Luftspalt

Im technischen Sinne bezeichnet ein Luftspalt einen häufig mit Luft gefüllten Bereich im Eisenkern eines Elektromagneten. Dieser sorgt nicht nur dafür, dass mehr Energie erzeugt und gespeichert wird, da er die magnetische Sättigung des Materials verhindert. Er stellt auch sicher, dass sich der elektrische Strom besser dosieren und steuern lässt, der durch den Kern aus Eisen oder ein ähnliches ferromagnetisches Material fließt. Zum Einsatz kommen Luftspalte mitunter in:

  • Transformatoren
  • Drosselspulen
  • Magnetköpfen
  • Lautsprechern
  • Gleichstrom-Relais

Sie sind für den gezielten Einsatz von elektrisch induziertem Magnetismus im Industrie-, Elektrotechnik- und Medizinsektor unerlässlich. Tatsächlich muss ein Luftspalt übrigens nicht in jedem Fall mit Luft gefüllt sein. In der Tontechnik finden mitunter feste diamagnetische Materialien als Luftspalte Verwendung, die unerwünschte Schwingungen und damit störendes Netzbrummen verhindern können.

Was bewirkt ein Luftspalt im magnetischen Kreis?

Ein magnetischer Kreis – wie er auch in Transformatoren vorkommt – besteht üblicherweise aus einem Eisenkern, der von einer Spule umgeben ist. Die Spule wiederum ist an eine Stromquelle angeschlossen. Abhängig von der anliegenden Spannung und der Induktivität der Spule wird die magnetische Flussdichte erzeugt und es entsteht ein mehr oder weniger starkes Magnetfeld. Ausschlaggebend ist auch die Permeabilität des Kernkörpers. Ferromagnetische Materialien mit hoher Permeabilität, darunter Eisen, Nickel und Kobalt, enthalten kleinste Elementarmagnete, die zunächst ungeordnet sind, sich aber bei Kontakt mit einem anderen Magneten oder durch das Umwickeln mit einer stromdurchflossenen Spule gleichmäßig ausrichten. Durch diese Ausrichtung wird das Material selbst magnetisch und die Feldstärke steigt deutlich an. Um den ferromagnetischen Körper wieder zu entmagnetisieren, muss er aus dem anliegenden magnetischen oder elektrischen Feld entfernt werden. Zudem können zusätzliche Maßnahmen wie Erschütterungen, Erhitzung oder das Anlegen eines magnetischen Koerzitivfeldes nötig sein.

Liegt nun zunächst eine Spannung an, die langsam erhöht wird, tritt früher oder später der Moment der Sättigung ein. Das bedeutet, dass sämtliche Elementarmagnete im ferromagnetischen Körper parallel ausgerichtet sind und der magnetisch gewordene Körper seine maximale Magnetisierung erreicht. Von diesem Punkt aus würde eine angenommene Sättigungskurve nicht weiter linear ansteigen, sondern abgeflacht verlaufen. Um diesen Effekt zu vermeiden und um das volle Potenzial des magnetischen Kreises nutzen zu können, wird ein magnetischer Widerstand in Form eines Luftspalts eingebaut. Dieser befindet sich im Inneren des Kerns und durchbricht diesen in Form eines schmalen Spalts zu einer Seite hin.

Die magnetische Flussdichte wird durch den Luftspalt unterbrochen. Gleichzeitig ist das Magnetfeld im Luftspalt selbst besonders stark. Die magnetische Leitfähigkeit des ferromagnetischen Kerns muss also erhöht werden, um diesen Widerstand zu überwinden. Die Leitfähigkeit wird verbessert, eine höhere Spannung kann angelegt werden und der induzierte magnetische Fluss ist in der Folge einfacher zu steuern. Die Kraft eines stromdurchflossenen Magneten wird durch Luftspalte also gebündelt und gestärkt.

Warum sollten Luftspalte im Eisenkern eines Transformators möglichst klein sein?

In einem Transformator befinden sich zwei Spulen, die wiederum durch einen Eisenkern verbunden sein können. Eines der beiden Magnetfelder induziert zunächst eine Spannung in die gegenüberliegende Spule. In ihrer Stärke ist diese Spannung abhängig von dem vorliegenden Windungszahl-Verhältnis. Insbesondere dann, wenn der Transformator auch bei hohen Leistungen verwendet werden soll, ist die Nutzung eines Luftspalts nötig.

Ein magnetischer Kreis mit Luftspalt in einem Transformator bewirkt, dass sich die Induktivität der anliegenden Spule leicht verringert. Entsprechend kann die Effizienz des Transformators in niedrigeren Leistungsbereichen leicht abnehmen. Der Luftspalt ist für höhere Leistungen jedoch nötig, um einen magnetischen Widerstand zu schaffen, der eine Sättigung verhindert und höhere Stromstärken nutzbar macht. Luftspalte sind außerdem kleine Energiespeicher, da in ihnen ein besonders starkes magnetisches Feld herrscht. Um einen unerwünschten Abfall der Energiedichte zu vermeiden, werden die Luftspalte in magnetischen Kreisen in Transformatoren also so schmal wie möglich konzipiert, um nicht zu viel Energie zu verlieren.


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