Elektromagnetismus

Elektrizitätslehre

Elektromagnetismus

  • Kann man Magnete ein- und ausschalten?
  • Wie funktioniert eine Klingel …
  • … und wie eine elektronische Sicherung?
  • Wie ist ein Drehspulmessinstrument aufgebaut?

Elektromagnet - Heben

Die magnetische Kraftwirkung, die von einem geraden Leiter beim Oerstedt-Versuch ausgeht ist sehr gering. Nur bei hohen Stromstärken wird die Kompassnadel merklich ausgelenkt. Die hierfür erforderliche Kraft ist sehr gering.

Wickelt man Kupferdraht zu einer kleinen Spule, so ist die Kraftwirkung schon höher, aber als praktikabler Hubmagnet für ferromagnetische Stoffe ist diese "Luftspule" noch nicht sonderlich geeignet. Wickelt man allerdings die Spulenwindungen auf einen Eisennagel, so können schon sicher Büroklammern angehoben werden (vgl. nebenstehendes Bild).
In der kleinen Animation wird gezeigt, wie es zur Verstärkung der magnetischen Wirkung durch einen Eisenkern in der Spule kommt:
Zunächst liegen die Elementarmagnete im Eisen regellos durcheinander, ihre magnetische Wirkungen heben sich nach außen auf. Nach dem Einschalten des Spulenstroms richten sich die Elementarmagnete - aufgrund der magnetischen Wirkung der Spule - aus. Nun "addieren" sich ihre magnetischen Wirkungen und verstärken diejenige der Spule.

Verwendet man zwei größere Spulen, die in geeigneter Weise auf einen U-Kern aus Weicheisen aufgesetzt werden, so kann selbst nur mit einer Flachbatterie erreicht werden, dass ein Eisenstück (Joch) an dem ein großer Stein hängt, gehalten wird.
Noch effizienter ist der nebenstehend abgebildete Magnet aufgebaut. Mit ihm können - je nach Ausführung - ferromagnetische Körper (z.B. Schrottautos) mit einer Masse von mehreren Tonnen gehoben werden. Neuerdings werden die Spulen dieser Magneten aus supraleitendem Material (d.h. aus extrem guten Leitern) hergestellt.

Der Vorteil eines Elektromagneten gegenüber einem Permanentmagneten ist die Tatsache, dass beim Abschalten des Spulenstroms die magnetische Wirkung nahezu verschwindet (d.h. das Schrottauto löst sich wieder vom Magneten).

Elektrische Klingel

Fahre mit dem Mauszeiger über die Prinzip-Zeichnung

Durch eine sehr geschickte - aber doch einfache - Schaltung gelingt es mit Hilfe eines Elektromagneten, dass ein Stromkreis selbsttätig aus- und eingeschaltet wird.

Studiere den Stromfluss bei der Animation genau und vergleiche hierzu auch die entsprechende Musteraufgabe.

Die nebenstehende Abbildung zeigt das Schnittbild einer Klingel, wie sie im Handel erhältlich ist. Welche Unterschiede zur oberen Prinzip-Zeichnung sind zu erkennen. Warum sind diese Abänderungen sinnvoll?

 

Relais

Eine sehr wichtige Anwendung der Elektromagneten ist das sogenannten Relais. Es ist ein elektrisch steuerbarer Schalter mit dem Stromkreise ein- und ausgeschaltet werden können. Im Inneren des Relais befindet sich eine Spule, die bei Stromdurchfluss magnetisch wird und auf diese Weise einen metallischen Anker (blau) anzieht. In der unten dargestellten Animation wird der Arbeitskreis in dem sich eine Glühlampe befindet, durch Schließen des Steuerkreises eingeschaltet (durch eine einfache Abänderung könnte ein bereits geschlossener Arbeitskreis auch ausgeschaltet werden).

Ein Vorteil des Relais ist, dass man mit ihm große Ströme im Arbeitskreis mit relativ kleinen Strömen des Steuerkreises (auch aus großer Entfernung) schalten kann. Dabei besteht kein leitender Kontakt zwischen Steuer- und Arbeitskreis (Gefahr-Minimierung). Außerdem können mehrere Kontakte gleichzeitig geöffnet und geschlossen werden.

Es gibt vielfältige Anwendungen des Relais:

  • Ein- und Ausschalten der Treppenbeleuchtung von verschiedenen Punkten aus.
  • Ein- und Ausschalten von verschiedenen Komponenten beim Auto. So wird z.B. der Anlasser, durch den Ströme in der Größenordnung von 100A fließen, mit einem Relais betätigt. Würde der Anlasserstromkreis direkt mit dem Zündschloss geschlossen, so müsste man sehr dicke Kupferleitungen zum Zündschloss legen und wahrscheinlich würde bei den hohen Strömen das Zündschloss zerstört.
  • Haushaltsgeräte wie z.B. Waschmaschinen werden durch elektronische Schaltungen gesteuert, bei denen die Spannungen (vgl. nächstes Kapitel) im Bereich zwischen 6 - 12 V liegen. Mit diesen Spannungen könnte man z.B. nicht direkt den Elektromotor der Waschmaschine aus- und einschalten.
  • Schließen und Öffnen von Kontakten in der Fernsprechtechnik.
  • Der erste funktionierende Computer wurde vor dem 2. Weltkrieg von Konrad Zuse nur mit Relais aufgebaut.

Schaltzeichen

Miniaturrelais


Automatische Sicherung

Sicherungen werden in den Außenleiter (Phase) eingebaut und unterbrechen bei einer Stromstärke, die den Nennstrom übersteigt den Stromkreis. Sie sollen vor allem das Haus vor Kabelerwärmungen an der falschen Stelle schützen und damit Brandgefahr abwenden.

sicherungsarten1

Im Haushalt macht man überwiegend mit drei Arten von Sicherungen Bekanntschaft:

  1. Leitungsschutzschalter
  2. Haushaltsschmelzsicherung
  3. Feinsicherung

Hier soll ausschließlich auf den Leitungsschutzschalter (Sicherungsautomaten) eingegangen werden, da bei ihm die magnetische Wirkung einer stromdurchflossenen Spule ausgenutzt wird. Leitungsschutzschalter befinden sich im »Zählerkasten« (korrekt heißt er Hausverteilung). Sie sichern einzelne Stromkreise (z.B. Keller, Küche, Bad) oder besondere Verbraucher (Waschmaschine, Elektro-Herd) ab.

Schmelzsicherungen werden immer mehr von »Sicherungsautomaten« verdrängt, bei denen man lediglich einen Hebel umlegen oder einen Knopf drücken muss, wenn sie »herausgesprungen« sind.

 

Die nebenstehende Abbildung zeigt dir einen Modellversuch zur magnetischen Sicherung:

  • Der Strom der Quelle fließt durch die Spule, dann durch die Glühlampe und schließlich durch eine Stricknadel, die auf zwei Kohlestiften rollen kann. In dieser Betriebsart ist die Kraft, die der Elektromagnet auf die Stricknadel ausübt zu gering, um sie aus der Ruhe zu bringen.
  • Erzeugt man dagegen bei der Glühlampe einen Kurzschluss (Überbrückung der Glühlampe durch ein Kabel), so wird der Strom im Kreis so groß, dass die Stricknadel vom Elektromagneten angezogen wird und von den beiden Kohlestiften herabrollt. Der Stromkreis wird dadurch unterbrochen.

Ein Sicherungsautomat hat zwei die Sicherung auslösende Elemente:

  • Bei kurzzeitigen zu großen Strömen zieht der eingebaute Elektromagnet den am Kippschalter befestigten Eisenstab in das Spuleninnere und kippt deshalb den Schalter in die untere Stellung und unterbricht dadurch den Stromkreislauf. Die (grüne) Feder hält den Schalter immer in einer der beiden Endstellungen. Fahre mit der Maus über die Zeichnung.
  • Bei geringfügiger aber dauerhafter Überschreitung der Nennstromstärke biegt das Bimetall den Kippschalter in die untere Stellung und unterbricht ebenfalls den Stromkreis. Fahre mit der Maus über die Zeichnung.

Sicherheitstipp:
Ganz generell gilt für alle Arten von Sicherungen: Sie dürfen keinesfalls überbrückt oder geflickt werden, da hierdurch die Leitungen beziehungsweise das Gerät überlastet oder zerstört werden können (mit entsprechender Brandgefahr). Nur ein Elektriker darf eine Sicherung durch eine stärkere Ausführung ersetzen oder einen Leitungsschutzschalter austauschen.

Sicherungen schützen Leitungen und Geräte vor Überlastung und Kurzschluss.
Sicherungen dürfen nicht geflickt oder überbrückt werden.

Nach dem Auslösen einer Sicherung: Immer zuerst den Fehler suchen und beseitigen. Dann die (neue) Sicherung einbauen.

Eine gute Animation und einen Schnitt durch den Sicherungsautomaten findest du auf der Seite:
http://www.schule-bw.de/unterricht/faecher/physik/online_material/e_lehre_1/stromwirk/sicherungsautomat.htm

FI-Schalter

Der Fehlerstromschalter (FI-Schalter)

Der Fehlerstromschalter (FI-Schalter) dient vor allem dem Personenschutz. Er soll den Stromkreis unterbrechen, wenn der Strom außer dem durch den Schaltplan vorgegebenen Weg noch andere Wege geht. Er soll zum Beispiel ausschalten, wenn eine leitende Verbindung zwischen dem Gehäuse eines Geräts und dem Außenleiter (Phase) besteht, oder wenn eine leitende Verbindung zwischen dem Außenleiter und der Wasserleitung hergestellt wird. Deshalb müssen alle Metallgehäuse von Elektrogeräten mit dem Schutzleiter verbunden werden.

FI-Schutzschalter
Der Fehlerstromschutzschalter (FI-Schalter) schaltet bei geringen Fehlerströmen innerhalb 0,1 Sekunden ab. Personenschutz ist nur gewährleistet bei einem Abschaltstrom von höchstens 0,03 Ampere (= 30mA), wie im Bild über der Zahl 21 zu erkennen ist. Der Betreiber soll den Schalter in bestimmten Zeitabständen mit Hilfe der Prüftaste auslösen. Dies ist jedoch eine reine Funktionsprüfung; sie gibt keine Aussage über die tatsächliche Wirksamkeit der Schutzmaßnahme.
Wie der FI-Schalter prinzipiell funktioniert, zeigt nebenstehendes Bild (Mit der Maus drüber fahren). Sowohl der Außenleiter (rot) als auch der Nullleiter (blau) sind mit gleicher Wicklungszahl über eine als Elektromagnet wirkende Spule gewickelt. Im Normalbetrieb verläuft der Strom im Außenleiter und im Nulleiter gegenläufig mit gleicher Stromstärke, so dass sich die magnetischen Wirkungen beider Wicklungen genau aufheben. Geht jedoch auf Grund einer Fehlerquelle ein Teil des durch den Außenleiter zugeführten Stroms nicht durch den Nulleiter, sondern durch den Schutzleiter (oder irgendwie anders) zurück, so überwiegt der Außenleiterstrom im Elektromagnet und er zieht das am Kippschalter befestigte Eisenstück an und unterbricht sich dadurch selbst.

Morse-Apparat

Die ersten Entwürfe für eine "elektrische Nachrichtenübertragung" wie z.B. von Sömmering (galvanischer Telegraph) waren noch zu wenig ausgereift und konnten sich daher nicht durchsetzen. Mit der Entdeckung Oerstedts, dass stromdurchflossene Leiter eine magnetische Wirkung zeigen, setzte sich sehr bald eine neue Variante der Nachrichtenübermittlung, die sogenannte "elektromagnetische Nachrichtenübertragung" durch und fand dann für mehr als hundert Jahre eine weltweite Verbreitung.

Nach Oerstedts Entdeckung stellte man fest, dass stromdurchflossene Spulen (man nannte sie anfangs "Multiplikatoren") eine deutlich stärkere magnetische Wirkung besaßen als gerade Leiter. Schließlich entdeckte man noch die Magnetisierbarkeit von Eisen und Joseph Henry (1799 - 1857) baute schließlich den ersten gut funktionierenden Elektromagnet.

Paul Schilling von Canstatt (1786 - 1837) hatte als russischer Gesandter in München bereits Kenntnis von der Apparatur Sömmerings und entwickelte 1835 einen sogenannten Nadeltelegraphen. Dabei wird die Ablenkung von Kompassnadeln in Elektromagneten zur Zeichengebung eingesetzt. Auch diese Apparatur kam - ähnlich wie die von Sömmering nicht über das Demonstrationsstadium hinaus.

Erst C. F. Gauss und W. Weber stellten einen Ein-Nadel-Telegraphen vor, der sich im praktischen Einsatz bewährte.

Im Jahre 1837 stellte dann der Historienmaler Samuel Morse (1791 - 1872) ein Telegraphensystem vor, das aufgrund seiner Einfachheit und Robustheit für mehr als hundert Jahre zum Einsatz kam. Morse gelangte zu hoher Berühmtheit, obwohl der Münchener Steinheil Monate zuvor eine ähnliche Apparatur mit höherer Betriebssicherheit hergestellt hatte. Böse Zungen behaupten sogar, dass bei Morses Erfindung nicht ein Gedanke sein geistiges Eigentum gewesen sei.

S. F. B. Morse
Als Aufbaugerüst von Morses erstem Apparat diente eine Malerstaffelei. Mit einer Taste (später "Morsetaste" genannt) wird ein Stromkreis bei K geschlossen. Der Elektromagnet F bewegt daraufhin eine Pendelvorrichtung P an der sich ein Bleistift befindet, der über einen Papierstreifen gleitet, welcher von einem Uhrwerk (CDE) über die Rolle B gezogen wird.

 

Im Laufe der Zeit wurde der Vorschlag von Morse perfektioniert. Die nebenstehende Abbildung zeigt ein gängige Anordnung mit der Nachrichten um die Welt geschickt wurden.

Auf dem Papierstreifen wurden kurze und lange Striche geschrieben aus deren Folge man dann die entsprechenden Buchstaben des Alphabets mit Hilfe des Morse-Codes auffinden konnte.

Die nebenstehende Animation zeigt schematisch die Funktionsweise einer "modernen" Morseanlage:

Der Sender besteht nur aus einer Taste, mit der kurze oder lange elektrische Impulse („Striche“ oder „Punkte“) auf eine Leitung übertragen werden. Durch die Fernleitung werden diese Impulse zum  Empfänger übertragen. Der Empfänger besteht aus einem  Elektromagneten über dem ein Anker mit Schreibstift angeordnet ist. Der Elektromagnet zieht nun den Anker im Takt der empfangenen Impulse an den Stift auf den Papierstreifen, der von einem Uhrwerk mit konstanter Geschwindigkeit gezogen wird.

 

 

Aufgabe

Welche Botschaft wurde bei der Animation übermittelt? Benutze das unten dargestellte Morse-Alphabet.

Morsecode:

Morsezeichen optisch:
In der nebenstehenden Abbildung findest du den gesamten - auch heute noch aktuellen - Morse-Code. Für Faule gibt es die Seite http://www.vennfuessler.de/Morsealphabet.html .Hier kann man sich den Morsecode übersetzen lassen.

Beispiel:

Buchstabe
Morse-Code
 
Buchstabe
Morse-Code
 
Buchstabe
Morse-Code
A
.-
 
N
-.
 
0

-----

B
-...
 
O
---
 
1

.----

C
-.-.
 
P
.--.
 
2
..---
D
-..
 
Q
--.-
 
3
...--
E
.
 
R
.-.
 
4
....-
F
..-.
 
S
...
 
5
.....
G
--.
 
T
-
 
6
-...
H
....
 
U
..-
 
7
--...
I
..
 
V
...-
 
8
---..
J
.---
 
W
.--
 
9
----.
K
-.-
 
X
-..-
 
Punkt
.-.-.-
L
.-..
 
Y
-.--
 
Komma
--..--
M
--
 
Z
--..
 
Fragezeichen
..--..

Morsezeichen akustisch:
Das nebenstehende Applet von (Jam Morsezeichen-Ticker), das dankenswerter Weise der Allgemeinheit zur Verfügung gestellt wurde, übersetzt die Morsezeichen in hörbare Signale.

Drücke auf die Taste "Text" und gib den gewünschten Text ein. In kurzer Zeit hörst du dann die Morsezeichen.


Java-Applet öffnen


Transrapid - Magnetschwebebahn

Über den Bau von Schnellbahnen wird in der BRD sehr kontrovers diskutiert. Einerseits könnte eine Schnellbahn mit Geschwindigkeiten um die 400km/h den Flugverkehr innerhalb Deutschlands weitgehend überflüssig machen. Andererseits sind die Kosten für ein solches System sehr hoch, so dass die Gegner fordern, den billigeren ICE weiter voranzutreiben.

Aus physikalischer Sicht ist die Magnetschwebebahn in jedem Fall sehr interessant, da sie sich sehr stark von den bisherigen Eisenbahnen unterscheidet. Die Magnetschwebebahn hat keine Räder, Achsen, Getriebe und Oberleitungen. Sie rollt nicht, sondern sie schwebt. An die Stelle von Rad und Schiene bei der herkömmlichen Eisenbahn tritt beim Transrapid ein berührungsfreies elektromagnetisches - und daher nahezu verschleißfreies - Trage-, Führungs- und Antriebssystem.

 

Das Führungs- und Tragesystem
Tragemagnete ziehen das Fahrzeug von unten an den Fahrweg heran, während die Führungsmagnete es seitlich in der Spur halten. In beiden Fällen handelt es sich um Elektromagnete, die durch ein elektronisches Regelsystem so gesteuert werden, dass der Abstand des Fahrzeugs vom Fahrweg gleichbleibend etwa 10 mm beträgt.

Mit dem Transrapid können Reisegeschwindigkeiten von 400 - 500 km/h erreicht werden.

Wie der Antrieb des Transrapid arbeitet, kann auf dieser Stufe noch nicht erklärt werden. Wenn du trotzdem eine Vorahnung bekommen willst, so kannst du dir den folgenden Abschnitt durchlesen. Außerdem findest du einen Link, der zu interessanten Informationen und Darstellungen führt.

Das Antriebssystem
Der Antrieb des Transrapid erfolgt durch einen Linearmotor (genauer: synchroner Stator-Linearmotor). In den grün gezeichneten Elektromagneten (Statorspulen), die in Dreierpaketen längs des Fahrwegs angebracht sind, wird ein magnetisches Wanderfeld erzeugt, das sich längs des Fahrweges ausbreitet. Von diesem Wanderfeld wird das Fahrzeug durch seine als Ankermagnete wirkenden Tragmagnete (rot) mitgezogen. Beschleunigt und gebremst wird nicht vom Fahrzeug selbst, sondern indem die Frequenz und die Stärke des durch die Schienenmagnete erzeugten Wanderfeldes reguliert wird. Um Energieverluste zu vermeiden, werden immer nur die Statorspulen des Fahrwegs eingeschaltet, bei denen sich der Transrapid gerade befindet.
Die Technik und der Aufbau des Transrapid ermöglichen eine relativ hohe Sicherheit für die Passagiere. Durch die Umschließung des Fahrweges ist eine Entgleisung prinzipiell unmöglich. Sollte es zu einem Stromausfall o.ä. kommen, setzt der Transrapid auf Kufen auf und gleitet dann wie ein Schlitten.

Der gesamte Fahrweg stellt den Stator eines in die Länge gezogenen Elektromotors dar. Man rechnet etwa mit Investitionskosten von ca. 9 Millionen Euro pro Kilometer Fahrweg. Anders als bei herkömmlichen Verkehrsmitteln sitzt also ein wesentlicher Teil des Motors beim Transrapid nicht im Zug, sondern im Fahrweg. Dies hat den Vorteil, dass die Magnetschwebebahn erheblich leichter ist als eine herkömmliche Zuggarnitur.

 

Ausführliche Informationen über den Transrapid erhältst du auf der Seite: http://www.transrapid.de/cgi-tdb/de/basics.prg?session=5496df8e4372255c. Hier gibt es auch eine kleine Animation zum Tragesystem und zum Antrieb des Transrapid.

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