Physik - 20. Folge Elektromagnetismus
Elektrizität und Magnetismus sind eng miteinander verknüpft. In dieser Folge wird vor allem die magnetische Wirkung von elektrischem Strom behandelt. Aber auch das Phänomen des Dauermagnetismus hat mit den elektrischen Eigenschaften von Atomen zu tun.
Die Folge gliedert sich in folgende Abschnitte:
Elektromagnetismus - Inhaltsübersicht
- 1. Dauermagnete
- 2. Magnetisches Feld
- 3. Magnetfeld des elektrischen Stroms
- 4. Anwendungen für Elektromagneten
- 5. Mikroskopische Vorstellung für Ferromagnetismus
1. Dauermagnete
Überblick Magnetismus
Kompass
Das Herzstück eines Kompasses ist eine frei drehbar gelagerte Magnetnadel, die sich im Magnetfeld der Erde in Nord-Südrichtung ausrichtet. Das Ende, das zum geografischen Nordpol zeigt, wird als (magnetischer) Nordpol bezeichnet, das andere Ende entsprechend als Südpol.
Definition Nord- / Südpol
Als Farbmarkierung sind im deutschsprachigen Raum die Farben rot für Nordpol und grün für Südpol sehr einprägsam.
Die Pole der Erde
Als Konsequenz dieser Definition der Magnetpole ergibt sich, dass beim geografischen Nordpol der Erde ein magnetischer Südpol liegen muss, denn der Nordpol der Magnetnadel wird von einem ungleichnamigen Pol angezogen.
Magnetfeld der Erde
Das Magnetfeld der Erde ist zwar seit vielen Jahrtausenden gleichgerichtet, aber dies war nicht immer so. Aus magnetischen Untersuchungen erstarrter Lava in der atlantischen Bruchzone bei Island lässt sich ermitteln, dass die Magnetfeldrichtung der Erde in unregelmäßigen Zeitabständen immer wieder wechselt.
Versuch mit Dauermagnet: Er zieht Eisen an, nicht aber viele andere Metalle. (Klicken Sie bitte auf die Lupe)
Bei magnetischen Materialien unterscheidet man Eisenkerne beziehungsweise Weicheisenstücke und Dauermagnete beziehungsweise hartmagnetische Materialien. Dauermagnete ziehen Gegenstände aus Eisen an, nicht aber viele andere Metalle wie Messing, Kupfer, Aluminium, Gold.
In der Nähe eines Dauermagneten wird ein Eisenkern zum Magneten. Man nennt dies magnetische Influenz. (Klicken Sie bitte auf die Lupe)
Ein Eisenkern alleine zeigt keine magnetische Wirkung. Erst in der Nähe eines Dauermagneten wird das "weichmagnetische" Material zu einem starken Magneten, das Büroklammern aus Eisen anziehen kann. Dabei werden auch diese magnetisiert und sie ziehen weitere Klammern an.
Dieses Phänomen nennt man magnetische Influenz.
2. Magnetisches Feld
Ein Dauermagnet in Stabform hat seine größte Kraftwirkung an den Polen.
Ein Dauermagnet in Stabform hat seine größte Kraftwirkung an den Enden, also an den Polen. In der Mitte dagegen heben sich die Kraftwirkungen der beiden Pole gegenseitig auf.
Stapel von wechselweise abstoßenden Magnetringen
Mit einem Stapel von wechselweise abstoßenden Magnetringen, kann auf die Abnahme der magnetischen Kraftwirkung mit dem Abstand geschlossen werden. Die Ringe werden von oben nach unten nummeriert. Obwohl der dritte Ring doppelt so viel Gewicht trägt wie der zweite ist der Abstand des dritten Rings vom zweiten größer als die Hälfte des Abstands des zweiten Rings vom obersten.
Die Richtung der magnetischen Feldlinien eines Dauermagneten verkäuft von seinem Nordpol zu seinem Südpol.
In der Nähe eines Stabmagneten orientieren sich Magnetnadeln vom Nord- zum Südpol und markieren so eine sogenannte Feldlinie.
Magnetismus - weitere Beispiele
Feldlinien der Erde
Auch für das Magnetfeld der Erde lassen sich mit einer Magnetsonde Feldlinien finden. Diese verlaufen keineswegs parallel zur Erdoberfläche, sondern schließen je nach Ort auf der Erde unterschiedliche Inklinationswinkel mit der Waagrechten ein.
Magnetisches Feld 1
Das magnetische Feld eines Stabmagneten wird mit einer Anordnung vieler Magnetnadeln gezeigt.
Magnetisches Feld 2
Mit einer Aufschwemmung von Eisenpartikeln in einer Spezialflüssigkeit lässt sich das Magnetfeld eines Stabmagneten sogar dreidimensional darstellen.
Homogenes Feld
Den Spezialfall eines homogenen Feldes mit parallelen Feldlinien erhält man u.a. mit einem Hufeisenmagneten.
3. Magnetfeld des elektrischen Stroms
Der dänische Physiker Hans Christian Ørsted entdeckte, dass sich eine Magnetnadel unter einem in Nord-Süd-Richtung liegenden elektrischen Leiter etwas in Ost-West-Richtung dreht, dass also das Magnetfeld der Erde vom Magnetfeld des Leiters überlagert wird.
Magnetfeld eines geraden Leiters
Das Magnetfeld eines geraden Leiters zeigt geschlossene konzentrische Kreise, die innen dichter, außen weniger dicht liegen. Es ist wichtig, dass Sie hier erkennen, dass der Magnetismus von Strömen keine magnetischen Pole bildet!
Magnetfeld einer Leiterspule
Windet man einen Leiter zu einer Spule, dann werden die Magnetfelder der Leiterstücke zum Magnetfeld einer Spule aufgewickelt. Im Innern der Spule ergibt sich ein verstärktes, nahezu homogenes Feld, im Außenbereich schließen sich die Feldlinien. Wiederum bilden sich keine Nord- oder Südpole aus. In Analogie zum Stabmagneten definiert man dennoch in künstlicher Weise die Pole einer Spule, indem man nur das Außenfeld betrachtet. Die Öffnung, aus der die Feldlinien nach außen laufen, wird als Nordpol, die Öffnung, in die Feldlinien nach innen laufen, als Südpol bezeichnet.
Mit einem Messgerät für magnetische Feldstärke, einem sogenannten Teslameter, wird die Abhängigkeit der magnetischen Wirkung einer Spule von ihren Baugrößen untersucht. Die magnetische Feldstärke ist proportional zur Stromstärke und zum Quotienten aus Windungszahl und Länge der Spule.
4. Anwendungen für Elektromagnete
Es gibt viele praktische Anwendungen des Elektromagnetismus - hier einige Beispiele:
Praktische Anwendungsbeispiele
Kernspinröhre
Das extrem starke Magnetfeld der supraleitenden Spule einer Kernspinröhre wird für die Kernspintomographie benötigt. Damit können Teile des menschlichen Körpers schichtweise sichtbar gemacht werden, um zum Beispiel krankhafte Veränderungen genau zu lokalisieren.
Relais
Bei einem Relais schaltet ein erster Stromkreis über einen Elektromagneten den Schalter eines zweiten Stromkreises. Beide Kreise haben dabei keine elektrische Verbindung, so dass zum Beispiel mit einer ungefährlichen Niederspannung eine Hochspannung geschaltet werden kann. Man kann auch den zweiten Stromkreis genau dann einschalten, wenn der Relaiskreis geöffnet wird.
Elektromotor
Bei einem Elektromotor dreht sich ein drehbar gelagerter Elektromagnet im Magnetfeld eines Dauermagneten. Nach jeweils einer Halbdrehung muss der Strom mit Hilfe eines "Kommutators" in der Ankerspule umgepolt werden, damit eine kontinuierliche Rotation erreicht wird.
Haltemagnet
Ein elektrischer Haltemagnet verblüfft bereits bei kleinen Spannungen und Strömen durch seine sehr große Haltekraft. Außerdem kann man einen Elektromagneten im Gegensatz zu einem Dauermagneten ein- und ausschalten.
5. Mikroskopische Vorstellung zum Ferromagnetismus
Die magnetische Eigenschaft von Eisen
Die magnetische Eigenschaft von Eisen erklärt sich aus der Orientierung der sogenannten Spins der Elektronen in den Nebenschalen. Beim besonders starken Ferromagnetismus kommt noch dazu, dass sich die magnetischen Momente von Einzelatomen in kleinen Bereichen, den magnetischen Domänen, gleichrichten. Bei einem unmagnetisch wirkenden Weicheisen sind die Orientierungen der Domänen beliebig in alle möglichen Richtungen verteilt, so dass sich die magnetischen Effekte insgesamt aufheben.
Durch die gleiche Ausrichtung vieler Domänen verstärkt sich das Feld.
Im starken äußeren Feld eines Dauermagneten oder eines Elektromagneten richten sich viele Domänen gleich aus und bewirken so eine Verstärkung des Feldes. Die magnetischen Eigenschaften von Materialien sind noch immer ein interessantes Gebiet für aktuelle Forschungen.
Überprüfen Sie Ihr Wissen!
