Elektromagnetismus

Elektrizitätslehre

Elektromagnetismus

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

Geräte:
Netzgerät (elektrische Energiequelle) und Kabel
Spule mit 300 Windungen und Eisenkern
Glühlampe (6V/5A)
Eisennägel

Durchführung:
Die Spule mit dem Eisenkern wird über die Eisennägel gehalten und der Strom eingeschaltet, bzw. das Netzgerät hochgeregelt..

Variationen:
1. Polung des Stromkreises umdrehen.
2. Eisenkern herausnehmen.

Materialbedarf:
1 Batterie (am besten 4,5V - Flachbatterie)
1 Eisen - Nagel (etwa 6cm lang) oder Eisenschraube,
ca. 2m langer Kupferdraht (am besten ist ein 0,3mm dicker lackierter Draht),
Büroklammern,
Kompaß (eventuell geht auch ein kleiner Dauermagnet)

Beachte:
Der Anschluss des Elektromagneten an die Batterie sollte stets nur kurz dauern, da er viel "Stromenergie" verbraucht.

Bauanleitung

  • Entferne zunächst die Isolierung an den beiden Enden des Kupferdrahts auf 1,5cm Länge.
  • Wickle den Kupferdraht wie gezeichnet möglichst oft um den Nagel. Ist dein Draht auf Grund der Plastikisolierung zu dick, kannst du ihn auch in mehreren Lagen wickeln.
  • Befestige an den beiden abisolierten Drahtenden zwei blanke Büroklammern für den Anschluss an die Batterie.

Versuch 1: Magnetische Anziehung

Schließe deinen Elektromagneten an die Batterie und teste ob er Büroklammern anzieht. Zieht er die Büroklammern auch in der Mitte des Nagels und am Kopf an?

Ergebnis:

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Versuch 2: Nord- und Südpol des Elektromagneten

Nähere den Kompass den Enden deines Elektromagneten und stelle auf diese Weise fest, welche magnetische Polung die Nagelspitze und welche der Nagelkopf bei der gezeichneten Schaltung hat. Ergebnis:

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Vertausche die Anschlüsse an der Batterie und teste erneut die magnetische Polung von Nagelspitze und Nagelkopf. Ergebnis:

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Versuch 3: Änderung des Drehsinns der Wicklungen

Ergebnis:

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Versuch 4: Doppelt gewickelt

Welche Ergebnisse erhältst du, wenn du den Draht in der Mitte knickst und wie unten gezeichnet wickelst?

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Der wohl am häufigsten eingesetzte Strommesser ist das Drehspulinstrument. Im nebenstehenden Modellversuch ist eine Spule an leitenden Bändern aufgehängt. Die Spule befindet sich zwischen den Polen eines Hufeisenmagneten.

Fahre mit der Maus über die Zeichnung, dann siehst du die Funktionsweise der Anordnung!

Fließt Strom durch die Spule, so verhält sich diese ähnlich wie ein Stabmagnet. Die Pole des "Spulenmagneten" wechselwirken mit den Polen des Hufeisenmagneten. Es kommt je nach Stromrichtung zu einer Links- bzw. Rechtsdrehung der Spule.
Bei der Drehung der Spule werden die Zuleitungsbänder verdrillt, dadurch dreht sich die Spule nicht beliebig weit. Wird der Strom abgeschaltet, so sorgen die verdrillten Bänder dafür, dass sich die Spule wieder in die Ausgangslage zurückdreht.

 

Bei professionellen Drehspulinstrumenten ist die Drehspule auf einen Eisenkern gewickelt. Fließt Strom so wird auch dieser Eisenkern zum Magneten, die Kräfte auf die Drehspule und damit das Drehmoment werden größer (damit wird das Messgerät empfindlicher).
Die Pole des Dauermagneten sind der runden Form des Spulenmagneten angepasst.
Die Stromzuführung zur Spule erfolgt über Spiralfedern, welche die Funktion der verdrillten Bänder des Modellversuchs übernehmen (rücktreibendes Drehmoment).

 

Lagerung
Für die Lagerung der Drehspule wird bei dem nebenstehenden Instrument die sogenannte Spitzenlagerung verwendet. Hierbei ist die Achse, an der die Spule befestigt ist, an ihren Enden mit Stahlspitzen versehen. Diese Stahlspitzen sind in einem Lager, das meist aus einem Edelstein besteht, geführt. Durch die sehr harten Lagermaterialien wird die Reibung klein gehalten.

Nahezu ohne Reibung kommt man mit der Spannbandlagerung aus. Ähnlich wie bei dem oben dargestellten Modellversuch wird die Spule zwischen zwei metallische Bänder gespannt. Die Spannbänder erfüllen dabei mehrere Funktionen:

  • Stromzuführung
  • Halterung der Spule
  • Erzeugung eines rücktreibenden Drehmoments, wenn die Spule bei Stromfluss im Magnetfeld gedreht wird.

 

Symbole:

Drehspulinstrument
Gerät muss vertikal gelagert werden
Gerät muss horizontal gelagert werden
Die Prüfspannung der
Isolation beträgt 2 kV

Güteklasse::

1
2
3
5
Der Anzeigefehler beträgt
1%
2%
3%
4%
vom Endausschlag

 

Strom- und Spannungsmessung:

  • Wie das Drehspulinstrument als Strom bzw. Spannungsmesser in den Kreis geschaltet wird, erfährst du auf der folgenden Seite.
  • Damit mit dem gleichen Messwerk verschiedene Strombereiche messend erfasst werden können, schaltet man unterschiedlich große Widerstände parallel zum Messwerk. Siehe hierzu auch die Seite zur Messbereichserweiterung von Strommessern.
  • Damit mit dem gleichen Messwerk verschiedene Spannungsbereiche messend erfasst werden können, schaltet man unterschiedlich große Widerstände seriell zum Messwerk. Siehe hierzu auch die Seite zur Messbereichserweiterung von Spannungsmessern.

 

Hans Christian ØRSTED
(1777 - 1851)
von C. A. Jensen (Statens Museum for Kunst) [Public domain], via Wikimedia Commons

Bis zur Entdeckung von Hans Christian ØRSTED waren der Magnetismus und die Elektrizität zwei scheinbar voneinander völlig unabhängige Wissensgebiete. Im Jahre 1819 beobachtete ØRSTED die Ablenkung einer Kompassnadel als Strom durch einen Draht floss, der parallel zur Kompassnadel verlief (ØRSTED kannte den Begriff "Strom" noch nicht, er sprach von einem "elektrischen Conflict").

Die Entdeckung einer grundsätzlichen Verknüpfung zwischen Elektrizität und Magnetismus schlug bei der damaligen wissenschaftlichen Welt wie eine Bombe ein und führte zu hektischen Untersuchungen durch andere Forscher wie z.B. Ampère. Nach all dem wurde klar, dass der durch Strom erzeugte Magnetismus eine Kraft bewirkt. Kräfte können Bewegung erzeugen. Man vermutete deshalb auch, dass umgekehrt eine Bewegung zur Stromerzeugung führen könnte.

Es wird oft behauptet, dass ØRSTED seine Entdeckung rein zufällig machte. Dies ist aber ein Missverständnis: ØRSTED hat bei SCHELLING Naturphilosophie studiert und war voll und ganz davon überzeugt, dass die Natur systematisch aufgebaut ist und hinter allem eine Einheitlichkeit steckt. (Er sah in der Beschäftigung mit der Wissenschaft eine Religion). Die Tatsache, dass er nach einer Verbindung von Elektrizität und Magnetismus suchte, entstammte seiner primären philosophischen Überzeugung, dass es eine solche gab. Man kann auch sagen, dass nur einer, der die prinzipielle Verbindung von Elektrizität und Magnetismus sucht, bei der Ablenkung einer Kompassnadel in der Nähe eines stromführenden Leiters, erkennt dass dies auf dem Strom zurückzuführen ist.


ØRSTED zeigt seinen Versuch

Versuch nach ØRSTED
Ein dicker Kupferdraht wird in die N-S-Richtung aufgestellt. Im Stromkreis bestehend aus Akkumulator, Kupferdraht und Glühlampe stellt die Glühlampe den Stromindikator dar.

Unterhalb des Kupferdrahtes wird eine Kompassnadel aufgestellt, die sich - solange kein Strom fließt - ebenfalls in N-S-Richtung einstellt, also parallel zum Kupferdraht.

Wird der Kreis geschlossen, so dreht sich die Kompassnadel aus der N-S-Richtung, dabei ist die Drehrichtung von der Stromrichtung abhängig.

Fazit:
Ein stromdurchflossener Leiter zeigt in seiner Umgebung eine magnetische Wirkung.

  • In der nebenstehenden Animation hast du zunächst die Wahl, ob der Strom im Testleiter aus der Papierebene heraus oder in die Papierebene hinein fließen soll.
  • Anschließend kannst du noch auswählen, ob sich die Nadel oberhalb oder unterhalb des Testleiters befindet.

Der Versuch von Oerstedt hat gezeigt, dass ein stromdurchflossener Leiter magnetische Wirkungen in seiner Umgebung hervorruft. Wickelt man den Leiter zu einer Spule, so beobachtet man z.B. Kraftwirkungen auf ferromagnetische Körper.

Bringt man parallel zu einem langen Leiter aus Kupfer einen zweiten Kupferleiter, so kommt es - abhängig von der Stromrichtung in diesen Leitern - zu einer Abstoßung bzw. Anziehung der Leiter. Da die hierbei auftretenden Kräfte sehr schwach und somit die Auslenkung der frei hängenden Leiter klein ist, projizieren wir die Leiter mit einem Tageslichtprojektor an die Wand. Somit können wir auch kleinere Auslenkungen feststellen.

Jeder der beiden stromdurchflossenen, nicht-ferromagnetischen Leiter ruft in seiner Umgebung eine magnetische Wirkung hervor. Das Zusammenspiel dieser beiden Wirkungen führt offensichtlich zu den Kräften zwischen den Leitern. Eine genauere Erläuterung für dieses Phänomen wird erst in einer späteren Klasse gegeben.

Die nebenstehende Animation zeigt:

  • Abstoßung der Leiter, wenn sie von entgegengesetzt gerichteten Strömen durchflossen werden.
  • Anziehung der Leiter, wenn sie von gleich gerichteten Strömen durchflossen werden.

 

Hinweis:
Die Kraftwirkung zwischen parallelen, stromdurchflossenen Leitern benutzt man zur Festlegung der Einheit der Stromstärke.


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