Was ist Elektromagnetismus?

Elektromagnetismus ist der Teilbereich der Physik, der die Wechselwirkungen zwischen elektrisch geladenen Partikeln und ihren entsprechenden Feldern untersucht. Diese Wechselwirkungen werden in Form von elektrischen und magnetischen Feldern beschrieben, die zusammen die elektromagnetische Kraft bilden, eine der vier Grundkräfte der Natur. 

In der Elektromagnetik beschäftigen sich Techniker*innen vor allem mit den elektromagnetischen Eigenschaften von Bauteilen und ihrer Beziehung zu elektromagnetischen Feldern. Techniker*innen beschäftigen sich im Wesentlichen mit:

• Der Physik hinter elektrischen Systemen und Geräten
• Der Einrichtung von Tools für die technische Analyse zur zuverlässigen Charakterisierung dieser Phänomene

Dementsprechend ist die Elektromagnetik die Grundlage für wichtige Designüberlegungen bei Anwendungen wie elektrischen Schaltungen, magnetischen Schaltungen, integrierten Schaltungen und Halbleiterbauelementen.

Die Abhandlung von Maxwell über Elektrizität und Magnetismus aus dem Jahr 1873 zeigte, dass Wechselwirkungen zwischen elektrisch geladenen Partikeln durch eine einzige Kraft bedingt sind, nämlich durch die elektromagnetische Kraft.

Im makroskopischen Bereich lassen sich folgende Auswirkungen dieser Kraft beobachten:

• Gleiche elektrische Ladungen (positiv oder negativ) stoßen sich gegenseitig ab. Ungleiche elektrische Ladungen ziehen sich an. Die Stärke der elektromagnetischen Kraft ist in jeder Situation umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen den Ladungen.
• In ähnlicher Weise ziehen sich magnetische Pole (Nord- oder Südpol) gegenseitig an oder stoßen sich ab. Sie existieren immer paarweise.
• Ein elektrischer Strom, der sich durch einen Draht ausbreitet, erzeugt ein kreisförmiges magnetisches Feld um den Draht. Die Richtung des elektrischen Stroms bestimmt die Richtung des magnetischen Feldes, wie in der Abbildung oben dargestellt.
• Ein leitender Draht, der sich durch ein magnetisches Feld bewegt, erzeugt einen elektrischen Strom, der sich durch den Draht ausbreitet. Die Bewegungsrichtung durch das magnetische Feld bestimmt die Laufrichtung dieses Stroms.

Charakterisierung elektromagnetischer Wechselwirkungen

Die elektromagnetische Kraft ist die zweitstärkste der vier Grundkräfte der Natur. Sie ist weitgehend verantwortlich für Wechselwirkungen zwischen Atomen, Molekülen und makroskopischen Objekten. 

Die elektromagnetische Kraft übt ihren Einfluss durch die Ausbreitung elektrischer und magnetischer Wellen aus, die sich rechtwinklig zueinander bewegen und bei bestimmten Frequenzen oszillieren. In einem Vakuum breiten sich diese Wellen mit einer konstanten Geschwindigkeit aus, der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, was ungefähr einer Geschwindigkeit von 300.000 km/s entspricht.

Die Geschwindigkeit des Lichts im Vakuum c steht mit der Frequenz v Meter und der Wellenlänge λ Hz in einer einfachen Beziehung:

$$c=v\lambda$$

Bei vielen Anwendungen müssen Elektrotechniker*innen sich nicht näher mit dem Elektromagnetismus befassen. In vielen Fällen ist die Elektrostatik (die Untersuchung stationärer elektrischer Ladungen) ausreichend. In anderen Fällen, wie bei Dauermagneten, ist auch die Magnetostatik ausreichend.

Folglich kann in reinen elektrischen oder magnetischen Netzen sogar auf Maxwell-Gleichungen verzichtet werden, was den Umgang mit Netzen vereinfacht. Mit der zunehmenden Elektrifizierung von Geräten bei hohen Frequenzen und den kompakteren Gehäusen von Geräten, die elektromagnetische Felder erzeugen, werden elektrodynamische Überlegungen beim Designen von Produkten jedoch immer wichtiger.

Aufbauend auf der Arbeit von Physikern wie Ampère, Coulomb und Ørsted formulierte Maxwell vier Gleichungen und legte damit eine vereinheitlichte Theorie der Elektromagnetik dar – etwas, das viele Wissenschaftler als „die zweite große Vereinigung in der Physik“ bezeichneten, mit Bezug auf Isaac Newtons „erste große Vereinigung“ der Schwerkraft.

Die Lösung der Gleichungen von Maxwell im freien Raum (ohne elektrische Ladungen) führt zu Wellengleichungen, die elektromagnetische Wellen beschreiben, die sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen. Dies führte Maxwell zu der Annahme, dass Licht tatsächlich eine elektromagnetische Strahlung ist und dass es eine Reihe elektromagnetischer Strahlungen gibt, die sich nur in ihren Frequenzen (oder Wellenlängen) unterscheiden.

Das elektromagnetische Spektrum umfasst alle Arten elektromagnetischer Strahlung, von der niederfrequenten Strahlung, den Funkwellen bis zur hochfrequenten Strahlung, den Gammastrahlen. Jede Art von Strahlung ist durch ihre Frequenz und Wellenlänge gekennzeichnet, die in umgekehrtem Verhältnis zueinander stehen. Das Spektrum umfasst:

Die Gleichungen von Maxwell wurden verifiziert, als der deutsche Physiker Heinrich Hertz in den späten 1880er Jahren mit seiner Entdeckung der Funkwellen die Existenz elektromagnetischer Strahlung nachwies.

Beschreibung der elektrischen und magnetischen Felder

In der Physik beschreiben Felder Wechselwirkungen zwischen Energie und Materie an bestimmten Punkten in Raum und Zeit. Insbesondere weist ein Vektorfeld jedem dieser Punkte eine Amplitude und Richtung zu. Ein elektrisches Feld, das eine statische elektrische Ladung umgibt, wird durch ein Vektorfeld beschrieben.

An jedem Punkt beschreibt die Amplitude des Vektors die Stärke des elektrischen Feldes, während seine Richtung die Richtung des Feldes beschreibt. Vereinbarungsgemäß weist das Feld bei positiven Ladungen in dieselbe Richtung wie die Kraft und bei negativen Ladungen in die entgegengesetzte Richtung.

Daher fließen die elektrischen Felder immer von der positiven Ladung weg und zur negativen Ladung hin. Die Beziehung zwischen der Kraft F, die von einer Quellladung (in Newton), einer Prüfladung q (in Coulomb) und der elektrischen Feldstärke E (in Volt pro Meter) ausgeübt wird, ergibt sich aus:

$$\overrightarrow{F}=q\overrightarrow{E}$$

Ein magnetisches Feld umgibt eine sich bewegende elektrische Ladung. Dieses Feld wirkt sich auf andere Ladungen und Magnete aus. Die Richtung der Kraft, die auf eine sich bewegende Ladung in einem magnetischen Feld wirkt, ist senkrecht zu ihrer Bewegungsrichtung und zu den Magnetfeldlinien.

In Kombination ergeben elektrische und magnetische Kräfte, die auf ein geladenes Teilchen wirken, die Lorentzkraft, eine Kraft, die proportional zur Ladung und zur Größe des elektrischen Feldes in Richtung des elektrischen Feldes E ist plus eine Kraft, die proportional zur Größe des magnetischen Feldes, zur Ladung und zur Geschwindigkeit in der Richtung rechtwinklig zur Teilchengeschwindigkeit v und zum magnetischen Feld B ist. Zusammen mit dem Lorentzkraft-Gesetz liefern die Maxwell-Gleichungen eine vollständige klassische Beschreibung elektromagnetischer Wechselwirkungen.

Die Maxwell-Gleichungen bilden die Grundlage des klassischen Elektromagnetismus. Diese vier Gleichungen, ausgedrückt in Differentialform, beschreiben das Verhalten elektrischer und magnetischer Felder und deren Wechselwirkungen mit Ladungen und Strömen:

Erste Maxwell-Gleichung: Gaußsches Gesetz

Das Gaußsche Gesetz (auch Satz von Gauß) setzt die Verteilung elektrischer Ladungen mit dem elektrischen Feld in Beziehung. Es besagt, dass der elektrische Fluss durch eine beliebige geschlossene Fläche (eine Gaußsche Fläche) proportional zu der in dieser Fläche eingeschlossenen elektrischen Ladung ist.

Wenn eine Oberfläche keine elektrische Ladung einschließt, gibt es also auch keinen elektrischen Fluss. Wenn eine elektrische Ladung in der Nähe einer solchen Oberfläche platziert wird, müssen sich die elektrischen Flüsse in die Oberfläche hinein und von ihr weg folglich aufheben. 

Zweite Maxwell-Gleichung: Gaußsches Gesetz für Magnetfelder

Ähnlich wie die erste Gleichung beschreibt das Gaußsche Gesetz für Magnetfelder das Verhalten eines magnetischen Flusses durch eine geschlossene Oberfläche. Es besagt, dass dieser Fluss immer Null sein muss. Wenn sich also ein magnetisches Feld in der Nähe befindet, muss der magnetische Fluss in die Oberfläche den Fluss aus der Oberfläche aufheben.

Anders gesagt: Magnetische Monopole können nicht auf dieselbe Weise existieren wie elektrische Monopole (Ladungen). Daher müssen positive und negative Magnetpole immer als Dipole (Nord und Süd) existieren.

Dritte Maxwell-Gleichung: Das Maxwell-Ampère-Gesetz

Das Ampèresche Gesetz besagt, dass ein elektrischer Strom, der durch einen Draht fließt, ein magnetisches Feld erzeugt. Bei einem geraden Draht windet sich das magnetische Feld um den Draht, wobei die Richtung des Flusses durch die vier Finger in der Rechte-Hand-Regel angezeigt wird. Bei einem gewickelten Draht steht das magnetische Feld senkrecht, wie in der Rechte-Hand-Regel durch den Daumen angezeigt wird.

Maxwells Erweiterung des Ampèreschen Gesetzes besagt, dass ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld auch ein veränderliches magnetisches Feld erzeugen kann.

Vierte Maxwell-Gleichung: Die Maxwell-Faraday-Gleichung

Die Maxwell-Faraday-Gleichung beschreibt, wie ein zeitlich veränderliches Magnetfeld ein elektrisches Feld erzeugt. Sie kann auch vom Faradaysches Gesetz und dem Lorentkraftgesetz abgeleitet werden.

Unter dem Einfluss elektrischer Kräfte ziehen sich statisch geladene Partikel gegenseitig an oder stoßen sich ab. Während der Bewegung erfahren diese Partikel außerdem magnetische Kräfte. Elektromagnetische Kräfte entstehen aus der Summe dieser elektrischen und magnetischen Wechselwirkungen und üben ihren Einfluss durch elektromagnetische Felder aus.

So reguliert die elektromagnetische Kraft eine Reihe von Wechselwirkungen. Sie sorgt beispielsweise dafür, dass negativ geladene Elektronen an positiv geladene Atomkerne gebunden bleiben, und ermöglicht so die Bildung von Molekülen.

Bezug zur Theorie des elektrischen Stromkreises

In der Theorie der elektrischen Schaltkreise abstrahieren die Designer*innen von Schaltkreisen das Verhalten von Geräten und Systemen. Dabei müssen sie die zugrunde liegenden Prinzipien nicht berücksichtigen. Ein Widerstand ist beispielsweise ein Gerät, das auf eine Spannung V und einen Strom I reagiert, sodass der Widerstand R durch das Ohmsche Gesetz gegeben ist:

$$R=\frac{V}{I}$$

Bei dieser Darstellung als „diskretes Element“ ist es nicht erforderlich, die Art des Stroms (ein Leitungsstrom) oder der Spannung (ein elektrisches Potenzial) zu verstehen. Viele Anwendungen in der Elektrotechnik eignen sich gut für dieses Modell mit diskreten Elementen.

Es gibt aber auch viele Fälle, in denen elektromagnetische Effekte verstanden werden müssen, beispielsweise für die Signalintegrität und die elektromagnetische Verträglichkeit. Daher müssen im Falle des Widerstands möglicherweise folgende Fragen beantwortet werden:

• Wie kann der Widerstand so konstruiert werden, dass er bestimmte Leistungseigenschaften erfüllt?
• Wie lassen sich praktische Widerstände konstruieren, die ebenfalls Reaktanz aufweisen?
• Wie können Kondensatoren, Induktoren, Transformatoren und andere Bauteile von Schaltkreisen, die auch einen Widerstand aufweisen, gestaltet werden?

Bei niedrigen Frequenzen sind die elektromagnetischen Wellenlängen so groß, dass sie einen vernachlässigbaren Einfluss auf die zu konstruierenden Schaltkreise haben und diese Schaltkreise zu nahezu perfekten Gleichstromschaltungen werden.

Sobald die Frequenzen einige hundert Megahertz und mehr erreichen, werden elektromagnetische Wechselwirkungen jedoch zu einem wichtigen Faktor. Antennen sind beispielsweise im Grunde elektromagnetische Wellendetektoren.

Folglich bestimmen elektromagnetische Prinzipien das Design einer Vielzahl moderner Geräte, darunter Motoren, Generatoren, Antennen, Wellenleiter, Transformatoren, magnetische Datenspeicher, Magnetresonanztomographen und Leiterplatten sowie Technologien wie Radar, Glasfaser, Photonik und Fernsensoren.

Seit der Antike haben Zivilisationen versucht, Naturphänomene zu erklären, von der Anziehungskraft, die zwischen Eisenerzstücken beobachtet wurden, über die durch das Reiben von Materialien erzeugte Statik bis hin zum Blitz.

Jedoch erst im 18. und 19. Jahrhundert begannen Wissenschaftler wie Carl Friedrich Gauß, Michael Faraday und Charles-Augustin de Coulomb mathematische Ausdrücke zu formulieren, um diese Phänomene zu beschreiben.

Elektrizität und Magnetismus galten lange als getrennte Phänomene. Im April 1820 stellte der dänische Physiker Hans Christian Ørsted jedoch fest, dass ein elektrischer Strom, der durch einen Draht fließt, eine Umlenkung in einer in der Nähe befindlichen Kompassnadel hervorrief. Im selben Jahr veröffentlichte er seine Ergebnisse, die zeigen, dass ein elektrischer Strom ein kreisförmiges Magnetfeld erzeugt, wenn er durch einen Draht fließt.

Ørsteds Entdeckung regte eine intensive Untersuchung der Natur der Elektromagnetik an, was beispielsweise die Arbeit von André-Marie Ampère inspirierte. Dieser frühe Schritt hin zu einer einheitlichen elektromagnetischen Theorie wurde erweitert, als Faraday 1831 entdeckte, dass ein Magnetfeld einen elektrischen Strom induzieren kann – ein Prozess, der als elektromagnetische Induktion bekannt ist. Faraday etablierte auch das Konzept des elektromagnetischen Feldes.

Dieser Vereinigungsprozess fand seinen Höhepunkt in den 1860er Jahren mit dem schottischen Physiker James Clerk Maxwell, der seine berühmten vier partiellen Differentialgleichungen aufstellte und damit eine vollständige mathematische Beschreibung der elektromagnetischen Wellen lieferte.

Maxwell postulierte darüber hinaus die Existenz von sich selbst erhaltenden elektromagnetischen Wellen und deutete auch an, dass Licht eine solche Welle darstellt.

In der Neuzeit demonstrierte Albert Einstein mit seiner Speziellen Relativitätstheorie (1905), wie Magnetismus durch Elektrizität entsteht, wenn geladene Partikel in Bewegung sind. Mit dem späteren Aufkommen der Quantenmechanik wurden weitere Modifikationen an den Maxwell-Gleichungen vorgenommen, um der quantisierten Natur der Materie Rechnung zu tragen. So entstehen in der Quantenelektrodynamik (QED) elektromagnetische Felder aus diskreten Anregungen von Photonen, die quantisierte Lichtteilchen sind.

Die grundlegende Theorie elektrischer Schaltkreise abstrahiert das Verhalten von Geräten und Systemen so, dass Techniker*innen die zugrunde liegende elektromagnetische Theorie nicht berücksichtigen müssen. In vielen Fällen müssen Elektrotechniker*innen jedoch die Lücke zwischen der Theorie des elektrischen Schaltkreises und allgemeineren technischen Anwendungen schließen.

Dementsprechend beeinflusst das Wissen um Elektromagnetik das Design von Geräten wie Leitern, Kondensatoren, Induktoren und Halbleitern sowie von komplexeren integrierten Schaltkreisen, die den Bau von Elektrofahrzeugen, Fernerkundungsgeräten, allgemeinen Instrumenten, elektronischen Bauteilen, Stromversorgungsgeräten und mehr ermöglichen.

Leiter

Leitende Materialien sind Materialien, die den freien Fluss von Elektronen ermöglichen. Metalle wie Gold, Silber, Kupfer und Aluminium sind effektive Leiter, da sie die Entkopplung von Elektronen von Atomkernen erleichtern.

In einigen Materialien bleiben Elektronen an den Kern gebunden, benötigen aber nur eine geringe Menge an Energie, um sich zu entkoppeln. Diese Materialien werden als Halbleiter bezeichnet, und dieses Verhalten ist die physikalische Grundlage für Transistoren, wiederum die Grundlage der modernen Elektronik.

Supraleiter sind Materialien, die, wenn sie unter eine kritische Temperatur abgekühlt werden, keinen elektrischen Widerstand aufweisen und Magnetfelder abstoßen (Meißner-Ochsenfeld-Effekt). Hochtemperatur-Supraleiter, wie Yttrium-Barium-Kupferoxid(YBCO)-Verbindungen, können bei Temperaturen über -140 °C supraleitend werden, was sie für Anwendungen wie MRTs und Magnetschwebebahnen praktischer macht.

Isolatoren

Im Gegensatz dazu sind Isolatoren Materialien, die den freien Elektronenfluss hemmen. In isolierenden Materialien sind Elektronen fest an Atomkerne gebunden und lassen sich nicht so leicht entkoppeln, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird. Daher sind Isolatoren die perfekte Ummantelung für stromführende Drähte und steigern damit die Sicherheit.

Einige Isolatoren lassen sich unter der Anwendung eines elektrischen Feldes polarisieren. Bei der Anwendung des Feldes kommt es zu winzigen Verschiebungen zwischen den Ladungen und positive und negative Dipole entstehen. Diese Arten von Materialien (bekannt als Dielektrika) werden in Kondensatoren verwendet, um deren Energiespeicherkapazität zu erhöhen.

Kondensatoren

Kondensatoren sind elektronische Geräte, die elektrische Energie in einem elektrischen Feld speichern, das zwischen zwei Platten erzeugt wird. Kapazität C misst die Fähigkeit eines Kondensators, Energie zu speichern. Sie ist proportional zur elektrischen Permittivität des freien Raums. Dabei gilt für Plattenfläche A:

$$C=\frac{{\epsilon }_{0}A}{d}$$

Ein dielektrisches Material vervielfacht die Permittivität, was zu einer erhöhten Kapazität führt.

Induktoren

In ähnlicher Weise sind Induktoren elektronische Geräte, die Energie in magnetischen Feldern speichern, die in gewickelten Drähten erzeugt werden. Nach dem Ampèreschen Gesetz erzeugt ein Strom, der durch einen gewickelten Draht fließt, ein lineares magnetisches Feld. Die gespeicherte Energie ist direkt proportional zum Strom I, der umgekehrt proportional zur Induktivität L ist. Die Induktivität misst den Widerstand eines Stromkreises gegen Veränderungen. Daher können Geräte mit hoher Induktivität zur Dämpfung von Wechselstromkreisen verwendet werden.

Halbleiter

Halbleiter sind Materialien, deren elektrische Leitfähigkeit zwischen der von Leitern und Isolatoren liegt. Ihre Leitfähigkeit kann durch Einbringen von Verunreinigungen (Dotieren) oder durch Anlegen externer Felder gesteuert werden. Dieses Verhalten bildet die Grundlage für Transistoren und andere elektronische Komponenten.

Halbleitertechniker*innen können die Leitfähigkeit von Halbleitern ändern, indem sie ein elektrisches oder magnetisches Feld anlegen, die Einwirkung von Wärme oder Licht variieren oder ein dotiertes monokristallines Siliziumgitter deformieren.

Halbleiterbauelemente werden als eigenständige Bauelemente hergestellt oder in Schaltkreisen integriert, die zwei bis Hunderte Millionen von Bauelementen enthalten und über einen einzelnen Wafer miteinander verbunden sind.

Die beiden Haupttypen von Halbleiterbauelementen sind:

• Dioden: Dioden sind Bauelemente mit zwei Anschlüssen, die sich wie ein Schalter für Strom in eine Richtung verhalten. Sie lassen den Strom nur in eine Richtung fließen und sind daher in Durchlassrichtung vorgespannt. Bei umgekehrter Vorspannung verhalten sie sich wie Isolatoren. Bei Photodioden erhöht die Lichteinwirkung die Anzahl freier Elektronen und dadurch die Leitfähigkeit. Zu den Bauelementen mit zwei Anschlüssen gehören Leuchtdioden (LEDs), Gunndioden, IMPATT-Dioden, Laserdioden, Tunneldioden, Fotozellen und Solarzellen.
• Transistoren: Transistoren sind Geräte mit drei Klemmen, die elektrische Energie verstärken oder schalten. Sie bilden die Bausteine von Logikgattern und fungieren als Ein-/Aus-Schalter in digitalen Schaltkreisen. Im Gegensatz dazu reagieren sie in analogen Schaltkreisen (wie Verstärkern und Oszillatoren) auf kontinuierliche Eingaben und liefern auch kontinuierliche Ausgaben. In integrierten Schaltkreisen (Hochstrom- und Hochspannungsanwendungen) regeln sie die Stromverteilung. Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) sind mit Abstand die am weitesten verbreitete Art von Transistoren überhaupt. Sie beruhen auf der Anwendung eines elektrischen Feldes, um die Leitfähigkeit zu erhöhen. Andere Transistortypen sind bipolare Sperrschichttransistoren (BJTs), Sperrschicht-Feldeffekttransistoren (JFETs) und Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBTs).

Drahtlose Energieübertragung

Die drahtlose Energieübertragung (WPT) geht auf das späte 19. Jahrhundert zurück, als Nikola Tesla zeigte, dass elektrische Energie durch die Luft übertragen werden kann, indem ein magnetisches Feld zwischen zwei Spulen erzeugt wird – die jeweils als „Sender“ und „Empfänger“ bezeichnet werden – ein Phänomen, das als magnetische Resonanzkopplung bezeichnet wird.

Wenn der Sender an eine Stromquelle angeschlossen ist, erzeugt er ein magnetisches Feld, das wiederum einen elektrischen Strom im Empfänger erzeugt.

WPT ermöglicht das drahtlose Laden von persönlichen, tragbaren und industriellen Geräten, wodurch Kabel überflüssig werden sowie die Akkulaufzeit verlängert, der Komfort erhöht und die Sicherheit verbessert wird. Die drei gängigen Arten des drahtlosen Ladens sind:

• Induktives Laden: Nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion wird das zu ladende Gerät in der Nähe der Ladestation platziert, ohne dass eine genaue Ausrichtung erforderlich ist.
• Resonante induktive Kopplung: Die Sende- und Empfangsspulen sind fortschrittlicher als das induktive Laden, und so abgestimmt, dass sie auf der gleichen Frequenz schwingen, wodurch die Effizienz der Energieübertragung verbessert wird.
• Aufladen über Funk (RF): Beim Laden über Funk sind die Geräte mit Empfangsantennen ausgestattet, die auf den Empfang von Hochfrequenz-Funkwellen abgestimmt sind, die Energie übertragen. Diese Technologie ist zwar noch experimentell, ermöglicht aber die Übertragung von Energie über größere Entfernungen.

Derzeit stellt die Unterhaltungselektronik den größten Markt für die Einführung von Mobilfunktechnologie dar, was auf die zunehmende Verbreitung von Smartphones, Tablets und tragbaren Geräten zurückzuführen ist. Unterhaltungselektronik sind in der Regel Geräte mit geringer Leistung (<100 W). Induktives Laden ist daher die Technologie der Wahl.

Das drahtlose Aufladen eines Smartphones funktioniert üblicherweise so:

• Eine Sendespule in einer Ladestation, die ihrerseits an eine Wechselstromquelle angeschlossen ist, überträgt ein Signal.
• Sobald dieses Signal eine Empfängerspule, die an einem kompatiblen Smartphone angebracht ist, erkennt, wird im Sender ein Elektronenfluss ausgelöst, der einen zeitlich veränderlichen elektrischen Strom erzeugt.
• Dieser zeitlich veränderliche Strom erzeugt ein zeitlich veränderliches Magnetfeld, das Elektronen in der Empfängerspule zum Fließen bringt, wobei ein induzierter Wechselstrom entsteht.
• Im Smartphone wandelt ein Gleichrichter den Wechselstrom in einen Gleichstrom um, der im Akku gespeichert wird.

Die Energieübertragung wird also durch ein zeitlich veränderliches elektromagnetisches Feld zwischen einer Sende- und einer Empfangsspule ermöglicht. Induktive Aufladung erfolgt normalerweise bei Frequenzen im Bereich von 110–205 KHz.

Da die Technologie immer weiter voranschreitet, sind Untersuchung und Anwendung der Elektromagnetik nach wie vor entscheidend. Von der Entwicklung des Quantencomputers bis hin zum Design drahtloser Netzwerke der nächsten Generation – elektromagnetische Prinzipien prägen unsere technologische Landschaft weiterhin. Das Verständnis dieser Prinzipien ist für Techniker*innen und Wissenschaftler*innen, die an der Spitze der Innovation in Bereichen wie Telekommunikation, Energiesysteme und Medizintechnik arbeiten, unerlässlich.

Ansys SimAI ist eine hochmoderne Software für Multiphysiksimulation, die diese Fortschritte für das Training und die Vorhersage elektromagnetischer Felder nutzt. Zusammen mit der Ansys Maxwell-Software und der Ansys HFSS-Software transformiert sie das Design und Analyse elektromagnetischer Komponenten, indem sie die Vorhersagezeiten vor Ort um ein Zehn- bis Hundertfaches reduziert.

Weitere Informationen zur SimAI-Software finden Sie in der Präsentation „SimAI for Electromagnetics: Accelerating Electronics Components Design”.

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