Magnetfeld von Leiter und Spule
Auf dem Schrottplatz hebt ein Kran tonnenschwere Autoteile an einem Magneten hoch und lässt sie per Knopfdruck wieder fallen. Ein gewöhnlicher Magnet kann das nicht. Was steckt in diesem Kran, und warum lässt er sich ausschalten? Am Ende der Seite kannst du es erklären.
Das Magnetfeld um einen geraden Leiter
Legst du einen Kompass neben ein Kabel, passiert zunächst nichts. Schaltest du aber einen kräftigen Gleichstrom ein, schlägt die Nadel aus. Der Strom erzeugt also ein Magnetfeld. Das hat 1820 der Däne Hans Christian Ørsted entdeckt.
Die Feldlinien um einen geraden Leiter sind konzentrische Kreise um den Leiter. Sie liegen in Ebenen senkrecht zum Leiter. Je weiter du vom Leiter entfernt bist, desto schwächer ist das Feld, und die Feldlinien liegen weiter auseinander.
Die Richtung der Feldlinien legt die Rechte-Hand-Regel fest: Der Daumen der rechten Hand zeigt in die (technische) Stromrichtung, die gekrümmten Finger zeigen in Richtung der Feldlinien.
Kehrst du die Stromrichtung um, kehrt sich auch die Richtung der Feldlinien um. Ein stärkerer Strom erzeugt ein stärkeres Feld.
Beschreibe den Verlauf der Magnetfeldlinien um einen geraden stromdurchflossenen Leiter.
Beschreibe den Verlauf der Magnetfeldlinien um einen geraden stromdurchflossenen Leiter.
Ein Kompass liegt direkt über einem geraden Kabel, in dem ein Gleichstrom fließt. Die Nadel wird ausgelenkt. a) Erkläre die Auslenkung. b) Was geschieht, wenn die…
Ein Kompass liegt direkt über einem geraden Kabel, in dem ein Gleichstrom fließt. Die Nadel wird ausgelenkt.
- a) Erkläre die Auslenkung.
- b) Was geschieht, wenn die Stromrichtung umgekehrt wird?
Die Spule und ihr Magnetfeld
Ein einzelner Leiter hat ein schwaches Feld. Wickelst du den Draht zu einer Spule mit vielen Windungen, überlagern sich die Felder aller Windungen. Im Inneren zeigen sie alle in dieselbe Richtung und verstärken sich.
Das Feld einer langen Spule sieht aus wie das eines Stabmagneten: Im Inneren verlaufen die Feldlinien parallel und dicht, außerhalb laufen sie von einem Ende zum anderen. Eine Spule hat also einen Nordpol und einen Südpol.
Rechte-Hand-Regel für die Spule: Umfasse die Spule mit der rechten Hand so, dass die Finger in die technische Stromrichtung in den Windungen zeigen. Der ausgestreckte Daumen zeigt dann zum Nordpol.
Wie kann man bei einer Spule Nord- und Südpol bestimmen? Beschreibe die Rechte-Hand-Regel in eigenen Worten.
Wie kann man bei einer Spule Nord- und Südpol bestimmen? Beschreibe die Rechte-Hand-Regel in eigenen Worten.
Den Elektromagneten verstärken
Wie stark das Feld im Inneren einer Spule ist, hängt von drei Größen ab:
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Stromstärke $I$: je größer, desto stärker das Feld.
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Windungszahl $n$: je mehr Windungen, desto stärker das Feld.
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Eisenkern: Ein Kern aus weichem Eisen verstärkt das Feld stark, oft um das Hundertfache oder mehr.
Außerdem gilt: Bei gleicher Windungszahl und gleichem Strom ist das Feld in einer kürzeren Spule stärker, denn die Windungen liegen dichter beieinander.
Der Eisenkern wird im Feld der Spule selbst magnetisch. Dessen Feld addiert sich zum Feld der Spule. Weiches Eisen verliert den Magnetismus fast ganz, wenn der Strom ausgeschaltet wird.
Der entscheidende Vorteil gegenüber dem Dauermagneten: Du kannst das Feld ein- und ausschalten und über den Strom regulieren. Das nutzt der Kran auf dem Schrottplatz. Er hebt Metall an, solange Strom fließt, und lässt es los, wenn du abschaltest. Vorwiderstand oder Stellwiderstand regeln die Stärke.
Nenne zwei Möglichkeiten, das Magnetfeld einer Spule zu verstärken.
Nenne zwei Möglichkeiten, das Magnetfeld einer Spule zu verstärken.
Eine Spule mit $200$ Windungen wird von $1{,}5\ \text{A}$ durchflossen. Danach wird die Windungszahl auf $400$ verdoppelt, bei sonst gleichen Bedingungen. a) Beschreibe,…
Eine Spule mit $200$ Windungen wird von $1{,}5\ \text{A}$ durchflossen. Danach wird die Windungszahl auf $400$ verdoppelt, bei sonst gleichen Bedingungen.
- a) Beschreibe, wie sich das Magnetfeld ändert.
- b) Wie ändert sich das Feld, wenn zusätzlich ein Eisenkern eingeschoben wird?
Ein Elektromagnet in einem Schrottplatz hebt Metallteile an. a) Erkläre das Funktionsprinzip. b) Warum ist ein Elektromagnet hier besser geeignet als ein Dauermagnet?
Ein Elektromagnet in einem Schrottplatz hebt Metallteile an.
- a) Erkläre das Funktionsprinzip.
- b) Warum ist ein Elektromagnet hier besser geeignet als ein Dauermagnet?
Anwendungen und Wechselwirkung von Leitern
Relais. Ein Relais ist ein Schalter, den ein Elektromagnet betätigt. Es besteht aus einer Spule mit Eisenkern, einem beweglichen Eisenanker und einer Feder. Mit einem kleinen Steuerstrom schaltest du einen großen Arbeitsstrom.
Ablauf: Steuerstrom an → Spule wird zum Elektromagneten → Der Anker wird angezogen → Der Kontakt schließt → Der Arbeitsstromkreis ist geschlossen. Schaltest du den Steuerstrom ab, verliert der Kern sein Feld, und die Feder zieht den Anker zurück. Empfindlicher wird das Relais mit mehr Windungen, größerem Strom oder einem besseren Eisenkern.
Zwei parallele Leiter. Jeder Leiter liegt im Magnetfeld des anderen. Dadurch wirkt auf ihn eine Kraft (dazu mehr im Kapitel zur Lorentzkraft). Das Ergebnis, das du dir merken kannst:
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Strom in gleicher Richtung: Die Leiter ziehen sich an.
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Strom in entgegengesetzter Richtung: Die Leiter stoßen sich ab.
Die Kraft ist bei Alltagsströmen sehr klein. Deshalb merkst du sie bei einem Kabel zu Hause nicht. Außerdem liegen die beiden Adern eines Kabels fast immer nebeneinander mit entgegengesetztem Strom, und die Kraft wird durch die Isolierung und Befestigung aufgefangen.
Ein Türklingel-Relais besteht aus einer Spule mit Eisenkern und einem beweglichen Eisenanker, der an einer Rückstellfeder befestigt ist und einen Kontakt im…
Ein Türklingel-Relais besteht aus einer Spule mit Eisenkern und einem beweglichen Eisenanker, der an einer Rückstellfeder befestigt ist und einen Kontakt im Klingelstromkreis betätigt.
- a) Beschreibe Schritt für Schritt, wie nach dem Drücken des Klingelknopfs der Klingelstromkreis geschlossen wird.
- b) Begründe, warum der Anker nach dem Abschalten des Stroms zurückfällt.
- c) Nenne zwei Maßnahmen, um das Relais empfindlicher zu machen.
Zwei parallele Leiter werden in gleicher Richtung von Strom durchflossen. Sie ziehen sich an. a) Erkläre mit Hilfe der Magnetfelder qualitativ, warum. b) Was geschieht…
Zwei parallele Leiter werden in gleicher Richtung von Strom durchflossen. Sie ziehen sich an.
- a) Erkläre mit Hilfe der Magnetfelder qualitativ, warum.
- b) Was geschieht bei entgegengesetzter Stromrichtung?
- c) Begründe, warum man diese Kraft in Alltagsgeräten meist nicht bemerkt.
Experimente mit Variablenkontrolle
Wovon hängt die Stärke des Spulenfeldes ab? Das prüfst du mit einem Experiment. Du misst die Stärke zum Beispiel mit einer Magnetfeldsonde oder zählst, wie viele Büroklammern die Spule hält. Wichtig ist die Variablenkontrolle: Du änderst immer nur eine Größe und hältst alle anderen konstant.
Prognose: Die kürzere Spule hat bei gleicher Windungszahl das stärkere Feld, weil die Windungen dichter liegen.
Ein Schüler vergleicht zwei Spulen mit gleicher Windungszahl: Spule A ist $5\ \text{cm}$ lang, Spule B $20\ \text{cm}$ lang. Beide führen den gleichen Strom. a) Sage…
Ein Schüler vergleicht zwei Spulen mit gleicher Windungszahl: Spule A ist $5\ \text{cm}$ lang, Spule B $20\ \text{cm}$ lang. Beide führen den gleichen Strom.
- a) Sage vorher, in welcher Spule das Magnetfeld im Inneren stärker ist, und begründe.
- b) Plane ein Experiment zur Überprüfung mit Variablenkontrolle.
Zurück zum Anfang: Der Kran auf dem Schrottplatz hat eine große Spule mit Eisenkern. Fließt Strom, entsteht ein starkes Feld und der Kern zieht Eisen an. Schaltet man den Strom ab, verschwindet das Feld, und die Teile fallen herunter.