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Grundwissen

Magnetische Wirkung des elektrischen Stroms

Das Wichtigste auf einen Blick

  • Elektrischer Strom besitzt eine magnetische Wirkung, die bei einem einfachen geraden Leiter jedoch sehr schwach ist.
  • Wird in eine Spule ein ferromagnetischer Stoff wie Eisen eingebracht, verstärkt sich die magnetische Wirkung sehr deutlich.
  • Ein großer Vorteil von Elektromagneten ist, dass ihre magnetische Wirkung beim Abschalten des Stroms nahezu verschwindet.
Aufgaben Aufgaben

Nachweis der magnetischen Wirkung im ØRSTED-Versuch

Ausschlag der Magnetnadel im Oersted-Versuch
Abb. 1 Magnetische Wirkung von Strom im Oersted-Versuch

Dass ein elektrischer Stromfluss durch einen Leiter eine magnetische Kraftwirkung erzeugt, entdeckte der Physiker Hans Christian ØERSTED im Jahr 1819. Allerdings ist die magnetische Kraftwirkung eines geraden Leiters nicht sehr groß. Im Ørsted-Versuch (Abb. 1) ist ein großer Strom durch den geraden Leiter notwendig, damit eine leicht drehbare Magnetnadel ausschlägt. Die entsprechende magnetische Kraftwirkung, die von dem Leiter ausgeht ist also sehr gering.

Wicklung in Spulenform und Eisenkern

Von einer Spule umwickelter Eisennagel als Elektromagnet
Abb. 2 Von einer Spule umwickelter Eisennagel als Elektromagnet

Wickelst du jedoch einen Leiter wie Kupferdraht zu einer kleinen Spule, so ist die Kraftwirkung schon deutlich höher. Als praktikabler Hubmagnet für ferromagnetische Stoffe ist diese "Luftspule" jedoch noch immer nicht stark genug.

Wickelst du allerdings wie in Abb. 2 die Spulenwindungen auf einen Eisennagel, so kannst du schon sicher mithilfe der magnetischen Kräfte Büroklammern anheben. Der Eisennagel verstärkt also die magnetische Kraftwirkung, die vom Stromfluss durch die Spule ausgeht.

Modellvorstellung zur Verstärkung der magnetischen Wirkung

Abb. 3 Aufbau und Funktionsweise eines Elektromagneten mit Eisenkern

In der kleinen Animation in Abb. 2 wird modellhaft gezeigt, wie es zur Verstärkung der magnetischen Wirkung durch einen Eisenkern in der Spule kommt:

Eisen ist ein sogenannter Ferromagnet und besitzt modellhaft viele kleine Elementarmagnete. Zunächst liegen diese Elementarmagnete im Eisen völlig regellos durcheinander, ihre magnetische Wirkungen heben sich nach außen auf. Daher kannst du nur mit einem Eisennagel keine Büroklammern anheben.

Bringst du den Eisennagel aber ins innere einer Spule und lässt Strom durch die Spule fließen, so richten sich die Elementarmagnete aufgrund der magnetischen Wirkung der Spule aus. Nun "addieren" sich die magnetischen Wirkungen der Elementarmagnete und verstärken die magnetische Wirkung der Spule.

Starke Elektromagnete

Abb. 4 Mit einem Elektromagneten kann Metallschrott aufgenommen werden

Verwendet man größere Spulen und nutzt höhere Ströme, so können mit Elektromagneten auch sehr große Lasten angehoben werden, wenn diese aus ferromagnetischem Material wie Eisen, Nickel oder Kobalt bestehen. So werden z.B. auf dem Schrottplatz alte Autos mithilfe von Elektromagneten angehoben.

Neuerdings werden die Spulen dieser Magnete aus supraleitendem Material (d.h. aus extrem guten Leitern) hergestellt, sodass sehr große Ströme durch die Spulen fließen können und extrem starke magnetische Kräfte entstehen.

Vorteile von Elektromagneten

Ein Vorteil der Elektromagnete ist ihre Stärke. Mithilfe von Elektromagneten können deutlich größere magnetische Kräfte aufgebracht werden, als das mit klassischen Dauermagneten und auch größere Kräfte als mit Neodymmagneten.

Der zweite große Vorteil eines Elektromagneten gegenüber einem Permanentmagneten ist die Tatsache, dass beim Abschalten des Spulenstroms die magnetische Wirkung nahezu verschwindet. Nur so löst sich ein Schrottauto wieder vom Magneten.