Magnetismus, Elektromagnet und Induktion

Magnete halten Zettel am Kühlschrank, Kompassnadeln zeigen nach Norden – und ohne Magnetismus gäbe es weder Elektromotor noch Kraftwerk. Denn Strom und Magnetismus hängen eng zusammen: Strom erzeugt ein Magnetfeld, und ein sich änderndes Magnetfeld erzeugt Spannung.

Dauermagnete

Jeder Magnet hat einen Nordpol und einen Südpol. An den Polen ist die Anziehung am stärksten.

Merke

Gleichnamige Pole stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an. Magnete ziehen Eisen, Nickel und Cobalt an – aber kein Aluminium, Kupfer oder Holz.

Zerbricht man einen Magneten, entstehen zwei vollständige Magnete mit je einem Nord- und Südpol. Man stellt sich deshalb vor, dass ein Magnet aus vielen winzigen Elementarmagneten besteht, die alle gleich ausgerichtet sind. In unmagnetisiertem Eisen liegen sie ungeordnet.

Das Magnetfeld und Feldlinien

Den Raum um einen Magneten, in dem Kräfte wirken, nennt man Magnetfeld. Sichtbar machen kann man es mit Eisenfeilspänen. Man beschreibt es mit Feldlinien: Sie verlaufen außerhalb des Magneten vom Nordpol zum Südpol, und wo sie dicht liegen, ist das Feld stark.

NS
Feldlinien eines Stabmagneten: außen vom Nord- zum Südpol

Auch die Erde ist ein großer Magnet. Die Kompassnadel ist ein kleiner Magnet, dessen Nordpol nach Norden zeigt – dort liegt also magnetisch gesehen ein Südpol der Erde.

Strom erzeugt ein Magnetfeld

1820 bemerkte Hans Christian Ørsted, dass eine Kompassnadel neben einem stromdurchflossenen Draht ausschlägt. Um jeden Strom entsteht ein Magnetfeld mit kreisförmigen Feldlinien. Wickelt man den Draht zu einer Spule, verstärken sich die Felder der Windungen – die Spule verhält sich wie ein Stabmagnet.

Ein Elektromagnet ist eine Spule mit Eisenkern. Er ist nur magnetisch, solange Strom fließt, und wird stärker mit mehr Windungen und größerer Stromstärke. Anwendungen: Schrottkran, Türöffner, Relais, Lautsprecher, MRT.

Elektromotor: Kraft auf stromdurchflossene Leiter

Ein stromdurchflossener Draht im Magnetfeld erfährt eine Kraft, die Lorentzkraft. Im Elektromotor dreht sich so eine Spule zwischen Magnetpolen. Ein Kommutator (Stromwender) polt den Strom bei jeder halben Umdrehung um, damit sich die Spule immer weiter in dieselbe Richtung dreht.

Induktion: Magnetfeld erzeugt Spannung

Bewegt man einen Magneten in einer Spule hin und her, entsteht an den Spulenenden eine Spannung. Diese elektromagnetische Induktion entdeckte Michael Faraday 1831.

Induktionsgesetz (vereinfacht)

In einer Spule wird eine Spannung induziert, solange sich das Magnetfeld in ihr ändert. Die Spannung ist umso größer, je schneller die Änderung und je mehr Windungen die Spule hat.

  • Generator: Ein Magnet dreht sich in einer Spule (oder umgekehrt) – Bewegungsenergie wird zu elektrischer Energie. So arbeiten Fahrraddynamo, Windrad und Kraftwerk. Es entsteht Wechselspannung.
  • Transformator: Zwei Spulen auf einem gemeinsamen Eisenkern. Wechselstrom in der ersten Spule erzeugt ein wechselndes Magnetfeld, das in der zweiten Spule Spannung induziert: U1 / U2 = N1 / N2. Mit Transformatoren wird Strom für den Ferntransport auf Hochspannung gebracht – das verringert die Verluste in den Leitungen.
  • Induktionsherd, kabelloses Laden und Metalldetektor beruhen ebenfalls auf Induktion.

Beispiel: Ladegerät

Ein Transformator soll aus 230 V eine Spannung von 11,5 V machen. Die Primärspule hat 2000 Windungen. N2 = N1 · U2 / U1 = 2000 · 11,5 V / 230 V = 100 Windungen.

Typischer Fehler

„Ein ruhender Magnet in einer Spule erzeugt Spannung.“ Nein – nur eine Änderung des Magnetfelds induziert Spannung. Deshalb funktionieren Transformatoren nur mit Wechselstrom.

Teste Dich selbst

1. Welcher Stoff wird von einem Magneten angezogen?
Lösung anzeigen

Richtig: Eisen. Nur ferromagnetische Stoffe wie Eisen, Nickel und Cobalt werden angezogen.

2. Wie kann man einen Elektromagneten stärker machen?
Lösung anzeigen

Richtig: Größere Stromstärke und Eisenkern. Mehr Windungen, größere Stromstärke und ein Eisenkern verstärken das Magnetfeld.

3. Ein Transformator hat 500 Windungen primär und 50 sekundär. Primär liegen 230 V an. Sekundärspannung?
Lösung anzeigen

Richtig: 23 V. U2 = 230 V · 50 / 500 = 23 V.

4. Welches Gerät wandelt Bewegungsenergie in elektrische Energie um?
Lösung anzeigen

Richtig: Generator. Der Generator nutzt die Induktion. Der Elektromotor macht das Umgekehrte.

Weiterlesen: Magnetismus, Elektromagnetische Induktion bei Wikipedia