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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ausrichtung nichtmagnetischer elektrisch leitfähiger Fasern. Bei diesen Fasern kann es sich insbesondere um Verstärkungsfasern für faserverstärkte Kunststoffe handeln. Ganz insbesondere handelt es sich um Kohlenstoffkurzfasern, die beim Recycling von faserverstärkten Kunststoffen anfallen. Grundsätzlich ist die Erfindung jedoch zur Ausrichtung jedweder nichtmagnetischer elektrisch leitfähiger Fasern anwendbar.
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STAND DER TECHNIK
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Faserverstärkte Kunststoffe sind innovative Materialien, die aus den beiden Komponenten Verstärkungsfasern und Kunststoffmatrix bestehen. Immer mehr Bauteile, insbesondere in hochtechnologischen Industriezweigen wie der Luft- und Raumfahrt und dem Automobilbau werden nicht länger aus Metallen, sondern aus solchen faserverstärkten Kunststoffen, insbesondere kohlenstofffaserverstärkten Duro- oder Thermoplasten hergestellt.
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Eines der größten Probleme von Faserverbundwerkstoffen, beispielsweise auf der Basis von Kohlenstofffasern, ist deren Wiederverwertbarkeit. Nach Ende der Lebensdauer eines Faserverbundbauteils, das meist in Folge einer irreparablen Beschädigung auftritt, sind die beiden Bestandteile des Faserverbundbauteils, d. h. die Verstärkungsfasern und die Kunststoffmatrix jeweils noch intakt. Durch ihre stabile Bindung aneinander erscheint es jedoch derzeit unmöglich, beide Komponenten zerstörungsfrei voneinander zu trennen. Ein Weg, zumindest die Verstärkungsfasern wiederzugewinnen, ist die thermische Zerstörung der Matrix und eine anschließende mechanische Zerstörung der langen Verstärkungsfasern zu Kurzfasern. Die derart wiedergewonnenen Kurzfasern liegen anschließend jedoch in einer nicht ausgerichteten Form vor und können in dieser Form für Hochleistungsverbundbauteile nicht ohne weiteres eingesetzt werden.
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Die vorliegende Erfindung befasst sich daher insbesondere mit der Ausrichtung von recycelten Kohlenstoffkurzfasern in eine Vorzugsrichtung, so dass diese Fasern z. B. zur Herstellung von kurzfaserverstärkten Hochleistungslaminaten eingesetzt werden können.
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Zur Ausrichtung von Kurzfasern ist das sogenannte Vakuum-Trommel-Filter(VTF)-Ausrichtverfahren bekannt. Das VTF-Ausrichtverfahren beruht auf hydrodynamischen Prinzipien. Eine Faser-Flüssigkeitsaufschlämmung, für die Glycerin als Flüssigkeit eingesetzt wird und die mit einem mechanischen Rührer in einem Vorratsbehälter aufbereitet wird, läuft über eine schräg gestellte Rinne auf eine rotierende Vakuum-Trommel. Die Rinne ist ebenso breit wie die Vakuum-Trommel und sie ist in der Neigung und dem Übergang zur Trommel so ausgelegt, dass die Faser-Flüssigkeitsaufschlämmung gleichmäßig über die gesamte Trommelbreite fließt. Durch den Unterdruck in der Trommel wird die Flüssigkeit abgesaugt und die Fasern werden auf der Trommeloberfläche gehalten, die mit einem Vliestuch bedeckt ist. Danach wird das Filtertuch einschließlich der darauf befindlichen Fasern abgenommen und das noch im Vlies befindliche Glycerin bis auf einen Restanteil von ≤ 5 % mit Wasser herausgewaschen. Bei dem VTF-Ausrichtverfahren erfolgt die erste Orientierung der Faser über den Strömungsvorgang in der Rinne. Der wesentliche und ausschlaggebende Ausrichteffekt wird jedoch im Übergang von der Rinne zur Vakuumtrommel durch Beschleunigung der Suspension erzielt. An der Trommeloberfläche bilden sich Vliese aus Kurzfasern, die weitgehend in der Drehrichtung der Trommel orientiert sind.
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Aus der
DE 31 31 658 A1 ist eine Abwandlung des VTF-Ausrichtverfahrens bekannt, bei der statt einer Vakuumtrommel direkt ein als Formfilter ausgebildeter Filtrationsträger mit der Negativform eines zu fertigenden Gegenstands verwendet wird, der während des Ablegevorgangs um eine Rotationsachse gedreht wird.
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Während durch das VTF-Ausrichtverfahren und das Verfahren und die Vorrichtung, die aus der
DE 31 31 658 A1 bekannt sind, ausgerichtete Kurzfasern erhalten werden können, sind diese ungünstiger Weise mit Glycerinrückständen verunreinigt, die eine gute Haftung zwischen den Fasern und einer Kunststoffmatrix, die durch diese Fasern verstärkt werden soll, beeinträchtigen. Diese Rückstände können nur durch aufwändige weitere Verfahrensschritte, wie eine Plasmabehandlung der Kohlenstoffkurzfasern, soweit entfernt werden, dass diese Probleme vermeidbar sind.
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Aus der
US 5,873,973 A ist ein Verfahren zur Querverstärkung von Faserverbundprepreg-Material durch quer zur Hauptrichtung der Fasern des Prepreg-Materials ausgerichtete Verstärkungsfasern bekannt. Diese zusätzlichen Verstärkungsfasern werden durch ein starkes äußeres elektrisches Feld, das senkrecht zu der Hauptebene des Prepreg-Materials verläuft, ausgerichtet. Dieses elektrische Feld induziert elektrische Verteilungen in den einzelnen Fasern, deren elektrisches Dipolmoment dann mit dem elektrischen Feld wechselwirkt.
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Aus der
DE 10 2007 042 217 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von porösen Keramiken aus Keramikbasismaterial und verbrennbaren Fasern bekannt, wobei die Fasern elektrisch und/oder magnetisch polarisierbar oder polarisiert sind. Die Fasern werden vor dem Sintern der Zusammensetzung bei einer Temperatur, bei der sich das Keramikbasismaterial verfestigt und die Fasern verbrennen, in dem Keramikbasismaterial durch Anlegen eines äußeren elektrischen und/oder magnetischen Felds ausgerichtet.
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Aus der
JP 05-237 841 A ist ein Recyclingverfahren für in Verbundwerkstoffen befindliche Kohlenstofffasern durch Aufheizen des Matrixharzes mit elektrischen Heizelementen und mit durch hochfrequente Wechselspannungen in den Kohlenstofffasern induzierte Ströme bekannt. Diese Ströme werden in Wärme umgesetzt, mit der das Matrixharz aufgeschmolzen wird.
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Aus der
EP 1 892 078 A1 ist es bekannt, mit einem Induktor ein magnetisches Wechselfeld zu erzeugen, das elektrische Ströme durch Kohlenstofffasern induziert. Diese Ströme führen zu einer Erwärmung der Kohlenstofffasern und eines wärmeaktivierbaren Bindemittels, mit dem die Kohlenstofffasern benetzt sind. Auf diese Weise werden Lagen aus den Kohlenstofffasern mit dem Bindemittel aneinander fixiert, bevor sie anschließend mit einem Matrixharz getränkt werden, um ein Faserverbundbauteil herzustellen.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ausrichtung nichtmagnetischer elektrisch leitfähiger Fasern, wie insbesondere Kohlenstoffkurzfasern, aufzuzeigen, mit denen die Fasern ausgerichtet werden können, ohne dass hieraus Verunreinigungen der Fasern resultieren.
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LÖSUNG
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe der Erfindung durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 10 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des neuen Verfahrens und der neuen Vorrichtung sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bei dem neuen Verfahren zur Ausrichtung nichtmagnetischer elektrisch leitfähiger Fasern wird durch jede der auszurichtenden Fasern ein Strom hervorgerufen, indem an die Faser eine Potentialdifferenz angelegt wird, während die auszurichtende Faser dem magnetischen Feld eines parallel zu der gewünschten Ausrichtung linienförmig fließenden externen Stroms ausgesetzt wird. Zwischen der stromdurchflossenen Faser und dem linienförmig fließenden externen Strom kommt es aufgrund der miteinander wechselwirkenden, von den fließenden Strömen hervorgerufenen Magnetfelder zu Anziehungskräften, die die Faser parallel zu dem linienförmig fließenden Strom ausrichten und ihr damit die gewünschte Ausrichtung verleihen. Der zugrundeliegende Effekt ist derselbe wie die Anziehungskraft zwischen zwei in gleicher Richtung von Strom durchflossenen Leitern und geht auf wechselseitige Lorentz-Kräfte zurück, die auf die Ladungsträger des jeweils einen Stroms wirken, da sie sich in dem Magnetfeld bewegen, das durch den jeweils anderen Strom hervorgerufen wird. Insbesondere wirkt auf eine auszurichtende Faser, die noch nicht parallel zu dem linienförmig fließenden externen Strom ausgerichtet ist, am ihre Fehlausrichtung beseitigendes Drehmoment. Dieses Drehmoment wirkt dabei unmittelbar auf die Faser und nicht durch ein Kraftübertragungsmedium, wie beispielsweise eine Flüssigkeit, in der die Faser suspendiert ist. Die Faser kann vielmehr ohne jedwede Hilfsstoffe erfindungsgemäß ausgerichtet werden.
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Bei dem neuen Verfahren kann die Potentialdifferenz durch Kontaktieren der Faser mit einem Gitter aus an einer Platinenoberfläche parallel zueinander und senkrecht zu der gewünschten Ausrichtung angeordneten langgestreckten Elektroden angelegt werden, wobei zwischen diesen Elektroden gleichsinnige Potentialstufen vorliegen. Die auf die Platinenoberfläche aufgebrachten Fasern kontaktieren die Elektroden, die auch gegenüber dem Rest der Platinenoberfläche leicht erhöht sein können, selbsttätig und werden aufgrund der Potentialstufen zwischen den Elektroden von einem Strom durchflossen. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Fasern vereinzelt auf die Platinenoberfläche aufgebracht werden. Dies ist jedoch nicht zwingend, auch wenn mehrere, sich wechselseitig kontaktierende Fasern auf der Platinenoberfläche liegen, tritt der beabsichtige Ausrichtungseffekt aufgrund des neuen Verfahrens auf.
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Die Elektroden des Gitters an der Platinenoberfläche können von unterhalb der Platinenoberfläche mit einer Spannungsquelle kontaktiert werden. In jedem Fall ist darauf zu achten, dass die von der Spannungsquelle zu den Elektroden fließenden bzw. von dort wieder abfließenden Ströme das Magnetfeld des linienförmig fließenden externen Stroms nicht signifikant stören.
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Bei dem neuen Verfahren können die Fasern zugleich längs der Haupterstreckungsrichtung der Elektroden über die Platinenoberfläche bewegt werden, so dass ihre Ausrichtung während einer Bewegung über die Platinenoberfläche erfolgt.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn die Bewegung der Fasern über die Platinenoberfläche durch eine Wechselwirkung mit einem senkrecht zu der Platinenoberfläche ausgerichteten magnetischen Feld bewirkt wird, Dieses magnetische Feld kann in an sich bekannter Weise mit stromdurchflossenen Helmholtz-Spulen hervorgerufen werden.
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Der linienförmig fließende externe Strom kann, aber muss nicht, durch einen einzigen Leiter fließen. Vielmehr ist es bevorzugt, wenn der externe Strom durch ein Gitter von parallel zueinander unterhalb der Platinenoberfläche verlaufenden externen Leitern geführt wird. Wenn dabei gleichzeitig die Bewegung der Fasern über die Platinenoberfläche durch ein senkrecht zu der Platinenoberfläche ausgerichtetes magnetisches Feld bewirkt wird, überlagert sich dieses mit dem magnetischen Feld, das durch den linienförmig fließenden externen Strom hervorgerufen wird, so dass von der Anziehungskraft der Fasern zu dem längs einer Linie fließenden externen Strom nur noch das die gewünschte Ausrichtung bewirkende Drehmoment verbleibt und die Fasern nicht etwa oberhalb des jeweiligen stromdurchflossenen Leiters festgehalten werden.
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Besonders günstig erweist sich das neue Verfahren bei der Anwendung auf relativ kurze Fasern, wie beispielsweise recycelte Kohlenstofffasern oder andere Kohlenstoffkurzfasern. Diese weisen eine typische Länge von 1 mm bis 50 mm, d. h. von wenigen Millimetern bis wenigen 10 Millimetern, beispielsweise von 2 mm bis 20 mm auf.
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Bei der neuen Vorrichtung zur Ausrichtung nichtmagnetischer elektrisch leitfähiger Fasern sind mindestens zwei in eine Spannungsquelle angeschlossene Elektroden vorgesehen, um durch jede auszurichtende Faser einen Strom hervorzurufen, wobei mindestens ein an eine Stromquelle angeschlossener linienförmiger elektrischer Leiter parallel zu der gewünschten Ausrichtung der Fasern verläuft, um die stromdurchflossenen Fasern einem magnetischen Feld um den stromdurchflossenen Leiter auszusetzen. Die Funktion der neuen Vorrichtung wurde bereits durch die Beschreibung des neuen Verfahrens erläutert. Dasselbe gilt für die bevorzugten Ausführungsformen der neuen Vorrichtung, die in den Unteransprüchen definiert sind.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert und beschrieben.
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1 zeigt eine Ansicht auf die neue Vorrichtung von oben.
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2 zeigt eine Anordnung von Kohlenstoffkurzfasern auf einer Platinenoberfläche der Vorrichtung gemäß 1.
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3 skizziert die Ausrichtung der Kohlenstoffkurzfasern auf der Platinenoberfläche der Vorrichtung gemäß 1 durch Wechselwirkung zwischen fließenden Strömen; und
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4 skizziert die auf die Kunststoffkurzfasern auf der Platinenoberfläche der Vorrichtung gemäß 1 wirkende Lorentz-Kraft, die die Kohlenstofffasern über die Platinenoberfläche hinwegbewegt.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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Die in 1 skizzierte Vorrichtung 1 weist an einer Platinenoberfläche 2, von der hier ein exemplarischer Ausschnitt gezeigt ist, ein Gitter 3 aus langgestreckten und parallel zueinander verlaufenden Elektroden 4 auf. Die Elektroden 4 können über den Rest der Platinenoberfläche 2 leicht überstehen. Der Abstand und die Breite der Elektroden 4 sind auf eine Länge von Kohlenstoffkurzfasern abzustimmen, die mit Hilfe der Vorrichtung 1 ausgerichtet werden sollen. Die Ausrichtung mit der Vorrichtung 1 erfolgt parallel zu Leitern 5, die parallel zueinander unterhalb der Platinenoberfläche 2 verlaufen und so ein weiteres Gitter 6 ausbilden. Die Leiter 5 sind an eine hier nicht dargestellte Stromquelle angeschlossen und werden von einem Strom/durchflossen, dessen Richtung durch einen Pfeil 7 angegeben ist. Die Elektroden 4 sind von unterhalb der Platinenoberfläche 2 an eine Spannungsquelle angeschlossen, was näher im Zusammenhang mit 2 erläutert werden wird. Mit einem in 1 nicht dargestellten Paar von Helmholtz-Spulen, die oberhalb und unterhalb der Platinenoberfläche 2 angeordnet sind, wird ein homogenes Magnetfeld B hervorgerufen, dessen Feldlinien von oben nach unten senkrecht durch die Platinenoberfläche 2 verlaufen, was in 1 durch Richtungssymbole 8 angedeutet ist. Auf die Funktion des Magnetfelds B wird näher im Zusammenhang mit 4 eingegangen werden.
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In 2 sind gegenüber 1 die Wiedergaben der Leiter 5 und des Magnetfelds B der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Gezeigt sind hier jedoch Kohlenstoffkurzfasern 9, die auf der Platinenoberfläche 2 liegen und dort von den Elektroden 4 kontaktiert werden. Die Elektroden 4 sind dabei so an eine Spannungsquelle angeschlossen, dass das elektrische Potential in 2 von links nach rechts von Elektrode zu Elektrode 4 abfällt. Entsprechend wird durch jede Kohlenstoffkurzfaser 9, die mit mindestens zwei benachbarten Elektroden 4 in Kontakt steht, ein Strom i hervorgerufen, dessen Richtung durch Pfeile 10 wiedergegeben ist. Aufgrund dieses Stroms i durch die Kohlenstoffkurzfaser 9 wirken auf die Kohlenstoffkurzfaser 9 Kräfte, die zum einen durch die von dem Strom 1 durchflossenen Leiter 5 und zum anderen durch das Magnetfeld B hervorgerufen werden. Auch die Kräfte aufgrund der stromdurchflossenen Leiter 5 gemäß 1 beruhen auf dem sich hierherum ausbildenden Magnetfeld, so dass in der Praxis zwei einander überlagerte Magnetfelder mit den stromdurchflossenen Kohlenstoffkurzfasern 9 wechselwirken.
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3 skizziert die Wechselwirkung zwischen den stromdurchflossenen Kohlenstoffkurzfasern 9 und den stromdurchflossenen Leitern 5 unterhalb der Platinenoberfläche 2. Zwischen den Kohlenstoffkurzfasern 9 und den Leitern 5 besteht unter diesen Bedingungen eine Anziehungskraft, die in die Kohlenstoffkurzfasern 9 ausrichtende Drehmomente 11 parallel zu der Platinenoberfläche 2 resultieren. Diese Drehmomente 11 verschwinden nur dann, wenn die Ströme I und i parallel zueinander verlaufen, d. h., wenn die Kohlenstoffkurzfasern 9 wunschgemäß in der Verlaufsrichtung der Leiter 5 ausgerichtet sind.
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4 skizziert, wie gleichzeitig mit der Ausrichtung der Kohlenstoffkurzfasern 9 gemäß 3 die Kohlenstoffkurzfasern 9 durch das Magnetfeld B mit den senkrecht von oben nach unten durch die Platinenoberfläche 2 verlaufenden Feldlinien in einer in 4 von unten nach oben verlaufenden Richtung über die Platinenoberfläche 2 bewegt werden. Dies ist eine Auswirkung der Lorentz-Kraft F auf die von dem Strom i durchflossenen Kohlenstoffkurzfasern 9 in dem Magnetfeld B. Bei noch nicht ausgerichteten Kohlenstoffkurzfasern 9 verläuft die Kraft F in 4 nicht genau von unten nach oben. Mit zunehmender Ausrichtung der Kohlenstoffkurzfaser 9 orientiert sich die Lorentz-Kraft F aber immer stärker in dieser gewünschten Bewegungsrichtung der Kohlenstoffkurzfasern 9 über die Platinenoberfläche 2.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Platinenoberfläche
- 3
- Gitter
- 4
- Elektrode
- 5
- Leiter
- 6
- Gitter
- 7
- Pfeil
- 8
- Richtungssymbol
- 9
- Kohlenstoffkurzfaser
- 10
- Pfeil
- 11
- Drehmoment
- I
- Strom
- i
- Strom
- B
- Magnetfeld
