weiß nur nicht, was ein geeignetes Material für das Joch wäre - da gibts ja so Speziallegierungen aber das hat man nicht gerade rumliegen.
Ein dicker Nagel, Baustahl (Moniereisen) hätte ich testweise da

Ja, Freilaufdiode ist ein guter Hinweis, da dürfte es hohe Induktionspitzen beim Ausschalten geben.
Wenn ich mit dem Variac langsam hoch- und runterregele sollte das aber kein Problem sein

[Norbi]

Normalerweise nimmt man Eisen. Ich würde einfach einen alten MOT auseinanderflexen.

[Multi-kv]

Danke Norbi, Trafobleche wären sicherlich auch geeignet.
Habe leider gar keinen MOT rumliegen, wäre mir auch fast zu schade, den dafür aufzuflexen.
Ich schaue mal, wie sich ein Stück Baustahl (Moniereisen) macht

[kilovolt]

Hallo Multi-kv

Dein Baustahl wird zwei Probelme haben: Zum einen ist Stahl ein Werkstoff mit hoher Remanenz, Du wirst ihn also magnetisieren und es bleibt nach dem Abschalten des Stromes ein Permanentmagnet zurück Zum anderen ist der Stahl woh ein einziges Stück, also nichts geblättertes, damit wirst Du gewisse Verluste hinnehmen müssen. Mit dem MOT würde ich es jedoch so sehen wie Du, der wäre mir wohl auch zu schade für einen solchen Kurzversuch.

EDIT: Muss mich korrigieren, das zweite Argument mit den Verlusten stimmt in Deinem Fall wohl nicht, da es ja bei Deiner Anwendung um ein statisches, gleichbleibendes Magnetfeld geht, sorry.

Beste Grüsse
kilovolt

[Mofi]

Hab noch einen offenen Kern rumliegen, etwa halb so groß wie ein MOT. Vielleicht wär der was für dich?

[Multi-kv]

@kilovolt: danke für die Info. Bei Gleichstrom spielt es wohl keine Rolle, der geblätterte Kern wäre für AC wichtig.
Wenn ich denn aus dem Baustahl einen Dauermagneten gemacht habe, wäre das ja auch ganz lustig
Dafür wäre evtl. sogar eine heftige einmalige Kondensatorentladung in die Spule ein schöner Versuch, ich glabue genau so funktionieren die Magnetisierungsanlagen.

@ Mofi: Vielen Dank für das Angebot, Mofi. Wenn alles nicht klappt komme ich evtl. gerne darauf zurück. Ansonsten muß ich mal auf den Bauhöfen oder Schrottplätzen gucken gehen,
ob da irgendwo alte Microwellengeräte herumliegen. Ich glaube die kommunalen Recyclinghöfe geben da nichts mehr raus, die sind da inzwischen sehr streng. Früher konnte man
da auch schon mal alte Kühlschrankkompressoren ausbauen Das ganze ist mehr ein kleines Spielprojekt und Anschuungsunterricht für die kleine Tocher

[Kohlenstoffkarbid]

Ich hab damit schon so ein wenig rumexperimentiert. Bislang hab ich zwei große Elektromagneten gebaut.

http://forum.mosfetkiller.de/viewtopic.php?f=3&t=2310
http://forum.mosfetkiller.de/viewtopic. ... 6&p=253634

Wenn das Ding Power haben soll, kommst nicht um Gleichstrom rum. Du solltest Baustahl der Sorte S235 bzw. St 37 nehmen. Die Restmagnetisierung dieses Materials ist nicht nennenswert und stört beim Versuch auch nicht. Irgendwelche Speziallegierungen sind nicht zu bekommen. Hab ich schon versucht. Gibt nix in sinnvoller Größe. Am ehesten würde noch hochwertiges Trafoblech neuerer Transformatoren an die Idealwerte rankommen. Davon bekommt man ab und an mal was, auch wenn da noch Kupfer drum ist. Praktischerweise hat das Kupfer aber dann auch meist die richtige Windungszahl für die Drahtdicke.

Beim Elektromagnet kommt es auf Amperewindungen an. Das heißt, Windungen mit Ampere multipliziert. Es nützt nix, wenn du 5000 Windungen mit 0,5 Ampere hast. 10 Windungen mit 250 Ampere würden das selbe tun und sind wesentlich schneller gewickelt. Gerade bei Elektromagneten ist der eigentlich geringe Widerstand des Kupferdrahtes ein Limit. Aber auch die Erwärmung kann zum Problem werden.

Wenn du das Ganze schön groß baust, kannst einige recht interessante Versuche mit machen. Muss aber nicht ganz so groß sein, auch wenn das natürlich noch mehr Spaß bringt.
https://www.youtube.com/watch?v=J0woWStcfPk
https://www.youtube.com/watch?v=WN_G9rSXlRA
https://www.youtube.com/watch?v=d0tpGsk_ZJ0

[Multi-kv]

Danke, CC4 - interessante E-Magnete hast Du da gebaut.

Ich bin mit den Ergebnissen meines kleinen Testmagneten nicht sehr glücklich, wahrscheinlich ist der Eisenquerschnitt einfach viel zu gering.
Ich habe einfach eine M10 Maschinenschraube genommen, einen Teil mit Klebeband umwickelt (50 mm) und dann 360 Wdg. 0,8 mm CuL-Draht in
7 Lagen aufgewickelt. Der CuL-Draht hat damit einen Querschnitt von 0,5mm2 und ist etwa 16 m lang bei ca. 0,5 Ohm. Das reicht für 2 A Dauer-
und ca. 5 A Kurzzeitbetrieb.
Leider ist die Haltekraft bei 5 A sehr gering - reicht max. für ca. 1 kg!



Habe dann gedacht, vielleicht ist es sinnvoll, die Magnetfeldlinien zu schließen und außen noch ein Stahlrohr mit Verbindung zum inneren Kern an zu bringen.
Also habe ich ein Stück altes Wasserrohr mit Innen-DM von ca. 28 mm abgesägt und mit großer Unterlegscheibe am anderen Ende aufgeschraubt:



Erstaunlicherweise ist der Magneteffekt hier aber vieeel geringer, fast gleich Null!
Ich hatte eigentlich gehofft, geschlossene Feldlinien verstärken den Magneten, aber die Kraft scheint sich fast aufzuheben?
Woran kann das liegen - was läuft da falsch?

Wahrscheinlich geht der mittlere Kern, meine M10-Schraube viel zu schnell in Sättigung.
Ohne das äußere Eisenrohr, steigt die Magnetkraft aber bis zu 8 A ständig an, obwohl das Eisen wohl eigentlich schon viel früher gesättigt sein müßte, oder?

Theoretisch wären mit einer solchen Spule und Eisenkern (50mm Spulenlänge, 360 Wdg, Permeabilität von Eisen /Stahl geschätzt 500??) eine magnet. Flußdichte B
von bis zu 22 Tesla drin! Nach der Formel
http://www.helpster.de/elektromagnet-be ... ule_131790 s. Punkt 6.

Habe hier nur mit einer Permeabiliität von 500 statt 800 (für Gusseisen) gerechnet, keine Ahnung was eine M10-Schraube (Baustahl??) tatsächlich hat?
Aber, wie gesagt, geht der Kern wohl sehr viel früher in Sättigung?

Wie berechne ich das und bei wieviel Ampere tritt theoret. die Sättigung ein?

[Elektro-Bastler]

Versuch mal das Rohr wegzulassen und auch die Stahl Unterlegscheiben durch Kunststoff oder Holzscheiben zu
ersetzen.
Wenn die Feldlinien durch den ganzen Krempel außenrum geschlossen werden und nicht mehr nach außen dringen,
ist es kein Wunder, dass Objekte außerhalb nicht mehr angezogen werden. Du hast damit mehr oder weniger einen
Trafo mit einer Windung sekundärseitig gebastelt, die zu allem Überfluss auch noch kurzgeschlossen ist. Darum
geht dir auch der Strom hoch.

Gruße

[Multi-kv]

Habe nochmal ein wenig in Tabellen gestöbert:

Bei Stahl (1.3505) dürfte die magnet. Sättigung bei etwa 0,5 T einsetzen.

Die Formel für die Kraft: F=B*B / 2*uo * A ergibt dann mit B = 0,5 und A = 0,00008 m2 eine max. Haltekraft von etwa 8 N oder 800 g.
Das entspricht empirisch ziemlich genau dem, was ich gemessen habe!
Ich brauche also einen vieeeel größeren Eisenquerschnitt und / oder ein Mat. mit einer höheren Permeabilität und vor allem einer höheren magnet. Sättigung.

[Multi-kv]

Danke, E-Bastler, da haben wir uns etwas überschnitten.
Du hast natürlich Recht, die geschlossene Verbindung der magnet. Flußliinien muß ich irgendwo aufbrechen, entweder das
äußere Rohr ganz weglassen oder zumindest eine U-Scheibe.

Habe es ja auch ganz ohne betrieben, aber die Kraftwirkung ist ziemlich schwach. Habe ja nun auch nachgerechnet woran es liegt.
Das der Eisenquerschnitt hier eine Rolle spielt, hatte ich gar nicht bedacht
(kam mir gleich etwas komisch vor, dann müßte ja auch ein dünner Nagel die gleiche Feldstärke erzeugen können )

[Kohlenstoffkarbid]

Die Formel mit der Permeabilität kannst gleich schon mal vergessen. Die wirkt bei offenen Kernen nicht, da dort die Permeabilität durch die "Lücke" wesentlich geringer ausfällt. Die Formel klappt am ehesten bei Ringkernen, doch da nützt dir das Magnetfeld auch nix, da es im Kern bleibt. Stahl sättigt bei 1-2 Tesla. 2,35 ist das äußerste Maximum einzelner Spezialsorten, die man eh nicht in die Finger bekommt. Offene Kerne bekommt man mit Normalaufwand vielleicht auf knapp 1 Tesla hoch.

Stahl ist nicht gleich Stahl. Ein Hauch von Chrom macht den Stahl für Magnetische Versuche ungeeignet. Rostfreie Stähle sind noch schlimmer. Billigster Baustahl ist am besten geeignet. Der muss möglichst wenige Beimischungen enthalten. Chrom darf nicht bei sein und Kohlenstoff sollte so wenig wie möglich vorhanden sein.

Schrauben und sonstige Haushaltsgegenstände sind scheiße. Da weiß man nie, was drin ist. Sind ja auch nicht für solche Versuche gedacht. Deine Schraube scheint sehr hell zu sein, was ein Hinweis auf Legierungszusätze ist. Gib nen Euro im Eisenwarenladen für einen Stab normalen unlegierten Baustahl (St 37) aus und gut. Unterlegscheiben und Verdickungen aus Stahl am Ende sind zu unterlassen. Die leiten das Magnetfeld in Richtung Spule um und nicht in Richtung außen (wo du das Magnetfeld gern hättest). Auch sonst sollte man abgesehen vom Kern nix aus Stahl anbringen.

Wenn du schlau bist, besorgst du das und wickelst so lange Draht drum rum, bis das passt:
http://www.ebay.de/itm/Stahl-Vierkant-3 ... 2387583009

Kannst natürlich auch so groß auslegen, wie ich das gemacht habe. Da musst du aber ne Weile nach nem Kern suchen. Es gibt nicht viele, die so einen Kern zu bezahlbaren Preisen anbieten und auch noch liefern wollen.

360 Windungen ist ein wenig knapp. Leg mal besser 500 oder gleich 1000 auf. Bei mir sind mindestens 900 Windungen a 2 Ampere für ausreichend Leistung notwendig. 3 bis 4 bringen erst den richtigen Spaß. Das wird bei dir nicht anders sein.

Edit: Ich hab die letzten 2 Antworten nicht gesehen, als ich getippt habe und bin nun zu faul das nun noch umzuändern.

[Multi-kv]

Danke Dir, CC4!
Die Formel oben (5 Beiträge vorher) ist ja eigentlich für eine Spule mit Eisenkern gedacht, also ein offener Kern, genau wie meiner.
Das Problem ist, das ich weder die spez. Permeabilität des Eisens kenne (das geht ja von ca. 100 - 10.000 und mehr bei Speziallegierungen) noch die genaue
Sättigungsgrenze. Die dürfte m.E. eher bei 0,5 - max. 1,5 T liegen, für "normalen" Stahl, wie Baustahl / Moniereisen etc.
Schau mal hier, die Tabelle weiter unten rechts: https://de.wikipedia.org/wiki/Ferromagnetismus

Die Schraube sieht vielleicht deshalb so hell aus, weil die außen verzinkt ist (Evtl. auch vernickelt, gebeizt o.ä.)

Ich denke ein dickes Stück Moniereisen (30 mm DM oder mehr) wäre ganz gut, oder anderes Rundeisen. Es sollte wenig C, Cr, V, Mo etc. enthalten, aber gerne etwas Si.
So ein rechteckiges Stück finde ich eher ungünstig, rund wäre klasse. Und mehr ein kurzer, dicker Zylinder, als eine lange Stange. Die Länge trägt ja gar nichts zur magn.
Flußdichte bei, es zählen praktisch die Windungen pro Länge bzw. Ampere-Windungen pro Länge. Eine 30 cm lange Spule mit 300 Wdg. erzeugt die gleiche Flußdichte
wie ein 3 cm lange Spule mit 30 Wdg. Optimal wäre also ein flacher Weicheisenzylinder - werde mal auf die Suche gehen...

Mit den U-Scheiben an den Seiten, bis Du da sicher das die eher stören? Habe irgendwo ein Video gesehen, da hatte jemand die Spule auch in ein kompl. Stahlgehäuse (Zylinder)
gesteckt, allerdings unten ohne magnet. Verbindung. Hier das Video:
https://www.youtube.com/watch?v=4mGsVKzndAs

Soll angeblich etwa 200 kg heben... (der innere Eisenquerschnitt sieht nicht danach aus...)

Die Sättigungsflußdichte müßte ich bei meiner Spule theoret. schon bei ca. 0,2 - 0,3 A erreichen, tatsächlich wird die Anziehungskraft aber bis ca. 8 A immer noch stärker,
höher bin ich nicht gegangen, da dann die Wicklung doch schon sehr schnell heiß wird. Kann es evtl. sein, das das Magnetfeld der Spule das des Kerns dann noch überlagert und
verstärkt, obwohl der Kern schon gesättigt ist? Selbst bei 0,5 A hält da fast noch gar nichts am Magneten, bissl Kraft kommt erst ab ca. 2 A.

Hier gibt's so einen Rundstahl in ST37 bis 60mm DM:
http://www.ebay.de/itm/Rundstahl-6-60-m ... hkI0NRkSzA

Evtl. kommt man aber auch auf dem Schrottplatz / Baustelle zum Erfolg.

Sowas
http://www.ebay.de/itm/192098016094

oder sowas
http://www.ebay.de/itm/322402985642?_tr ... .S1.R1.TR5

wären wahrscheinlich auch gut geeignet