Magnetischer Fluss
| Physikalische Größe | |||||||
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| Name | Magnetischer Fluss | ||||||
| Formelzeichen der Größe | $ \Phi $ | ||||||
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Der Magnetische Fluss (Formelzeichen: Φ) ist eine physikalische Größe zur Beschreibung des magnetischen Feldes. Er ist – vergleichbar mit dem elektrischen Strom – die Folge einer magnetischen Spannung und fließt durch einen magnetischen Widerstand. Da selbst das Vakuum einen solchen magnetischen Widerstand darstellt, ist der magnetische Fluss nicht an ein bestimmtes „Medium“ gebunden und wird über Feldgrößen beschrieben.
Die Gesamtzahl der magnetischen Feldlinien ist der magnetische Fluss. Der Begriff entstand durch den Vergleich mit dem elektrischen Stromfluss I. Je stärker der Stromfluss, um so stärker ist auch der magnetische Fluss.
Allgemeines
Betrachtet man beispielsweise einen kleinen Zylinder aus einem Material mit gegebener magnetischer Leitfähigkeit, an dem eine magnetische Spannung Um als Folge der magnetischen Feldstärke H und seiner Länge anliegt, so stellt sich ein Strom ein proportional zu seiner Querschnittsfläche. Analog zum elektrischen Widerstand definiert man so den magnetischen Widerstand Rm und kommt zu dem Zusammenhang:
- $ \Phi ={\frac {U_{m}}{R_{m}}} $
Herrscht beispielsweise im einfachsten linearen, homogenen Fall zwischen den mit dem Abstand d zueinander befindlichen Polschuhen eines Magneten die magnetische Feldstärke H, so herrscht entlang der Strecke d die magnetische Spannung:
- $ U_{m}=H\cdot d $
Durch diese magnetische Spannung bildet sich zwischen den Polschuhen der magnetische Fluss aus. Je nach dem magnetischen Widerstand des zwischen den Polschuhen befindlichen Materials (bzw. des leeres Raumes) stellt sich eine bestimmte Größe des magnetischen Flusses ein. Der magnetische Widerstand ist dabei an die magnetische Leitfähigkeit als Stoff- bzw. Naturkonstante gebunden, so wie ein ohmscher Widerstand an die Stoffkonstante der elektrischen Leitfähigkeit des Widerstandsmaterials gebunden ist.
Im Regelfall arbeitet man in der Feldtheorie nicht direkt mit dem magnetischen Fluss, sondern mit der damit verknüpften magnetischen Flussdichte. Der Grund liegt darin, dass man einen Fluss nur einer bestimmten Fläche im Raum zuordnen kann, nicht aber diskreten Feldpunkten: Es existiert keine Funktion Φ(x,y,z), wobei x, y, z Ortskoordinaten bezeichnen. Zeichnerisch wird daher der magnetische Fluss als eine Art „Röhre“ (Flussröhre) dargestellt. Um diese Schwierigkeiten zu vermeiden, wird daher meist mit der vektoriellen Größe der magnetischen Flussdichte gearbeitet. Umgekehrt lässt sich so der magnetische Fluss durch eine Fläche A aus der magnetischen Flussdichte B ableiten. Ganz allgemein ist der magnetische Fluss durch eine orientierte Fläche $ A $ daher definiert als:
- $ \Phi =\int \limits _{A}{\vec {B}}\cdot \mathrm {d} {\vec {A}} $
Besondere Fälle
- Falls das magnetische Feld homogen, und die Fläche nicht gekrümmt ist, so ist der magnetische Fluss gleich dem Skalarprodukt aus magnetischer Flussdichte B und dem Flächenvektor A (Normalenvektor der Fläche):
- $ \Phi ={\vec {B}}\cdot {\vec {A}} $
- Da das magnetische Feld quellenfrei ist (magnetische Monopole sind nur hypothetische Teilchen) sind die magnetischen Flussdichtelinien immer in sich geschlossen. Dies wird in den Maxwell-Gleichungen ausgedrückt durch:
- $ \nabla \cdot {\vec {B}}=0 $
Daher ist der magnetische Fluss durch eine geschlossene Oberfläche eines Raumsegmentes immer Null, da nach dem Integralsatz von Gauß gilt:
- $ \Phi =\oint \limits _{\partial V}{\vec {B}}\cdot \mathrm {d} {\vec {A}}=\int \limits _{V}\nabla \cdot {\vec {B}}\;\mathrm {d} V=0 $
Verketteter Fluss, Verkettungsfluss, Induktionsfluss
Als verketteter Fluss (Verkettungsfluss, Induktionsfluss oder auch Spulenfluss) wird der gesamte magnetische Fluss einer Induktivität bzw. Spule bezeichnet, der sich bei der Integration der magnetischen Flussdichte B über die Fläche Av ergibt, die durch die Spule samt ihren Zuleitungen gebildet wird:
- $ \Psi =\int \limits _{A_{v}}{\vec {B}}\cdot \mathrm {d} {\vec {A_{v}}} $
Als Integrationsfläche Av kann eine beliebige orientierte Fläche verwendet werden, die von der kurzgeschlossenen Spule berandet wird. Denn da es keine magnetischen Monopolladungen gibt, kommt es bei der Berechnung des Flusses ausschließlich auf die Randlinie, nicht aber auf die genaue Form der Fläche an. Das nebenstehende Bild zeigt eine mögliche Spulenfläche am Beispiel einer Spule mit drei Windungen. Bei einer üblichen Spulenanordnung wird die Fläche von den magnetischen Feldlinien im Spulenkern N mal durchstoßen, wenn das Feld im Kern näherungsweise homogen ist. Es ergibt sich dann: $ \Psi \approx N\cdot \Phi _{\text{w}} $, wobei $ \Phi _{\text{w}} $ der magnetische Fluss durch eine Windung bzw. die Querschnittsfläche des magnetischen Kerns ist.
Anschaulich kann der verkettete Fluss in der folgenden Form beschrieben werden: Die induzierte Spannung in einer Windung ergibt sich aus der Änderung des von einer einzigen Windung umschlossenen magnetischen Flusses $ \Phi _{\text{w}} $. Wird, wie bei einer Spule, eine weitere Windung in Reihe zur ersten geschaltet ergibt sich auch in dieser Windung eine gleich große induzierte Spannung, soweit beide Windungen den gleichen Fluss umfassen. Beide induzierte Spannungen addieren sich aufgrund der Reihenschaltung der Windungen. Bei $ N $ Windungen für die gesamte Spule ergibt sich somit eine induzierte Spannung proportional zur Änderung von $ \Psi =N\cdot \Phi _{\text{w}} $. Diese Gesamtspannung liegt an den Klemmen der Spule an und somit ist der verkettete magnetische Fluss $ \Psi $ und nicht der einfache magnetische Fluss $ \Phi _{\text{w}} $ für die Strom-Spannungsbeziehung und die Induktivität der Spule zu berücksichtigen.
In der elektrotechnischen Literatur hat es sich weitgehend durchgesetzt, den magnetischen Fluss im Magnetkern mit $ \Phi $ und den magnetischen Fluss durch die von der Spule aufgespannten Fläche mit $ \Psi $ zu bezeichnen. Die Wahl des unterschiedlichen Buchstabens sollte dabei nicht zu dem naheliegenden Irrtum verleiten, dass es sich beim verketteten Fluss um eine vom gewöhnlichen magnetischen Fluss verschiedene neue physikalische Größe handelt. Denn der verkettete Fluss einer Spule ist physikalisch betrachtet nichts anderes als der gewöhnliche magnetische Fluss, der sich für den Spezialfall einer Spulenfläche ergibt. Die Wahl des neuen Buchstabens ist jedoch dabei nützlich, den Spulenfluss von dem magnetischen Fluss zu unterscheiden, der den Querschnitt des Spulenkerns durchdringt.
Maßeinheit
Die Maßeinheit des magnetischen Flusses im SI-Einheitensystem ist Weber, das Einheitenzeichen Wb:
- $ [\Phi ]=\mathrm {T\cdot m^{2}} =\mathrm {Vs} =\mathrm {Wb} $
Veranschaulichung des magnetischen Kraftflusses
Während es für den elektrischen Fluss und die dahinterstehende elektrische Ladung Q in C (bzw. As) verhältnismäßig leicht fällt, eine anschauliche Vorstellung von ihr zu entwickeln, nämlich die einer entsprechend großen Zahl von Elektronen, fähig, z.B. eine Sekunde lang einen Strom von 1 A aufrechtzuerhalten, fällt das beim magnetischen Fluss, gemessen in Wb (bzw. Vs), weitaus schwerer.
Eine der Möglichkeiten ist es, dazu auf den in manchen (älteren) Lehrbüchern der Physik zu findenden Begriff der Zeitsumme der Spannung bzw. Spannungszeitsumme [1], in Anlehnung an den Begriff des Kraftstoßes auch Spannungsstoß [2][3] genannt, zurückzugreifen:
- $ \Phi =-\int U_{ind}\cdot \mathrm {dt} $
Zeichnet man nämlich die Induktionsspannung in einer Leiterschleife als Funktion der Zeit auf, zeigt sich, dass die Fläche unterhalb der Spannungskurve bei gleichbleibender Stärke des Erregerfelds stets dieselbe bleibt, egal, wie schnell oder langsam die Flussänderung vonstattengeht. Dementsprechend lautet eine der auf dem Begriff der Spannungszeitsumme fußenden Definitionen des magnetischen Kraftflusses $ \Phi $ wie folgt:
- „Der Kraftfluß durch eine Fläche beträgt 1 Weber [...], wenn in einem sie umrandenden Stromkreis bei Verschwinden des Kraftflusses durch die Fläche eine Spannungszeitsumme von 1 V·s induziert wird.“
Umgangssprachlicher formuliert: Ein magnetischer Kraftfluss von 1 Weber (bzw. 1 Vs) ist diejenige „Menge an Magnetismus“, die bei ihrem Verschwinden in dem sie umgebenden Stromkreis eine Sekunde lang eine Spannung von 1 V aufrechtzuerhalten vermag. (Vgl. auch Spannungszeitfläche)
Quantentheorie
Bei der Betrachtung von Quantenphänomenen (z. B. Aharonov-Bohm-Effekt, Quanten-Hall-Effekt) ist das magnetische Flussquantum
- $ \Phi _{0}={\frac {h}{e}} $,
also der Quotient aus dem planckschem Wirkungsquantum und der Elementarladung, eine zweckmäßige Größe. In einigen Supraleitern weist das Flussquantum einen Betrag von
- $ \Phi _{0}={\frac {h}{2e}} $
auf. Der experimentelle Befund $ \Phi _{0}={\frac {h}{q}} $, mit $ q=2e $, in diversen Versuchen zu Supraleitern (wie beim magnetischen Fluss durch einen supraleitenden Ring) gab den Hinweis darauf, dass die Ladungsträger hier die Ladung $ 2e $ haben, woraus auf die Existenz von Cooper-Paaren geschlossen werden kann.
Literatur
- Karl Küpfmüller, Gerhard Kohn: Theoretische Elektrotechnik und Elektronik. 14. Auflage. Springer, 1993, ISBN 3-540-56500-0.
Weblinks
- Rechner für den Magnetischen Fluss (Φ in nWb pro Meter Spurbreite als Fluss-Pegel in dB – Tape Operating Levels – Tape Alignment Levels)