Ein Elektromagnet besteht aus einer Spule, in der sich bei Stromdurchfluss ein magnetisches Feld bildet.
In der Spule befindet sich meist ein offener Eisenkern, der das Magnetfeld führt und verstärkt. Die Erfindung des Elektromagneten gelang dem Engländer William Sturgeon im Jahre 1826. Erstmals nachgewiesen wurde die elektromagnetische Wirkung 1820 von dem dänischen Physiker Hans
Die Richtung der magnetischen Feldlinien einer einzelnen Windung der Spule lässt sich mit der Korkenzieherregel, auch Rechte-Hand-Regel, bestimmen: Wird der Leiter so von der Hand umfasst gedacht, dass der abgespreizte Daumen in die Richtung vom Plus- zum Minuspol (technische Stromrichtung) zeigt, dann zeigen die Finger die Richtung der Feldlinien des Magnetfeldes an. Die Felder der einzelnen Windungen summieren sich zu einem den Wicklungsquerschnitt umlaufenden Gesamtfeld. Die Feldlinien verlaufen ebenso wie bei einer einzelnen Windung (alle Stromrichtungen der Windungen sind gleichsinnig!) und verlassen den Eisenkern – dort bildet sich der magnetische Nordpol. Alle Feldlinien treten am magnetischen Südpol wieder in den Eisenkern ein.
Die Magnetfeldlinien konzentrieren sich im Inneren der Spule. Die magnetische Flussdichte ist im Zentrum der Spule am höchsten. Außerhalb der Spule ist die magnetische Flussdichte geringer, sie nimmt mit der Entfernung schnell ab, so dass Elektromagnete nur in geringen Entfernungen eine große Wirkung haben.
Soll Arbeit verrichtet werden, muss der Magnetfeldkreis ferromagnetisch und inhomogen sein, das heißt, eine Unterbrechung im Eisenkern enthalten, welche durch die Arbeit verkleinert werden soll.
Die Lenzsche Regel besagt sinngemäß, dass eine Kraft oder Bewegung so gerichtet ist, dass sie ihrer Ursache – in diesem Fall dem Stromfluss – entgegenwirkt. Folglich ist ein Magnetkreis um eine stromdurchflossene Spule bestrebt, seinen magnetischen Widerstand zu verringern und auch Luftspalte zu schließen: Dadurch erhöht sich die Induktivität, und in der Spule wird eine Spannung induziert, die die gleiche Polarität wie die Speisespannung hat – der Strom verringert sich während des Zueinander-Bewegens der Eisenteile des Magnetkreises.
Eisenteile des Magnetkreises bestehen aus einem Joch (feststehender Teil) und beweglichen Teilen wie Zuganker, Klappanker oder zu transportierenden Eisenteilen (Magnetkran).
Im Impulsbetrieb können dank der Wärmekapazität des Spulenwerkstoffes kurzzeitig hohe Flussdichten erreicht werden ohne dass die Wärmeleistung sofort weggekühlt werden muss (Integral der Stromwärme über die Zeit). Zur mechanischen Stabilität müssen solche Spulen mechanisch stabilisiert werden. Dazu dienen u. a. Faserverbundwerkstoffe, Spulendrähte aus hochfesten Werkstoffen wie kupferplattiertem Stahl oder Berylliumbronze sowie äußere Bandagen aus Stahlband.[3] Die Strompulse werden durch Kondensatoren bereitgestellt. Die Pulsdauern ergeben sich aus der Wärmekapazität und der Festigkeit und betragen einige Millisekunden. Siehe auch Gaussgewehr.
Solche, mit flüssigen Stickstoff heruntergekühlte, wiederverwendbare Pulsmagnetspulen sind für Hochfelduntersuchungen bis etwa 100 Tesla realisierbar und werden unter anderem am Institut Hochfeld-Magnetlabor Dresden entwickelt und erprobt.
Pulsmagnetspulen werden unter anderem auch zur Magnetumformung genutzt. Hier sind die Felder jedoch gedämpfte Schwingungen mit Frequenzen im zweistelligen kHz-Bereich, die Pulsdauern betragen weniger als 100 µs.
