Aus- und Weiterbildung

Physik - Elektromagnete (für 11- bis 14-Jährige)

Verwendung von Elektromagneten

Ein Elektromagnet ist ein Magnet, der mit Elektrizität funktioniert. Er kann an- und ausgeschaltet werden. Die Spulen werden beinahe immer aus Kupfer hergestellt, weil es so ein hervorragender elektrischer Leiter ist (siehe Leitfähigkeit).

Elektromagnete haben viele Einsatzgebiete. Hier einige Beispiele:

• Elektrische Türklingel: Die Elektromagnete lassen den Hammer hin und her schwingen, sodass er auf den Resonanzkörper (die Glocke) schlägt. 
• Elektronisches Schloss: Wenn jemand in einem Mehrfamilienhaus klingelt, lässt sich die Tür von der Wohnung aus durch Knopfdruck öffnen. Ein Elektromagnet entriegelt den Türschnapper. Wird der Knopf losgelassen, ist der Schnapper wieder verriegelt.
• Kran: Ein Schrottkran kann ein ganzes Auto heben. Dann wird es an die gewünschte Stelle bewegt und durch Abschalten des Magneten losgelassen.
• Chirurgisches Werkzeug: Ein Augenchirurg kann Stahlsplitter mithilfe eines Elektromagnets aus dem Auge eines Patienten ziehen. Der Strom wird immer weiter erhöht, bis das Magnetfeld so stark ist, dass der Metallsplitter sanft herausgezogen wird.

In diesem Abschnitt sehen wir uns an, wie Elektromagneten funktionieren und wie ihr Wirkungsgrad erhöht werden kann.

Magnetfelder

Ein Magnet zieht bestimmte Metalle an, z. B. Eisen. Wir sagen, diese Metalle seien magnetisch. Wir können auch einen Magneten aus Weicheisen herstellen. Dieser Magnet hat zwei Pole, einen Nord- und einen Südpol.

Was machen die Pole? Wenn wir den Nordpol eines Stabmagneten an den Südpol eines anderen halten, ziehen sie einander an. Wir sagen: Gegensätzliche Pole ziehen sich an.

Wenn wir dagegen einen Nordpol an einen anderen Nordpol halten, schieben sich die Stabmagneten auseinander. Wir sagen, dass sie sich abstoßen. Dasselbe geschieht bei zwei Südpolen. 

Wir sagen: Gleiche Pole stoßen sich ab. 

Was ist ein Magnetfeld?

Ein Magnet muss einen anderen Magneten nicht berühren, um ihn anzuziehen oder abzustoßen. Die Kraft eines Magneten reicht über ihn hinaus. Es handelt sich um eine unsichtbare Kraft, die bis in eine gewisse Entfernung wirkt. Wir sprechen von einem Magnetfeld um den Magneten. Das Magnetfeld ist der Bereich, in dem die Kraft eines Magneten wirkt. 
Das Magnetfeld ist unsichtbar. Wir müssen uns ein paar schlaue Tricks einfallen lassen, um seine Form zu sehen. 

Wie können wir das Magnetfeld sichtbar machen?

Die Form eines Magnetfelds lässt sich mit Eisenspänen zeigen:

• Lege ein Stück Karton auf den Magneten.
• Verteile Eisenspäne vorsichtig auf dem Karton.
• Klopfe leicht auf den Karton, damit sich die Eisenspäne am Magnetfeld ausrichten.
• Sieh dir das Muster an, das die Eisenspäne machen.

In welcher Richtung verläuft das Magnetfeld?

Die Eisenspäne zeigen uns die Form des Magnetfelds. Es ist allerdings auch nützlich zu wissen, in welcher Richtung das Feld verläuft, um zu erfahren, ob es den Nordpol eines anderen Magneten anziehen oder abstoßen wird. 

Das können wir mit einem kleinen Kompass herausfinden. Die Kompassnadel selbst ist auch ein kleiner Magnet. Ihr Pfeil ist ein Nordpol. Deshalb zeigt der Kompass weg vom Nordpol eines Magneten.

Magnetfeldlinien

Das können wir auf einer Skizze des Magnetfelds anhand von Feldlinien zeigen. Beachte, dass die Magnetfeldlinien 

• vom Nordpol weg zeigen und
• zum Südpol hin zeigen und
• sich niemals überkreuzen;
• nur aus den Enden des Magneten kommen;
• am engsten dort nebeneinander liegen, wo das Feld am stärksten ist, d. h. in der Nähe der Pole.

Die Pfeile auf den Feldlinien verraten uns, in welche Richtung sich ein anderer Nordpol bewegen würde. Ein Südpol würde in die den Pfeilspitzen entgegengesetzte Richtung gezogen.

Zylinderspulen

Ein Elektromagnet ist eine Drahtspule, durch die ein elektrischer Strom fließt. 
Wenn der Draht um einen Zylinder gewickelt wird, sprechen wir von einer Zylinderspule, die manchmal auch als Solenoid bezeichnet wird. Wenn ein Strom durch sie fließt, wird sie ein Elektromagnet.

Warum Kupfer?

Kupfer wird verwendet, weil es einen geringen elektrischen Widerstand besitzt (siehe Leitfähigkeit). Das bedeutet, dass der Strom leicht hindurchfließen kann. Außerdem lässt sich Kupfer leicht zu einer Spule wickeln.

Wie sieht das Feld aus?

Wenn der Strom durch den Draht fließt, macht er einen Magneten aus der Spule. Wir sprechen von einem Elektromagneten. Das Feld eines Elektromagneten ist dem eines Stabmagneten ähnlich. Die Spule hat einen Nordpol an einem Ende und einen Südpol am anderen Ende. 

Nicht vergessen: Wir haben gezeigt, dass die Feldlinien aus dem Nordpol kommen und zum Südpol gehen.

Wie kann man sich den Verlauf des Feldes merken?

Wenn ein Strom durch die Spule fließt, wird sie ein Elektromagnet. Eines ihrer Enden ist also ein Nordpol und das andere ein Südpol. Es gibt einen kleinen Trick, um sich zu merken, welches Ende welcher Pol wird. 

Es geht um die Frage, festzustellen, ob der Buchstabe S oder N in dieselbe Richtung weist wie der Strom.

Wenn wir ein Ende der Spule betrachten, dann fließt der Strom entgegen dem Uhrzeigersinn. In diesem Fall können wir den Buchstaben N einsetzen, denn er weist in dieselbe Richtung wie der Strom. Beim S ist das nicht der Fall. Deshalb handelt es sich um den Nordpol.

Wenn wir das andere Ende der Spule betrachten, dann fließt der Strom im Uhrzeigersinn. In diesem Fall können wir ein S einsetzen. Deshalb handelt es sich um den Südpol.

Verwendung von Elektromagneten

Eine Verwendung für einen Elektromagneten ist eine einfache Türschließanlage für ein Mehrfamilienhaus. Jemand im vierten Stock möchte nicht nach unten rennen, um seine Besucher hereinzulassen. Deshalb hat er einen Schalter, der einen Elektromagneten im Schloss steuert. Wenn er den Knopf drückt, wird die Kupferspule zu einem Elektromagneten. Sie zieht den Anker an und entriegelt den Schnapper. Jetzt lässt sich die Tür öffnen.

Magnete stärker machen

Elektromagnete lassen sich auf mehrere Weisen stärker machen. Hier einige Beispiele: 

• Erhöhen des Stromdurchflusses
• Mehr Windungen des Kupferdrahts um den Zylinder wickeln
• Weicheisenkern einsetzen

Sehen wir uns diese Möglichkeiten einmal näher an.

Höherer Strom

Ein höherer Strom sorgt für einen stärkeren Magneten. Allerdings gibt es eine Grenze, wie viel Strom durch den Draht fließen kann, bevor er zu heiß wird. Ein größerer Strom bedeutet auch, dass mehr Energie in Form von Wärme in Spule und Anschlussdrähten verschwendet wird. Deshalb ist es häufig besser, mehr Windungen auf die Spule zu wickeln, um die Stärke zu vergrößern, anstatt den Strom zu erhöhen.

Mehr Umdrehungen

Stellen wir uns einen Elektromagneten mit einer einzigen Drahtwindung vor. Dann fügen wir eine weitere Windung hinzu. Das ist, als würden wir einen weiteren Elektromagneten neben den ersten platzieren. Damit erhöht sich die Stärke des Magneten. Je mehr Windungen, desto stärker wird der Magnet.

Eisenkern

Eisen ist ein magnetisches Material. Im Eisen befinden sich magnetische Partikel. In Weicheisen richten sich diese Partikel an einem externen Magnetfeld aus. Auf diese Weise verhält sich der Weicheisenkern wie der externe Magnet. Wird das externe Magnetfeld entfernt, wechselt der Kern zurück in seinen Normalzustand. 

Stellen wir uns vor, ein Stück Weicheisen in die Mitte einer Spule aus Kupferdraht zu stecken. Wenn wir den Strom einschalten, wird die Spule ein Elektromagnet. Aber auch der Weicheisenkern wird ein Magnet. Er erhöht die Stärke des Elektromagneten.

Die Wirkung des Weicheisenkerns ist viel stärker als eine Verdoppelung des Stroms oder der Anzahl der Windungen auf der Spule. 

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