Elektromagnet, Vorrichtung, die aus einem Kern aus magnetischem Material besteht, der von einer Spule umgeben ist, durch die ein elektrischer Strom fließt, um den Kern zu magnetisieren. Ein Elektromagnet wird überall dort eingesetzt, wo steuerbare Magnete benötigt werden, z. B. in Vorrichtungen, bei denen der magnetische Fluss variiert, umgekehrt oder ein- und ausgeschaltet werden soll.
Die technische Konstruktion von Elektromagneten wird durch das Konzept des magnetischen Kreises systematisiert. Im magnetischen Kreis ist die magnetomotorische Kraft F oder Fm definiert als die Amperewindungen der Spule, die das Magnetfeld zur Erzeugung des magnetischen Flusses im Kreis erzeugt. Wenn also eine Spule mit n Windungen pro Meter einen Strom von i Ampere führt, beträgt das Feld im Inneren der Spule ni Ampere pro Meter und die magnetomotorische Kraft, die sie erzeugt, ist nil Amperewindungen, wobei l die Länge der Spule ist. Einfacher ausgedrückt, ist die magnetomotorische Kraft Ni, wobei N die Gesamtzahl der Windungen in der Spule ist. Die magnetische Flussdichte B ist im magnetischen Kreis das Äquivalent der Stromdichte in einem elektrischen Kreis. Im Magnetkreis ist das magnetische Äquivalent zum Strom der Gesamtfluss, symbolisiert durch den griechischen Buchstaben phi, ϕ, gegeben durch BA, wobei A die Querschnittsfläche des Magnetkreises ist. In einem elektrischen Stromkreis ist die elektromotorische Kraft (E) mit dem Strom i im Stromkreis durch E = Ri verbunden, wobei R der Widerstand des Stromkreises ist. Im magnetischen Kreis ist F = rϕ, wobei r die Reluktanz des magnetischen Kreises ist und dem Widerstand im elektrischen Kreis entspricht. Die Reluktanz erhält man, indem man die Länge des magnetischen Pfades l durch die Permeabilität mal die Querschnittsfläche A dividiert; somit ist r = l/μA, wobei der griechische Buchstabe mu, μ, die Permeabilität des den Magnetkreis bildenden Mediums symbolisiert. Die Einheiten der Reluktanz sind Amperewindungen pro Weber. Diese Konzepte können zur Berechnung der Reluktanz eines magnetischen Kreises und damit des Stroms verwendet werden, der durch eine Spule fließen muss, um den gewünschten Fluss durch diesen Kreis zu erzwingen.
Durch verschiedene Annahmen, die mit dieser Art von Berechnung verbunden sind, ist sie jedoch bestenfalls ein ungefährer Leitfaden für die Auslegung. Die Wirkung eines permeablen Mediums auf ein Magnetfeld kann man sich so vorstellen, dass es die magnetischen Kraftlinien in sich zusammenzieht. Umgekehrt neigen die Kraftlinien beim Übergang von einem Bereich mit hoher zu einem mit niedriger Permeabilität dazu, sich auszubreiten, und dies geschieht an einem Luftspalt. So wird die Flussdichte, die proportional zur Anzahl der Kraftlinien pro Flächeneinheit ist, im Luftspalt durch die Ausbuchtung der Linien an den Seiten des Spalts verringert. Dieser Effekt verstärkt sich bei größeren Spaltlängen; grobe Korrekturen können vorgenommen werden, um den Franseneffekt zu berücksichtigen.
Es wurde auch angenommen, dass das Magnetfeld vollständig in der Spule eingeschlossen ist. Tatsächlich gibt es aber immer einen gewissen Streufluss, der durch magnetische Kraftlinien an der Außenseite der Spule dargestellt wird und nicht zur Magnetisierung des Kerns beiträgt. Der Streufluss ist im Allgemeinen gering, wenn die Permeabilität des Magnetkerns relativ hoch ist.
In der Praxis ist die Permeabilität eines magnetischen Materials eine Funktion der Flussdichte in diesem Material. Daher kann die Berechnung für ein reales Material nur durchgeführt werden, wenn die tatsächliche Magnetisierungskurve oder, was noch nützlicher ist, ein Diagramm von μ gegen B zur Verfügung steht.
Schließlich wird bei der Konstruktion angenommen, dass der Magnetkern nicht bis zur Sättigung magnetisiert ist. Wäre dies der Fall, könnte die Flussdichte im Luftspalt bei dieser Konstruktion nicht erhöht werden, egal wie viel Strom durch die Spule fließen würde. Diese Konzepte werden in den folgenden Abschnitten über spezifische Geräte weiter ausgeführt.
