Magnetische Wirkung des elektrischen Stroms - Physik
Magnetische Wirkung des elektrischen Stroms - Physik
Einleitung
Elektrischer Strom kann nicht nur Geräte erwärmen oder Lampen zum Leuchten bringen. Er besitzt auch eine magnetische Wirkung: Sobald Strom durch einen Leiter fließt, entsteht um den Leiter ein Magnetfeld. Diese Verbindung zwischen Elektrizität und Magnetismus ist die Grundlage für Elektromagnete, Relais, elektrische Klingeln, Lautsprecher und Elektromotoren.
Die Abbildung zeigt den Grundversuch: Ein stromdurchflossener Draht lenkt eine Kompassnadel ab. Ohne Strom richtet sich die Nadel vor allem nach dem Erdmagnetfeld aus. Mit Strom wirkt zusätzlich das Magnetfeld des Leiters.
In diesem aiMOOC lernst Du, wie das Magnetfeld um einen geraden Leiter und eine Spule aussieht, wie Du seine Richtung bestimmst und warum ein Eisenkern die magnetische Wirkung verstärkt.
Der Ørsted-Versuch
Der dänische Physiker Hans Christian Ørsted beobachtete im Jahr 1820, dass eine Kompassnadel neben einem stromdurchflossenen Draht ihre Richtung ändert. Damit wurde experimentell gezeigt, dass elektrischer Strom ein Magnetfeld erzeugt.
Für einen Schulversuch benötigst Du eine Kleinspannungsquelle, einen Schalter, einen geraden Draht und einen Kompass. Der Draht wird möglichst parallel zur Kompassnadel über oder unter dem Kompass angeordnet.
| Versuchssituation | Beobachtung | Schlussfolgerung |
|---|---|---|
| Schalter offen | Die Kompassnadel zeigt ungefähr in Nord-Süd-Richtung. | Es wirkt vor allem das Erdmagnetfeld. |
| Schalter geschlossen | Die Kompassnadel wird abgelenkt. | Der elektrische Strom erzeugt ein Magnetfeld. |
| Stromrichtung umgekehrt | Die Nadel schlägt in die andere Richtung aus. | Die Feldrichtung hängt von der Stromrichtung ab. |
Sicherheit: Verwende nur geeignete Kleinspannung. Vermeide Kurzschlüsse und schalte den Strom nach der Beobachtung wieder aus, weil sich Draht und Batterie erwärmen können.
Magnetfeld um einen geraden Leiter
Die Feldlinien um einen langen geraden Leiter bilden geschlossene Kreise. Der Leiter liegt im Mittelpunkt dieser Kreise. Je weiter ein Punkt vom Leiter entfernt ist, desto schwächer ist dort das Magnetfeld.
Die Rechte-Faust-Regel
Für die Richtung des Magnetfeldes verwendest Du die technische Stromrichtung von Plus nach Minus:
- Richte den Daumen der rechten Hand in technische Stromrichtung.
- Die gekrümmten Finger zeigen die Umlaufrichtung der magnetischen Feldlinien.
Wird die Stromrichtung umgekehrt, kehrt sich auch die Richtung des Magnetfeldes um. Das ist am entgegengesetzten Ausschlag einer Kompassnadel erkennbar.
Stärke des Magnetfeldes
Das Magnetfeld wird stärker, wenn die Stromstärke zunimmt. Es wird schwächer, wenn der Abstand zum Leiter größer wird. Für einen sehr langen geraden Leiter in Luft gilt näherungsweise:
Dabei ist die magnetische Flussdichte, die Stromstärke und der Abstand vom Leiter. ist die magnetische Feldkonstante. Für viele Schulversuche genügt die Aussage: Mehr Strom bedeutet ein stärkeres Magnetfeld; mehr Abstand bedeutet ein schwächeres Magnetfeld.
Magnetfeld einer Spule
Eine Spule besteht aus vielen Drahtwindungen. Die Magnetfelder der einzelnen Windungen überlagern sich. Im Inneren der Spule zeigen sie weitgehend in dieselbe Richtung und verstärken sich. Außen ähnelt das Feld dem Feld eines Stabmagneten.
Eine stromdurchflossene Spule besitzt einen Nordpol und einen Südpol. Wird die Stromrichtung umgekehrt, tauschen die Pole ihre Seiten. Bei der Rechte-Faust-Regel für die Spule folgen die Finger der technischen Stromrichtung in den Windungen. Der Daumen zeigt die Feldrichtung im Inneren und zum Nordpol der Spule.
Das Feld einer langen Luftspule lässt sich näherungsweise beschreiben durch:
Dabei ist die Zahl der Windungen pro Spulenlänge. Das Magnetfeld wird also stärker, wenn die Stromstärke oder die Windungsdichte zunimmt.
Der Elektromagnet
Ein Elektromagnet besteht meist aus einer Spule und einem Kern aus weichmagnetischem Eisen. Fließt Strom, magnetisiert das Feld der Spule den Eisenkern. Dadurch wird das Magnetfeld deutlich stärker. Nach dem Ausschalten verliert weichmagnetisches Eisen den größten Teil seiner Magnetisierung wieder.
Die Stärke eines einfachen Elektromagneten kann durch drei Maßnahmen erhöht werden: eine größere Stromstärke, mehr Windungen und einen geeigneten Eisenkern. Dabei muss beachtet werden, dass ein größerer Strom die Spule stärker erwärmt.
Dauermagnet und Elektromagnet im Vergleich
| Merkmal | Dauermagnet | Elektromagnet |
|---|---|---|
| Magnetwirkung | dauerhaft vorhanden | nur bei Stromfluss stark vorhanden |
| Ein- und Ausschalten | nicht einfach möglich | durch einen Schalter möglich |
| Polung | fest | durch Umkehrung der Stromrichtung umkehrbar |
| Stärke | meist fest vorgegeben | durch Stromstärke, Windungszahl und Kern veränderbar |
Anwendungen
Elektromagnete werden verwendet, wenn eine Magnetwirkung gezielt ein- und ausgeschaltet oder verändert werden soll. Ein Relais schaltet mit einem kleinen Steuerstrom einen anderen Stromkreis. Ein Hebemagnet hebt Eisenteile an und lässt sie nach dem Ausschalten wieder fallen. In einer elektrischen Klingel zieht ein Elektromagnet einen beweglichen Anker an.
Auch in Lautsprechern, Türöffnern, Magnetventilen und vielen Elektromotoren spielt die magnetische Wirkung des Stroms eine wichtige Rolle. Beim Motor kommt zusätzlich die Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter in einem äußeren Magnetfeld hinzu.
Abgrenzung zur elektromagnetischen Induktion
Bei der magnetischen Wirkung erzeugt ein elektrischer Strom ein Magnetfeld. Bei der elektromagnetischen Induktion ist die Wirkungsrichtung umgekehrt: Ein sich änderndes Magnetfeld kann eine elektrische Spannung erzeugen. Beide Vorgänge gehören zum Elektromagnetismus, sind aber nicht dasselbe.
Merksätze
- Jeder stromdurchflossene Leiter erzeugt ein Magnetfeld.
- Um einen geraden Leiter verlaufen die Feldlinien kreisförmig.
- Die Feldrichtung hängt von der technischen Stromrichtung ab.
- In einer Spule verstärken sich die Magnetfelder der Windungen.
- Ein Eisenkern verstärkt das Magnetfeld einer Spule.
- Ein Elektromagnet ist schaltbar und seine Polung ist umkehrbar.
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Was entsteht um einen stromdurchflossenen Leiter? (Ein Magnetfeld) (!Ein Schallfeld) (!Ein Vakuum) (!Ein Gravitationszentrum)
Womit wird die magnetische Wirkung eines geraden Leiters im Ørsted-Versuch nachgewiesen? (Mit einer Kompassnadel) (!Mit einem Thermometer) (!Mit einer Waage) (!Mit einem Prisma)
Welche Form haben die Feldlinien um einen langen geraden Leiter? (Kreisförmige Linien) (!Gerade parallele Linien) (!Dreieckige Linien) (!Offene Spiralen)
Was zeigt bei der Rechte-Faust-Regel der Daumen? (Die technische Stromrichtung) (!Die Bewegungsrichtung der Kompassnadel) (!Die Richtung der Gewichtskraft) (!Die Richtung des elektrischen Widerstands)
Was geschieht mit der Feldrichtung, wenn die Stromrichtung umgekehrt wird? (Sie kehrt sich um) (!Sie bleibt unverändert) (!Sie verschwindet dauerhaft) (!Sie wird zur Wärmerichtung)
Warum ist das Magnetfeld einer Spule stärker als das einer einzelnen Windung? (Die Felder der Windungen überlagern sich) (!Die Spule erzeugt neue Elektronen) (!Der Draht wird automatisch länger) (!Die Spannung wird immer null)
Welcher Kern verstärkt einen schulischen Elektromagneten besonders gut? (Ein weichmagnetischer Eisenkern) (!Ein Holzkern) (!Ein Glaskern) (!Ein Kunststoffkern)
Welche Maßnahme verstärkt das Magnetfeld einer Spule? (Mehr Windungen) (!Weniger Strom und weniger Windungen) (!Ein größerer Abstand zum Leiter) (!Das Öffnen des Stromkreises)
Welcher Vorteil ist typisch für einen Elektromagneten? (Er kann ein- und ausgeschaltet werden) (!Er benötigt niemals Energie) (!Seine Pole können nicht verändert werden) (!Er wirkt nur auf Kunststoff)
Was beschreibt elektromagnetische Induktion? (Ein veränderliches Magnetfeld erzeugt eine Spannung) (!Ein ruhender Körper erzeugt Wärme) (!Ein offener Stromkreis erzeugt ständig Strom) (!Ein Dauermagnet verliert immer sofort seine Wirkung)
Memory
| Stromdurchflossener Leiter | erzeugt ein Magnetfeld |
| Ørsted-Versuch | Kompassnadel wird abgelenkt |
| Kreisförmige Feldlinien | verlaufen um den geraden Leiter |
| Rechte-Faust-Regel | bestimmt die Feldrichtung |
| Spule | bündelt die Felder vieler Windungen |
| Eisenkern | verstärkt die magnetische Wirkung |
| Elektromagnet | ist ein schaltbarer Magnet |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Magnetische Wirkung |
|---|---|
| Gerader Leiter | Kreisförmige Feldlinien |
| Spule | Gebündeltes Magnetfeld |
| Eisenkern | Verstärkung des Spulenfeldes |
| Stromumkehr | Umkehrung der Feldrichtung |
| Elektrische Klingel | Anwendung eines Elektromagneten |
...
Kreuzworträtsel
| Oersted | Welcher Forscher wies die magnetische Wirkung des Stroms mit einer Kompassnadel nach? |
| Kompass | Welches Messhilfsmittel zeigt im Grundversuch die Feldwirkung an? |
| Spule | Wie heißt ein Leiter mit vielen Windungen? |
| Eisenkern | Welcher Bestandteil verstärkt das Magnetfeld im Inneren einer Spule? |
| Magnetfeld | Was entsteht um einen stromdurchflossenen Leiter? |
| Elektromagnet | Wie heißt ein durch Strom schaltbarer Magnet? |
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Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Versuchszeichnung: Zeichne den Aufbau des Ørsted-Versuchs und beschrifte Stromquelle, Schalter, Draht und Kompass.
- Feldlinienbild: Zeichne kreisförmige Feldlinien um einen geraden Leiter und kennzeichne ihre Richtung.
- Alltagsbeispiele: Fotografiere oder skizziere drei Geräte, in denen vermutlich ein Elektromagnet arbeitet, und begründe Deine Auswahl.
- Merksatzkarte: Gestalte eine Lernkarte zur Rechte-Faust-Regel mit Bild und kurzem Merksatz.
Standard
- Ørsted-Experiment: Führe den Versuch unter Aufsicht mit Kleinspannung durch, protokolliere die Beobachtung und kehre die Stromrichtung um.
- Elektromagnet bauen: Wickle isolierten Draht um einen Eisennagel und untersuche, wie viele Büroklammern der Magnet kurzzeitig anheben kann.
- Windungszahl untersuchen: Vergleiche zwei Spulen mit unterschiedlicher Windungszahl bei gleicher Stromquelle und dokumentiere das Ergebnis.
- Erklärvideo: Produziere ein einminütiges Video, das die magnetische Wirkung des Stroms mit einem selbst gewählten Modell erklärt.
Schwer
- Messreihe Stromstärke: Plane eine Messreihe zum Zusammenhang zwischen Stromstärke und magnetischer Wirkung und stelle die Ergebnisse in einem Diagramm dar.
- Abstandsabhängigkeit: Entwickle einen Versuch, mit dem Du die Abnahme des Magnetfeldes bei größerem Abstand vom Leiter untersuchst.
- Technikanalyse Relais: Untersuche Aufbau und Funktion eines Relais und erkläre, wie Steuerstromkreis und Arbeitsstromkreis zusammenwirken.
- Modellkritik: Vergleiche ein Feldlinienmodell mit realen Messungen und diskutiere, was das Modell gut zeigt und was es vereinfacht.
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Lernkontrolle
- Versuchsauswertung: Erkläre anhand einer beobachteten Kompassablenkung, warum elektrischer Strom ein Magnetfeld erzeugen muss.
- Richtungswechsel: Begründe, wie sich der Ausschlag einer Kompassnadel verändert, wenn die Stromrichtung im Draht umgekehrt wird.
- Konstruktionsentscheidung: Entscheide, mit welchen zwei Änderungen ein schwacher Elektromagnet verbessert werden kann, und erkläre mögliche Grenzen.
- Fehleranalyse: Eine Spule zieht trotz geschlossenen Schalters keine Büroklammer an. Entwickle eine sinnvolle Reihenfolge zur Fehlersuche.
- Anwendungstransfer: Erkläre am Beispiel einer elektrischen Klingel, wie elektrische Energie eine Bewegung auslöst.
- Begriffsvergleich: Stelle den Unterschied zwischen magnetischer Wirkung des Stroms und elektromagnetischer Induktion an zwei passenden Beispielen dar.
Lernnachweis
Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du:
- den Ørsted-Versuch fachgerecht beschreiben und auswerten kannst.
- Feldlinien um einen geraden Leiter und eine Spule darstellen kannst.
- die Rechte-Faust-Regel sicher auf Strom- und Feldrichtung anwenden kannst.
- Einflussgrößen auf die Stärke eines Elektromagneten begründen kannst.
- eine technische Anwendung untersuchen und mit der magnetischen Wirkung des Stroms erklären kannst.
- einen einfachen Versuch sicher planen, dokumentieren und kritisch auswerten kannst.
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