Elektromagnetismus
Magnetismus, Induktion, Generatoren, Motoren, Lautsprecher – Elektromagnetismus ist überall in unserem Alltag zu finden. Doch wie hängen Magnetismus und Elektromagnetismus zusammen, und was haben Felder damit zu tun?
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Von Oersted zum Feldbegriff
Nachdem jahrhundertelang nur Dauermagneten bekannt waren, wurde die magnetische Wirkung des elektrischen Stroms durch Zufall entdeckt. Und das gleich zweimal. Während der dänische Physiker Hans Christian Oersted erst 1820 die Ablenkung einer Kompassnadel durch einen stromdurchflossenen Draht bemerkte, hatte der italienische Physiker und Rechtsgelehrte Gian Domenico Romagnosi das Phänomen schon 1802 entdeckt und lokal veröffentlicht, was jedoch kaum Beachtung fand.
Oersteds Versuch
Verschiebe den Kompass entlang des Leiters und beobachte, wie sich die Nadel verhält!
Heute wissen wir, dass es eine grundlegende Eigenschaft von bewegten elektrischen Ladungen ist, die Oersted hier bemerkt hat: Bewegte elektrische Ladungen verursachen ein Magnetfeld. Strom und Magnetismus sind zwei Aspekte der gleichen Grundkraft, der elektromagnetischen Kraft.
Ein einzelner, stromdurchflossener Draht hat allerdings keine besonders starke magnetische Wirkung. Um die magnetische Wirkung zu erhöhen, wickelt man die Drähte zu Schlaufen, das heißt zu Spulen:
So lässt sich mit Hilfe eines Kompasses auch ganz einfach ein Messgerät für elektrischen Strom bauen – ein Galvanometer:
Was ist ein „Feld“ im physikalischen Sinn?
Magnete oder Elektromagnete beeinflussen ihre Umgebung auch ohne sie zu berühren. Dieser Einflussbereich wird magnetisches Feld genannt und erstreckt sich unendlich weit, wird aber mit dem Quadrat der Entfernung schwächer. Dieses Feld beeinflusst ferro-, dia- und paramagnetische Materialien – selbst wenn sie den Magneten nicht berühren.
Die Abbildung zeigt die Magnetfeldlinien des Erdmagnetfeldes unter dem Einfluss der Sonne. Das „Feld“ ist hier eine Modellvorstellung, mit dem man diese Kräfte im Raum beschreiben kann.
Beim magnetischen Feld ordnet man jedem Punkt im Raum einen Vektor zu. Dieser Vektor gibt an, wie das Feld wirkt:
- In welche Richtung eine Kompassnadel an diesem Ort schauen würde.
- Welche Stärke die magnetischen Kraft an diesem Ort hat.
Magnetische Felder sind ein Spezialfall von elektromagnetischen Feldern, die auch Licht und andere elektromagnetische Wellen umfassen.
Vektorfeld = mathematische Grundinformation, Feldlinien = abgeleitete Visualisierung
Feldlinien sind eine grafische Darstellung des Feldes, die uns helfen, das Verhalten im Raum sichtbar zu machen. Feldlinien sind eigentlich immer geschlossene Kreise (auch wenn sie nicht immer so gezeichnet werden).
Feldvektoren sind die mathematisch exakte Beschreibung des Feldes: An jedem Punkt im Raum steht ein Vektor mit Richtung und Betrag (Länge).
Wo die Feldlinien enger zusammenliegen, ist das Feld stärker – dort sind auch die Feldvektoren länger.
Die Richtung des Magnetfeldes
Die Richtung des Magnetfeldes hängt von der Stromrichtung ab. Wenn die Stromrichtung umgedreht wird, ändert sich auch die Richtung des Magnetfeldes.
Vektoren haben immer auch eine Richtung. Die Richtung des Magnetfeldes hängt dabei von der Stromrichtung in der Spule ab. Wenn die Stromrichtung umgedreht wird, ändert sich auch die Richtung des Magnetfeldes.
Zur Bestimmung der Richtung gibt es einen Trick:
Die Magnetfeldlinien eines linearen Leiters haben die Form von Kreisen, die in einem Winkel von 90 Grad zu dem Leiter verlaufen (mit dem leitenden Draht im Mittelpunkt). Stell dir diesen Kreis mit einem Pfeil vor. Die Richtung des Pfeiles zeigt die Rechte-Hand-Regel:
Wenn der Leiter wie in der Abbildung in der rechten Hand gehalten wird, sodass der Daumen von Plus nach Minus zeigt, zeigen die anderen vier Finger die Richtung des Magnetfeldes. Konsequent weitergedacht, ergibt sich daraus auch die Richtung des Magnetfeldes einer Spule:
Die Stärke des Magnetfeldes
Die Stärke des magnetischen Feldes wird größer, wenn
- die Spule mehr Windungen bekommt.
- die Stromstärke erhöht wird.
Ladungen in Bewegung
Strom und Magnetismus sind zwei Aspekte der gleichen Grundkraft: der elektromagnetischen Kraft. Wir wissen, dass bewegte elektrische Ladungen ein Magnetfeld verursachen.
Mit Hilfe des Elektronengasmodells kann gut veranschaulicht werden, dass es sich bei diesen bewegten Ladungen im Falle des Elektromagneten um Elektronen handelt:
Wenn man das Verhalten von Eisenspänen im magnetischen Feld eines Elektromagneten (einer stromdurchflossenen Drahtspule) mit dem eines Dauermagneten vergleicht, erkennt man auf den ersten Blick eine große Ähnlichkeit:
Ist also vielleicht auch in Dauermagneten eine bewegte Ladung für den Magnetismus verantwortlich? Und falls ja, welche wäre das?
Tatsächlich bewegen sich in den Atomen, aus denen ja auch Magnete aufgebaut sind, ganz unterschiedliche Teilchen auf unterschiedliche Art. Viele dieser Teilchen tragen eine Ladung, was natürlich zu magnetischen Momenten führt. Der Dauermagnetismus wird hauptsächlich durch die ständige Bewegung und den Spin der Elektronen in den Atomen verursacht. In den meisten Materialien heben sich die entstehenden magnetischen Felder gegenseitig auf.
In ferromagnetischen Materialien passiert diese Aufhebung auch, aber nicht vollständig. Es bleiben in jedem Atom ein paar wenige Elektronen über, deren Spin-Magnetismus sich nicht gegenseitig aufhebt. Dadurch wirkt jedes Eisenatom, jedes Nickelatom und jedes Cobaltatom wie ein kleiner Magnet.
Durch spezielle Kristallstrukturen wird, beispielsweise in Neodym-Eisen-Bor Magneten, dieser Effekt noch gezielt verstärkt.
Elektromagnetische Induktion
Die Grundlagen für die ersten technischen Anwendungen von Oersteds Versuchen legte der englische Naturforscher Michael Faraday. Er fand Oersteds Versuche faszinierend und wollte sehen, ob der Effekt auch andersherum funktioniert.
Zur gleichen Zeit und ohne voneinander zu wissen, forschte auch Joseph Henry in den USA am gleichen Effekt.
Durch ihre Experimente fanden sie schließlich heraus, dass in einer Drahtspule elektrische Spannung entsteht, wenn ein zylindrischer Stabmagnet durch sie bewegt wird. Man sagt, die Spannung wird durch den Magnet induziert.
Heute wissen wir, dass dafür die Spule gar nicht nötig ist. Ein elektrisches Feld wird immer induziert, wenn sich ein Magnetfeld mit der Zeit ändert – aber mit der Spule können wird das auch bemerken und messen.
Umgekehrt gilt auch, dass ein magnetisches Feld induziert wird, wenn sich ein elektrisches Feld mit der Zeit ändert.
In beiden Fällen ist die Stärke des induzierten Feldes davon abhängig, wie schnell sich das ursprüngliche Feld ändert. Das induzierte Feld ist immer senkrecht zum ursprünglichen Feld.
Anwendung von Induktion im Alltag
Prinzip der Wirbelstrombremse beim Fahrradergometer:
- Ein Magnet wird nahe an eine drehende Metallscheibe oder Felge (aus leitfähigem Material wie Aluminium) gebracht.
- Durch die Bewegung des Metalls im Magnetfeld entstehen im Metall Wirbelströme – das sind kreisende elektrische Ströme.
- Diese Wirbelströme erzeugen ein eigenes Magnetfeld, das dem ursprünglichen Magnetfeld entgegengesetzt ist.
- Dadurch entsteht eine bremsende Kraft, die die Bewegung der Felge abbremst – ohne mechanischen Kontakt.
Wird beispielsweise bei Zahnbürsten oder Smartphones genutzt. Die Ladestation erzeugt ein sich ständig änderndes Magnetfeld. Im Gerät befindet sich eine Spule.
Wenn das Gerät an der Ladestation liegt, befindet sich die Spule in diesem ständig ändernden Feld. Dadurch wird eine Wechselspannung induziert.
Diese wird im Gerät gleichgerichtet und kann den Akku laden. Allerdings ist der Wirkungsgrad viel geringer als mit einem Ladekabel (nur ca.
Bei E-Gitarren oder E-Bassgitarren wird der Ton nicht durch den Resonanzkörper wie bei einer akustischen Gitarre verstärkt, sondern durch sogenannte Tonabnehmer. Diese bestehen meist aus Spulen und Magneten.
Wenn eine Saite aus ferromagnetischem Metall über dem Tonabnehmer liegt, wird sie teilweise magnetisiert. Schwingt die magnetisierte Saite beim Spielen, verändert sich das Magnetfeld. In der Spule wird dadurch eine niederfrequente Wechselspannung induziert, die über ein Kabel zum Verstärker geleitet wird.
Unipolarmotor
Beim Versuch Unipolarmotor kann man die magnetische Wirkung des elektrischen Stroms nutzen, um eine Drehbewegung zu erzeugen: Die stromdurchflossene Schraube dreht sich im Magnetfeld des Permanentmagneten.
Das Prinzip kann man auch umkehren. Diese Konstruktion wurde in Form des Unipolargenerators zur Erzeugung von Gleichspannung benutzt.
Unipolarmotor
Wechselstrom in Spulen
Wozu braucht man das?
Elektromotoren, Lautsprecher, Transformatoren... Wechselstrom in Spulen umgibt uns fast überall im Alltag und auch die Energiewende wäre ohne nicht möglich.
Bis jetzt haben wir nur die magnetische Wirkung von Gleichstrom in Spulen und Drähten betrachtet.
Was denkst du passiert, wenn Wechselstrom verwendet wird?
Wie bei Gleichstrom erzeugt auch Wechselstrom ein Magnetfeld um und in der Spule. Da sich beim Wechselstrom die Stromrichtung ständig ändert, kommt es auch zu ständiger Magnetfeldänderung – es schwingt mit der Frequenz des Stroms – genau das kannst du in deinen Kopfhörern auch hören.
Baue deinen eigenen Lautsprecher!
Beim Transformator werden ein Weicheisenkern und Spulen miteinander kombiniert. Dadurch wird das wechselnde Magnetfeld verstärkt, da sich die magnetischen Domänen im Eisen sehr schnell ausrichten können, und kann effizient auf eine zweite Spule übertragen werden. Diese Verstärkung kann das Magnetfeld um den Faktor
In der zweiten Spule wird durch das ständig wechselnde, starke Magnetfeld Spannung induziert.
Ein Transformator besteht also aus zwei Spulen – der Primärspule und der Sekundärspule – die auf einem gemeinsamen Eisenkern sitzen.
Die Wechselspannung an der Primärspule erzeugt ein sich änderndes Magnetfeld im Eisenkern. Dieses Magnetfeld breitet sich über den Eisenkern nahezu verlustfrei zur Sekundärspule aus. In der Sekundärspule wird durch elektromagnetische Induktion eine Spannung erzeugt. Sie ist abhängig von der Anzahl der Windungen der Spule.
- mehr Windungen in der Sekundärspule → höhere Spannung (Hochtransformator)
- weniger Windungen in der Sekundarspule → niedrigere Spannung (Abwärtstransformator)
Auch die spektakulären Hochspannungsentladungen von Teslaspulen sind das Ergebnis einer Hochtransformation von Wechselstrom durch Spulen.
