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Magnetismus / Elektromagnetismus

Elektromagnete und das Magnetfeld der Spule

Der Oersted-Versuch, das Feld von Leiter und Spule und warum ein Eisenkern die Wirkung vervielfacht.

Benötigte Grundlagen

Dieses Vorwissen brauchst du für das Kapitel. Schau kurz nach, wenn dir etwas davon nicht mehr präsent ist, sonst leg direkt los.

Einführung

1820 hielt der dänische Professor Hans Christian Oersted während einer Vorlesung eine Kompassnadel neben einen stromdurchflossenen Draht. Die Nadel drehte sich. Er hatte es nicht gesucht, und es war eine der folgenreichsten Beobachtungen der Physikgeschichte.

Denn damit war klar: Elektrizität und Magnetismus sind nicht zwei getrennte Erscheinungen. Ein Strom erzeugt ein . Aus dieser einen Zeile folgen Elektromagnet, Motor, Klingel, Relais, Lautsprecher und Festplatte, und ein Jahrzehnt später auch der , der heute unseren Strom erzeugt.

Das kannst du nach diesem Kapitel

  • den Oersted-Versuch beschreiben und seine Bedeutung erklären.

  • das eines geraden Leiters und einer Spule beschreiben.

  • die Richtung des Feldes mit der Rechte-Hand-Regel bestimmen.

  • die Abhängigkeit der Feldstärke von , Windungszahl und Spulenlänge angeben.

  • die Wirkung des Eisenkerns beschreiben und erklären.

  • Anwendungen (Klingel, Relais, Elektromagnet, Lautsprecher) erklären.

Der Oersted-Versuch

Ein gerader Draht wird über eine Kompassnadel gespannt, in Nord-Süd-Richtung, sodass die Nadel zunächst parallel darunter liegt. Schaltet man den Strom ein, dreht sich die Nadel quer zum Draht. Polt man den Strom um, dreht sie sich in die andere Richtung. Schaltet man aus, kehrt sie zurück.

Daraus folgt dreierlei:

  1. Ein stromdurchflossener Leiter ist von einem umgeben.
  2. Die Richtung des Feldes hängt von der Stromrichtung ab.
  3. Ohne Strom kein Feld: Es ist der Strom, der es erzeugt, nicht der Draht.

Streut man Eisenfeilspäne auf eine Pappe, durch die der Draht senkrecht hindurchgeht, ordnen sie sich zu konzentrischen Kreisen um den Leiter. Das Feld eines geraden Leiters besteht also aus geschlossenen Kreisen, deren Ebene senkrecht zum Draht steht.

Nach außen wird es rasch schwächer: Der doppelte Abstand bedeutet etwa das halbe Feld.

Die Rechte-Hand-Regel

Die Richtung merkt man sich mit der Hand:

Umfasse den Leiter mit der rechten Hand so, dass der ausgestreckte Daumen in die technische Stromrichtung zeigt (von Plus nach Minus). Dann zeigen die gekrümmten Finger in die Richtung der Feldlinien.

🔴 Es ist die rechte Hand, und der Daumen zeigt in die technische Stromrichtung. Wer versehentlich die Elektronenrichtung nimmt, bekommt das Feld genau verkehrt herum.

Um jeden Strom liegt ein MagnetfeldStrom zeigt aus der Ebene herausRechte HandDaumen: technischeStromrichtunggekrümmte Finger:Richtung der FeldlinienKein Strom ohne Magnetfeld, das war Oersteds Entdeckung

Die Feldlinien um einen geraden Leiter sind Kreise, also auch hier geschlossen. Präge dir die Regel mit der richtigen Hand ein: rechte Hand, Daumen in die technische Stromrichtung. Mit der Elektronenrichtung bräuchte man die linke.

Das Feld einer Spule

Wickelt man den Draht zu einer Spule (auch Zylinderspule oder Solenoid), überlagern sich die Kreisfelder aller Windungen. Innen zeigen sie alle in dieselbe Richtung und verstärken sich, außen heben sie sich weitgehend auf.

Das Ergebnis ist bemerkenswert: Das Feld einer Spule sieht aus wie das eines Stabmagneten. Innen verläuft es dicht, gerade und nahezu gleichmäßig (also homogen), außen bogenförmig von einem Ende zum anderen. Die Spule hat damit einen Nord- und einen Südpol.

Auch hier hilft die rechte Hand, nur andersherum angewendet:

Umfasse die Spule so, dass die gekrümmten Finger in die technische Stromrichtung der Windungen zeigen. Dann zeigt der Daumen zum Nordpol der Spule.

Die Spule wirkt nach außen wie ein StabmagnetNSInnen parallel und gleich dicht: homogenes Feld.Welches Ende Nordpol ist, entscheidet die Stromrichtung

Innen liegen die Linien parallel und gleich dicht, das Feld ist dort homogen. Außen sieht das Bild aus wie das eines Stabmagneten, und genau so verhält sich die Spule auch. Welches Ende Nordpol ist, entscheidet die Stromrichtung; wie stark das Feld wird, entscheiden und Windungszahl und ein Eisenkern hebt es um ein Vielfaches an.

Wovon die Feldstärke abhängt

Der Versuch mit auswechselbaren Spulen zeigt drei Abhängigkeiten:

  • II: doppelter Strom, doppeltes Feld.
  • Windungszahl NN: doppelte Windungszahl, doppeltes Feld.
  • Spulenlänge ll: doppelte Länge bei gleicher Windungszahl, halbes Feld.

Zusammengefasst hängt das Feld im Inneren von

N⋅Il\frac{N \cdot I}{l}

ab. Man nennt dieses Produkt aus Windungszahl und Stromstärke die Durchflutung; geteilt durch die Länge ergibt sich die magnetische Feldstärke.

Anschaulich: Entscheidend ist nicht die Windungszahl allein, sondern wie eng die Windungen liegen. Zwanzig Windungen auf 2 cm2\,\text{cm} wirken so stark wie hundert Windungen auf 10 cm10\,\text{cm}.

🔴 In der Oberstufe (Klasse 11) wird daraus die quantitative Formel für die magnetische Flussdichte. Hier genügt der Zusammenhang.

Der Eisenkern

Schiebt man einen Eisenkern in die Spule, wird das Feld dramatisch stärker, oft um das Hundert- bis Tausendfache. Der Strom hat sich dabei nicht geändert.

Erklärung mit dem Elementarmagnet-Modell: Das Spulenfeld richtet die Elementarmagnete des Eisens aus. Der Kern wird dadurch selbst zum Magneten, und sein Feld addiert sich zum Spulenfeld. Die Spule liefert also nicht mehr Feld, sondern sie schaltet das im Eisen bereits vorhandene Feld ein.

Deshalb ist der entscheidende Punkt die Wahl des Materials:

  • Weicheisen lässt sich leicht ausrichten und wird beim Abschalten sofort wieder unmagnetisch. Genau das braucht ein Elektromagnet, der schaltbar sein soll.
  • Stahl behält die Magnetisierung. Für einen Elektromagneten wäre das ein Fehler, für einen Dauermagneten ist es der Zweck.

Anwendungen

Elektromagnet (Kranmagnet). Spule mit Weicheisenkern. Strom an heißt Last hält, Strom aus heißt Last fällt. Ein Dauermagnet könnte das nicht: Man bekäme den Schrott nicht wieder los.

Elektrische Klingel. Der Strom zieht über einen Elektromagneten einen Klöppel an. Dabei unterbricht der Klöppel selbst den , der Magnet lässt los, der Kontakt schließt wieder. Diese Selbstunterbrechung erzeugt das schnelle Rattern.

Relais. Ein kleiner Steuerstrom betätigt einen Elektromagneten, der einen Schalter für einen viel größeren Strom schließt. So steuert ein schwacher Stromkreis einen starken, und beide bleiben elektrisch getrennt. Anwendung: Anlasser im Auto, Schütze in der Industrie.

Lautsprecher. Eine Spule sitzt im Feld eines Dauermagneten und ist mit der Membran verbunden. Der wechselnde Tonstrom bewegt die Spule vor und zurück, die Membran schwingt mit und erzeugt Schall.

Magnetschwebebahn, Türöffner, Festplatte, . Alle nutzen dasselbe Grundprinzip.

Feldrichtung einer Spule bestimmen

Eine Zylinderspule ist so gewickelt, dass der Strom von vorn gesehen im Uhrzeigersinn durch die Windungen fließt. An welchem Ende liegt der Nordpol? Was ändert sich, wenn man die Batterie umpolt oder die Wicklung andersherum aufbringt?

  1. 1

    Rechte-Hand-Regel für die Spule anwenden. Umfasse die Spule mit der rechten Hand so, dass die gekrümmten Finger in die technische Stromrichtung der Windungen zeigen, hier also im Uhrzeigersinn von vorn gesehen.

    Der abgespreizte Daumen zeigt dann in Richtung des Nordpols.

  2. 2

    Ergebnis ablesen. Bei Uhrzeigersinn von vorn zeigt der Daumen von dir weg, also nach hinten. Der Nordpol liegt am hinteren Spulenende, der Südpol vorn.

    Kontrolle: Feldlinien treten am Nordpol aus. Sie verlassen die Spule also hinten, laufen außen herum und treten vorn wieder ein.

  3. 3

    Batterie umpolen. Der Strom fließt danach in die Gegenrichtung, die Finger zeigen andersherum, der Daumen kippt um: Nord und Süd tauschen.

    Das ist genau der Unterschied zum Dauermagneten. Ein Elektromagnet lässt sich umpolen, ohne dass man etwas anfasst, und genau darauf beruht der .

  4. 4

    Wicklungssinn ändern. Wickelt man den Draht andersherum auf, fließt der Strom bei gleicher Batterie ebenfalls andersherum durch die Windungen. Auch dann tauschen die Pole.

    🔴 Beides zugleich hebt sich auf: Andersherum gewickelt und umgepolt ergibt wieder die ursprüngliche Polung. Bei Aufgaben lohnt es sich, beide Änderungen einzeln zu prüfen.

Bei Uhrzeigersinn von vorn liegt der Nordpol hinten. Umpolen oder anders wickeln vertauscht die Pole, beides zusammen ändert nichts.

Einen Elektromagneten verstärken

Ein Elektromagnet mit 200200 Windungen auf 10 cm10\,\text{cm} Länge trägt bei 1,5 A1{,}5\,\text{A} eine Last von 2 kg2\,\text{kg}. Nenne vier Möglichkeiten, die Tragkraft zu erhöhen, und beurteile sie.

  1. 1

    Möglichkeit 1: erhöhen. Das Feld wächst mit II. Verdoppelt man auf 3 A3\,\text{A}, verdoppelt sich die Durchflutung.

    Grenze: Die Verlustleistung im Draht wächst mit P=R⋅I2P = R \cdot I^2, also mit dem Quadrat. Doppelter Strom bedeutet vierfache Wärmeentwicklung. Die Spule überhitzt, die Lackisolierung schmilzt, es kommt zum Windungsschluss. Das ist die praktisch engste Grenze.

  2. 2

    Möglichkeit 2: Windungszahl erhöhen. Das Feld wächst mit NN. Von 200200 auf 400400 Windungen verdoppelt es sich.

    Grenze: Mehr Windungen bedeuten mehr Drahtlänge und damit mehr Widerstand (R∼lR \sim l). Bei gleicher sinkt dadurch der Strom, und ein Teil des Gewinns geht wieder verloren. Wickelt man auf derselben Länge, wird die Spule außerdem dicker.

  3. 3

    Möglichkeit 3: Spule kürzer wickeln. Das Feld hängt von N⋅Il\frac{N \cdot I}{l} ab. Dieselben 200200 Windungen auf 5 cm5\,\text{cm} statt 10 cm10\,\text{cm} verdoppeln es.

    Grenze: Der Draht muss mehrlagig gewickelt werden; die äußeren Lagen liegen weiter vom Kern entfernt und tragen weniger bei. Außerdem staut sich die Wärme innen.

  4. 4

    Möglichkeit 4: Weicheisenkern einsetzen oder verbessern. Das ist mit Abstand der wirksamste Hebel: Ein guter Kern verstärkt um das Hundert- bis Tausendfache, und zwar ohne zusätzlichen Strom und damit ohne zusätzliche Wärme.

    Grenze: die Sättigung. Sind alle Elementarmagnete des Kerns ausgerichtet, bringt mehr Strom kaum noch etwas. Ab da wirken nur noch die Möglichkeiten 1 bis 3, und die kosten .

  5. 5

    Beurteilung. Sinnvolle Reihenfolge: erst den Kern (kostenlos in der Energiebilanz), dann die Geometrie (kürzer, enger), zuletzt den Strom (teuer und wärmebegrenzt).

    Genau so bauen Kranmagnete: massiver Weicheisenkern, viele eng liegende Windungen und ein Strom, der gerade so hoch ist, wie die Kühlung erlaubt.

Vier Wege: mehr Strom (quadratische !), mehr Windungen (mehr Widerstand), kürzere Spule, besserer Eisenkern. Der Kern ist der wirksamste und energetisch günstigste, begrenzt allein durch die Sättigung.

Typischer Fehler

„Der Eisenkern erzeugt das des Elektromagneten."

Das Feld erzeugt der Strom, nicht das Eisen. Ohne Strom ist ein Weicheisenkern völlig unmagnetisch; man kann ihn in die Spule legen, ohne dass etwas passiert.

Was der Kern wirklich tut: Das Spulenfeld richtet seine Elementarmagnete aus. Dadurch wird der Kern selbst magnetisch, und sein Feld addiert sich zum Spulenfeld. Der Kern verstärkt also, er erzeugt nicht.

Der Beleg ist einfach: Schalte den Strom ab. Das Feld verschwindet fast vollständig, obwohl der Kern noch da ist. Bliebe ein nennenswerter Rest, wäre der Kranmagnet unbrauchbar, weil der Schrott nicht abfiele.

Die Materialwahl folgt genau daraus. Weicheisen wird sofort wieder unmagnetisch, Stahl nicht. Deshalb steckt in jedem Elektromagneten Weicheisen; ein Stahlkern würde sich beim ersten Einschalten dauerhaft magnetisieren und das Bauteil ruinieren.

Sauber formuliert: „Der Strom erzeugt das Feld, der Weicheisenkern verstärkt es und gibt es beim Abschalten sofort wieder frei."

Übung 1

leicht

a) Was beobachtete Oersted 1820, und was folgt daraus?

b) Wie sieht das eines geraden stromdurchflossenen Leiters aus?

c) Nenne drei Größen, von denen die Feldstärke einer Spule abhängt, und gib jeweils an, wie.

Tipp anzeigen

c) Eine der drei wirkt genau umgekehrt wie die anderen beiden.

Lösung anzeigen

a) Eine Kompassnadel neben einem stromdurchflossenen Draht dreht sich, sobald der Strom fließt, und dreht sich beim Umpolen andersherum. Daraus folgt: Ein elektrischer Strom erzeugt ein Magnetfeld. Elektrizität und Magnetismus sind damit nicht getrennt, sondern zwei Seiten derselben Sache.

b) Es besteht aus konzentrischen Kreisen um den Leiter; ihre Ebene steht senkrecht auf dem Draht. Nach außen wird das Feld schnell schwächer. Die Richtung liefert die Rechte-Hand-Regel.

c) - II: je größer, desto stärker (proportional).

  • Windungszahl NN: je größer, desto stärker (proportional).
  • Spulenlänge ll: je länger, desto schwächer (umgekehrt proportional).

Zusammen: Das Feld hängt von N⋅Il\frac{N \cdot I}{l} ab.

(Der Eisenkern kommt als vierter, besonders wirksamer Faktor hinzu, ist aber keine Größe der Spule selbst.)

Detaillierte Schritterklärung anzeigen

Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.

Erklärungstiefe

✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.

  1. 1

    a) Was Oersted beobachtete und was daraus folgt

    Eine Kompassnadel neben einem stromdurchflossenen Draht dreht sich, sobald der Strom fließt, und dreht sich beim Umpolen andersherum. Daraus folgt: Ein elektrischer Strom erzeugt ein Magnetfeld.

  2. 2

    b) Die Gestalt des Feldes um einen geraden Leiter

    Es besteht aus konzentrischen Kreisen um den Leiter; ihre Ebene steht senkrecht auf dem Draht. Nach außen wird das Feld schnell schwächer. Die Richtung liefert die Rechte-Hand-Regel.

  3. 3

    c) Wovon die Feldstärke einer Spule abhängt

    Von der Stromstärke II (proportional), der Windungszahl NN (proportional) und der Spulenlänge ll (umgekehrt proportional). Zusammen hängt das Feld von N⋅Il\frac{N \cdot I}{l} ab.

  4. 4

    Ergebnisse deuten: vom Zufallsfund zur Bauanleitung

    Aus Oersteds Beobachtung folgt über die Kreisform des Leiterfeldes unmittelbar der Bauplan der Spule: viele Windungen, dicht gewickelt, hoher Strom. Aus einer Entdeckung wird so ein Gerät.

Übung 2

mittel

Eine Spule hat 300300 Windungen auf 15 cm15\,\text{cm} Länge und wird von 2 A2\,\text{A} durchflossen.

a) Wie ändert sich das Feld, wenn man den Strom auf 3 A3\,\text{A} erhöht?

b) Wie ändert es sich, wenn man stattdessen 450450 Windungen auf derselben Länge aufbringt?

c) Eine zweite Spule hat 600600 Windungen auf 30 cm30\,\text{cm} und wird ebenfalls von 2 A2\,\text{A} durchflossen. Vergleiche beide Felder.

Tipp anzeigen

c) Rechne für beide N⋅Il\frac{N \cdot I}{l} aus.

Lösung anzeigen

a) Das Feld ist zur proportional:

3 A2 A=1,5\frac{3\,\text{A}}{2\,\text{A}} = 1{,}5

Es wird also 1,51{,}5-mal so stark.

b) Das Feld ist zur Windungszahl proportional:

450300=1,5\frac{450}{300} = 1{,}5

Ebenfalls 1,51{,}5-mal so stark. Windungszahl und Stromstärke wirken gleichwertig, sie stehen beide im Zähler.

c) Für beide Spulen:

Spule 1: 300⋅2 A0,15 m=4000 Am\text{Spule 1: } \frac{300 \cdot 2\,\text{A}}{0{,}15\,\text{m}} = 4000\,\frac{\text{A}}{\text{m}} Spule 2: 600⋅2 A0,30 m=4000 Am\text{Spule 2: } \frac{600 \cdot 2\,\text{A}}{0{,}30\,\text{m}} = 4000\,\frac{\text{A}}{\text{m}}

Beide Felder sind gleich stark. Spule 2 hat zwar doppelt so viele Windungen, verteilt sie aber auf die doppelte Länge. Entscheidend ist nicht die Windungszahl allein, sondern die Windungsdichte.

Praktisch unterscheiden sich die beiden trotzdem: Spule 2 hat doppelt so viel Draht, also etwa doppelten Widerstand, und braucht bei gleichem Strom die doppelte .

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Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.

Erklärungstiefe

✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.

  1. 1

    Gegeben und Gesucht bei den Spulenvergleichen

    Spule 1: N=300N = 300, l=15 cml = 15\,\text{cm}, I=2 AI = 2\,\text{A}. Gesucht: die Feldänderung a) bei 3 A3\,\text{A}, b) bei 450450 Windungen, c) der Vergleich mit Spule 2 (600600 Windungen auf 30 cm30\,\text{cm}, ebenfalls 2 A2\,\text{A}).

  2. 2

    Die Windungsdichte als eigentliche Größe

    Das Feld hängt von N⋅Il\frac{N \cdot I}{l} ab. Stromstärke und Windungszahl stehen im Zähler und wirken gleichwertig, die Länge steht im Nenner.

  3. 3

    a) und b) Zwei Änderungen mit demselben Ergebnis

    a) Das Feld ist zur Stromstärke proportional: 3 A2 A=1,5\frac{3\,\text{A}}{2\,\text{A}} = 1{,}5. b) Es ist zur Windungszahl proportional: 450300=1,5\frac{450}{300} = 1{,}5. Beide Male wird es 1,51{,}5-mal so stark.

    a) 3 A2 A=1,5\frac{3\,\text{A}}{2\,\text{A}} = 1{,}5 · b) 450300=1,5\frac{450}{300} = 1{,}5

    Zwischenergebnis

    Beide Male 1,51{,}5-fache Feldstärke.

  4. 4

    c) Die Spulenlängen in Meter

    Die Einheit Am\frac{\text{A}}{\text{m}} verlangt die Länge in Metern: 15 cm=0,15 m15\,\text{cm} = 0{,}15\,\text{m} und 30 cm=0,30 m30\,\text{cm} = 0{,}30\,\text{m}.

    15 cm=0,15 m15\,\text{cm} = 0{,}15\,\text{m}; 30 cm=0,30 m30\,\text{cm} = 0{,}30\,\text{m}

    Zwischenergebnis

    l1=0,15 ml_1 = 0{,}15\,\text{m}, l2=0,30 ml_2 = 0{,}30\,\text{m}

  5. 5

    c) Beide Windungsdichten berechnen

    Für jede Spule N⋅Il\frac{N \cdot I}{l} ausrechnen und vergleichen.

    300⋅2 A0,15 m=4000 Am\frac{300 \cdot 2\,\text{A}}{0{,}15\,\text{m}} = 4000\,\frac{\text{A}}{\text{m}}; 600⋅2 A0,30 m=4000 Am\frac{600 \cdot 2\,\text{A}}{0{,}30\,\text{m}} = 4000\,\frac{\text{A}}{\text{m}}

    Zwischenergebnis

    Beide Spulen: 4000 Am4000\,\frac{\text{A}}{\text{m}}

  6. 6

    Ergebnisse deuten: warum „mehr Windungen" allein nichts sagt

    Die Angabe „600600 Windungen" ist ohne die Länge wertlos. Erst das Verhältnis Nl\frac{N}{l} entscheidet über die Feldstärke, genau wie bei der in Klasse 7 die allein nichts über den Stoff aussagt.

Übung 3

schwer

a) Erkläre die Wirkungsweise einer elektrischen Klingel mit Selbstunterbrecher.

b) Erkläre, wozu ein Relais dient und warum man es nicht durch einen einfachen Schalter ersetzt.

c) Warum verwendet man in Elektromagneten Weicheisen und nicht Stahl?

d) Ein Kranmagnet hebt 500 kg500\,\text{kg} Schrott. Beim Stromausfall fällt die Last sofort. Ist das ein Konstruktionsfehler? Begründe und nenne die übliche Gegenmaßnahme.

Tipp anzeigen

d) Überlege, was die Alternative wäre und welches Problem sie hätte.

Lösung anzeigen

a) Beim Drücken des Tasters fließt Strom durch einen Elektromagneten. Dieser zieht einen federnden Klöppelarm an, der Klöppel schlägt gegen die Glocke.

Genau in dieser Stellung unterbricht der Arm selbst den über einen Kontakt. Ohne Strom verschwindet das Feld, die Feder zieht den Arm zurück, der Kontakt schließt wieder, der Magnet zieht erneut an.

Dieser Kreislauf wiederholt sich viele Male je Sekunde und erzeugt das charakteristische Rattern. Der Klöppel schaltet also seinen eigenen Antrieb ab, daher der Name Selbstunterbrecher.

b) Ein Relais ist ein elektromagnetisch betätigter Schalter: Ein kleiner Steuerstrom erzeugt ein Feld, das einen Anker anzieht und damit einen zweiten, unabhängigen Kontakt für einen großen Arbeitsstrom schließt.

Ein einfacher Schalter genügt aus drei Gründen nicht:

  1. Ferngesteuertes Schalten. Der Steuerkreis kann dünne Leitungen über weite Strecken haben; der starke Strom wird direkt am Verbraucher geschaltet.
  2. Sichere Trennung. Steuer- und Arbeitskreis sind elektrisch getrennt. Ein Bedienelement mit 12 V12\,\text{V} kann so einen Kreis mit 400 V400\,\text{V} schalten, ohne dass gefährliche an den Bedienknopf gelangt.
  3. Automatisches Schalten. Der Steuerstrom kann von einer Elektronik oder einem Sensor kommen, nicht nur von einer Hand.

Beispiel: Der Anlasser eines Autos zieht mehrere hundert Ampere. Der Zündschlüssel schaltet nur wenige Ampere und betätigt über ein Relais den eigentlichen Kreis.

c) Weil ein Elektromagnet schaltbar sein muss.

Weicheisen lässt sich leicht magnetisieren und verliert die Magnetisierung beim Abschalten sofort wieder. Genau das ist die geforderte Eigenschaft.

Stahl behält die Ausrichtung seiner Elementarmagnete (er ist hartmagnetisch). Ein Stahlkern würde sich beim ersten Einschalten dauerhaft magnetisieren; danach ließe sich der Magnet nicht mehr abschalten, und ein Kranmagnet könnte den Schrott nicht loslassen. Für Dauermagnete ist genau diese Eigenschaft dagegen erwünscht.

d) Kein Konstruktionsfehler, sondern die zwingende Folge des Prinzips. Ohne Strom kein Feld, ohne Feld keine Haltekraft. Ein Dauermagnet hätte das Problem nicht, wäre aber unbrauchbar, weil man die Last nie wieder losbekäme. Die Schaltbarkeit ist der Zweck des Geräts, und der Ausfall bei Stromverlust ist ihre Kehrseite.

Übliche Gegenmaßnahme: eine Notstromversorgung aus Akkus, die bei Netzausfall den Magneten so lange weiterspeist, bis die Last abgesetzt ist. Zusätzlich schreiben Sicherheitsvorschriften vor, dass niemand sich unter einer schwebenden Last aufhalten darf, und der Arbeitsbereich wird abgesperrt.

Das ist übrigens ein wiederkehrendes Muster in der Technik: Man beseitigt nicht die physikalische Ursache, sondern sorgt dafür, dass ihr Eintreten niemanden gefährdet.

Detaillierte Schritterklärung anzeigen

Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.

Erklärungstiefe

✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.

  1. 1

    a) Wie sich die Klingel selbst unterbricht

    Beim Drücken des Tasters fließt Strom durch einen Elektromagneten, der einen federnden Klöppelarm anzieht, der Klöppel schlägt gegen die Glocke. Genau in dieser Stellung unterbricht der Arm selbst den Stromkreis. Ohne Strom verschwindet das Feld, die Feder zieht den Arm zurück, der Kontakt schließt wieder, und es beginnt von vorn.

  2. 2

    b) Wozu ein Relais dient

    Ein Relais ist ein elektromagnetisch betätigter Schalter: Ein kleiner Steuerstrom erzeugt ein Feld, das einen Anker anzieht und damit einen zweiten, unabhängigen Kontakt für einen großen Arbeitsstrom schließt.

  3. 3

    c) Warum Weicheisen und nicht Stahl

    Weil ein Elektromagnet schaltbar sein muss. Weicheisen lässt sich leicht magnetisieren und verliert die Magnetisierung beim Abschalten sofort wieder. Stahl behält die Ausrichtung seiner Elementarmagnete, ein Stahlkern würde sich beim ersten Einschalten dauerhaft magnetisieren, und der Kranmagnet könnte den Schrott nie loslassen.

  4. 4

    d) Ergebnis deuten: kein Fehler, sondern die Kehrseite des Prinzips

    Der Sturz der Last bei Stromausfall ist kein Konstruktionsfehler, sondern die zwingende Folge des Prinzips: ohne Strom kein Feld, ohne Feld keine Haltekraft. Ein Dauermagnet hätte das Problem nicht, wäre aber unbrauchbar, weil man die Last nie wieder losbekäme.

Zusammenfassung

Oersteds zufällige Beobachtung von 1820 zeigte, dass jeder stromdurchflossene Leiter von einem umgeben ist, und verband damit zwei bis dahin getrennte Gebiete. Beim geraden Leiter bilden die Feldlinien konzentrische Kreise, deren Richtung die Rechte-Hand-Regel liefert. Wickelt man den Draht zur Spule, überlagern sich die Kreisfelder zu einem Feld, das dem eines Stabmagneten gleicht und innen homogen ist. Seine Stärke wächst mit und Windungszahl und sinkt mit der Spulenlänge, entscheidend ist also die Windungsdichte. Ein Weicheisenkern verstärkt das Feld um ein Vielfaches, weil das Spulenfeld seine Elementarmagnete ausrichtet; erzeugt wird das Feld aber weiterhin vom Strom, und deshalb verschwindet es beim Abschalten sofort. Genau diese Schaltbarkeit macht Kranmagnet, Klingel, Relais und Lautsprecher möglich.