Einstieg
Auf einem Schrottplatz hebt ein Kran mit einer großen runden Scheibe ein ganzes Autowrack an. Über einem Container lässt er es einfach fallen. Ein Dauermagnet könnte das nicht: Er würde das Wrack festhalten. Der Kran benutzt einen Magneten, den man ein- und ausschalten kann. Er heißt Elektromagnet.
Erklärung
Elektrischer Strom erzeugt ein Magnetfeld
Im Jahr 1820 bemerkte der dänische Physiker Hans Christian Ørsted, dass eine Kompassnadel ausschlägt, wenn neben ihr ein Draht von elektrischem Strom durchflossen wird. Schaltet man den Strom ab, dreht sich die Nadel zurück. Daraus folgt: Um einen stromdurchflossenen Draht entsteht ein Magnetfeld.
Vom Draht zur Spule
Das Feld eines geraden Drahtes ist schwach. Wickelt man den Draht zu einer Spule auf, verstärken sich die Felder der einzelnen Windungen. Eine stromdurchflossene Spule wirkt wie ein Stabmagnet: Sie hat einen Nordpol und einen Südpol. Den Draht nennt man Kupferlackdraht: Er ist mit einer dünnen Lackschicht isoliert, damit der Strom durch jede Windung fließt und nicht von Windung zu Windung springt.
Steckt man einen Eisenkern in die Spule, wird die Wirkung viel stärker. Das Magnetfeld der Spule ordnet die Elementarmagnete im Eisen, und der Kern wird selbst zum Magneten. Für den Kern nimmt man Weicheisen, weil es beim Ausschalten seine Ordnung schnell wieder verliert.
Eigenschaften eines Elektromagneten
- Er wirkt nur, solange Strom fließt. Er ist ein- und ausschaltbar.
- Er wird stärker, wenn die Spule mehr Windungen hat, wenn mehr Strom fließt und wenn ein Eisenkern darin steckt.
- Polt man die Batterie um, tauschen Nord- und Südpol der Spule ihre Plätze.
Elektromagnete im Alltag
- Lasthebemagnet am Schrottplatz: hebt Eisenschrott, lässt ihn beim Ausschalten fallen.
- Elektrischer Türöffner: Drückt jemand den Knopf in der Wohnung, zieht ein Elektromagnet an der Haustür einen Riegel zur Seite.
- Elektrische Klingel: Ein Elektromagnet zieht einen Klöppel an, der an eine Glocke schlägt. Dabei unterbricht er selbst den Strom, der Klöppel federt zurück, und alles beginnt von vorn.
- Relais: Ein kleiner Strom schaltet über einen Elektromagneten einen zweiten Stromkreis.
Versuch: Ein Elektromagnet aus einem Nagel
Material: großer Eisennagel (etwa 10 cm), 2 bis 3 m Kupferlackdraht, Flachbatterie 4,5 V, Schalter, zwei Kabel mit Krokodilklemmen, Büroklammern.
- Wickle 25 Windungen des Drahtes dicht nebeneinander um den Nagel. Lass an beiden Enden etwa 20 cm Draht frei.
- Die Lehrkraft oder du entfernst an den beiden Drahtenden auf 1 cm den Lack mit Schleifpapier.
- Baue den Stromkreis nach dem Schaltplan auf: Batterie, Schalter, Spule.
- Schließe den Schalter, halte den Nagel über die Büroklammern und zähle, wie viele er hebt. Öffne den Schalter wieder.
- Wiederhole den Versuch mit 50 Windungen.
Sicherheit: Arbeite nur mit der Batterie, niemals mit der Steckdose. Die Spule hat nur einen kleinen Widerstand, dadurch fließt ein großer Strom. Draht und Batterie werden schnell warm. Schalte den Strom deshalb jeweils nur für wenige Sekunden ein, und fasse den Draht nach längerem Einschalten nicht an.
Beispielmesswerte einer Gruppe:
| Spule | angehobene Büroklammern |
|---|---|
| ohne Strom | 0 |
| 25 Windungen | 4 |
| 50 Windungen | 9 |
Die Zahlen hängen von Nagel, Draht und Batterie ab. Wichtig ist der Vergleich: Mehr Windungen heben mehr Büroklammern.
Beispiele
Beispiel 1: Warum kein Stahlkern?
Ein Kran mit einem Kern aus Stahl würde den Schrott nach dem Ausschalten nicht vollständig loslassen. Stahl behält die Ordnung der Elementarmagnete. Mit Weicheisen geht die Wirkung beim Ausschalten fast ganz verloren.
Beispiel 2: Pole einer Spule bestimmen
Eine Spule ist eingeschaltet. Ein Kompass liegt an ihrem linken Ende, sein roter Nordpol zeigt zur Spule hin. Also ist das linke Ende der Spule ein Südpol, das rechte ein Nordpol. Nach dem Umpolen der Batterie dreht sich die Kompassnadel um.
Merksatz
Ein stromdurchflossener Draht ist von einem Magnetfeld umgeben. Eine Spule mit Eisenkern, durch die Strom fließt, ist ein Elektromagnet. Er wirkt nur, solange Strom fließt. Mehr Windungen, mehr Strom und ein Eisenkern machen ihn stärker. Beim Umpolen tauschen die Pole.
Übungen
Grundlagen
- Nenne zwei Unterschiede zwischen einem Elektromagneten und einem Dauermagneten.
- Nenne drei Möglichkeiten, einen Elektromagneten stärker zu machen.
- Erkläre, warum man für eine Spule isolierten Draht braucht.
Weiter
- Begründe, warum der Kern eines Lasthebemagneten aus Weicheisen besteht.
- Bei einem Versuch hebt die Spule mit Eisenkern 9 Büroklammern. Ohne Eisenkern sind es 0. Deute das Ergebnis mit dem Modell der Elementarmagnete.
- Erkläre, warum man den Strom beim Versuch mit dem Nagel nur kurz einschalten soll.
Knobeln
- Ein Lasthebemagnet hält eine schwere Stahlplatte. Plötzlich fällt der Strom aus. Beschreibe die Gefahr und eine Sicherheitsregel, die daraus folgt.
- Plane einen Versuch, mit dem du zeigst, dass sich die Pole eines Elektromagneten beim Umpolen der Batterie vertauschen.
Lösungen
- Der Elektromagnet lässt sich ein- und ausschalten, der Dauermagnet nicht. Beim Elektromagneten kann man die Stärke verändern und die Pole durch Umpolen tauschen.
- Mehr Windungen, mehr Strom (zum Beispiel eine Batterie mit höherer Spannung), einen Eisenkern einsetzen.
- Ohne Isolierung würde der Strom von einer Windung direkt in die nächste fließen und nicht um den Kern herum. Die Spule wirkte dann kaum als Magnet.
- Weicheisen lässt sich leicht magnetisieren und verliert die Wirkung beim Ausschalten schnell. So lässt der Kran den Schrott sicher los.
- Das Magnetfeld der Spule allein ist schwach. Mit Eisenkern ordnet es die Elementarmagnete im Eisen. Deren Wirkungen addieren sich zu dem Feld der Spule, dadurch wird der Magnet viel stärker.
- Der Kupferdraht hat nur einen kleinen Widerstand, deshalb fließt ein großer Strom. Draht und Batterie werden warm, man kann sich verbrennen, und die Batterie ist schnell leer.
- Ohne Strom verliert der Magnet sofort seine Haltekraft, die Platte fällt herunter. Regel: Nie unter einer angehobenen Last stehen oder hindurchgehen.
- Einen Kompass an ein Ende der Spule legen und den Strom einschalten. Notieren, wohin der Nordpol der Nadel zeigt. Dann die Kabel an der Batterie vertauschen und erneut einschalten. Zeigt die Nadel nun in die Gegenrichtung, haben die Pole getauscht.