Elektromagnet (in Arbeit)

Grundlagen: Für viele Experimente wird ein starkes Magnetfeld benötigt. Soll das Feld in einem größeren Volumen aufrecht erhalten werden kann der Aufwand für die erforderlichen Spulen und Eisenkerne sehr groß werden. Man kennt die Bilder der Riesenmagnete von Teilchenbeschleunigern. Im Wesentlichen sind für den Bau eines Magneten größere Mengen von Eisen und Kupfer erforderlich wodurch die Teile ziemlich schwer werden. Bei der Dimensionierung der Spulen hat man die Wahl zwischen vielen Wicklungen und wenig Strom oder wenigen Wicklungen und viel Strom, für das erzeugte Feld ist nur das Produkt von Wicklungszahl und Strom maßgebend. Der Kern sollte aus möglichst reinem Eisen (Weicheisen ) bestehen. Einfacher erhältlich als Weicheisen und ebenfalls brauchbar ist kohlenstoffarmer Werkzeugstahl mit der Bezeichnung St37. Der Stahl hat auch den Vorteil weniger anfällig für Rost zu sein. Der im Folgenden beschriebene Magnet wurde für einen Elektronenbeschleuniger, ein >> Mikrotron<< gebaut.

Aufbau: Das Mikrotron benötig mäßiges Feld von circa 200 mT in einem flachen, zylinderförmigen Volumen von 150 mm Durchmesser und einer Höhe von 27 mm. Da das Mikrotron mit einem konstanten Feld betrieben wird kann der Kern massiv sein, Wirbelstromverluste durch die fehlende Schichtung des Eisenkerns sind nicht zu befürchten

	Der Eisenkern des Magneten besteht aus je 4 Platten mit 12 mm Stärke und 132, b.z.w. 145 mm Durchmesser. Zwei 6 mm dicke quadratische Platten bilden mit vier Eisenstangen das Joch, den magnetischen Rückflusspfad. Die Spulen aus 0,8 mm CuL Draht haben je 180 Windungen und einen Widerstand von einem Ohm, sie können ohne größere thermische Probleme mit 5 Ampere belastet werden.

Betrieb:
Zur Messung des Magnetfeldes wird ein Hallsensor SS496 von Honeywell verwendet. Der linke Graph zeigt das Ergebniss der Messung. Man sieht das bei einem Strom von 7 Ampere gerademal 61 mT erreicht werden. Für das Mikrotron je nach Beschleunigungsenergie werden zwischen 66 mT (102 keV) und 167 mT (255 keV) benötigt. Deshalb ist es sinnvoll den Magnet im Pulsbetrieb zu verwenden. Im Pulsbetrieb können die notwendigen Felder erreicht werden ohne Probleme mit der Spulenkühlung zu bekommen und des Magnetron des Mikrotrons wird ohnehin gepulst. Die für die ersten beiden Moden des Mikrotrons geforderten 66 mT und 84 mT scheinen auf jeden Fall machbar.

Für das Mikrotron ist aber nicht nur die Höhe des Magnetfelds wichtig sondern auch die Konstanz über der Fläche. Deshalb wurde der Hallsensor am beweglichen Arm eines XY-Schreibers angebracht. Der XY-Schreiber wird über einen DA-Wandler vom Compuer angesteuert und die Messdaten des Hallsensors mit einem AD-Wandler im Compuer gespeichert. Der Erregerstrom betrug 3 Ampere. Die Messwerte wurden in Farben kodiert und das Ergebnis ist im rechten Bild dargestellt. Man sieht das das Feld über die gesamte Fläche die nötige Konstanz aufweist.