Elektrizitätslehre & Magnetismus

Magnetismus:

Seit der Antike kennt und nutzt die Menschheit magnetische Erscheinungen, z.B. waren Kompasse für Entdecker ein wichtiges Instrument zum Orientieren auf den Weltmeeren. Elektromagnete, Elektromotoren, Generatoren und Transformatoren sind aus unserer modernen Gesellschaft nicht mehr wegzudenken.

Stoffe, wie Eisen, die von Magneten angezogen werden und dabei selbst magnetisiert werden, nennt man „ferromagnetisch“. Magnetisierbar sind Nickel, Neodym, und wenige Legierungen.

Magnete besitzen stets zwei gegenüberliegende Pole, an denen ihre magnetische Wirkung besonders stark ist. Diese Bereiche werden als Magnetpole (Nord- und Südpol) bezeichnet.

Zerbricht ein Magnet in zwei Teile, so besitzen beide Bruchstücke selber zwei Magnetpole. Auch bei weiterer Teilung hat jedes Bruchstück einen Nord- und Südpol. Jeder Magnet besteht in diesem Modell aus einer Vielzahl kleinster „Elementarmagnete“. Zeigen alle Elementarmagnete eines Magneten geordnet in die gleiche Richtung, so verstärken sie sich in ihrer Wirkung – ein starkes Magnetfeld ist die Folge. Zeigen die Elementarmagnete in unterschiedliche Richtungen, so heben sich ihre Wirkungen gegenseitig auf. Das kann passieren, wenn man einen Magneten schüttelt.

Dazu gibt es auch einen Versuch:

Versuch: Magnetische Nadel:

Streiche mit einem Magneten über eine Nadel. Die Nadel wird dadurch magnetisiert und übt eine magnetische Kraft auf eine andere Nadel aus. Wenn Du die magnetisierte Nadel schüttelst, geht die Ordnung verloren und die Nadel verliert ihre magnetische Kraft.

In einem weiteren Versuch kannst Du mit einfachsten Mitteln einen Elektromagneten bauen. Durch den elektrischen Strom wird z.B. ein Stück Eisen magnetisiert.

Versuch: Elektromagnet

Materialien:

eine Schraube aus Eisen (etwa 7cm lang), 2 Meter Klingeldraht, eine 1,5 Volt Batterie

Durchführung:

Befreie die Enden des Klingeldrahtes von der Kunststoffschicht. Darunter liegt der blanke Draht. Den Klingeldraht wickelst du fest um die Schraube. Die blanken Drahtenden können nun am Plus- und am Minuspol der Batterie angeschlossen werden. Den Draht nicht länger als 1 Minute an der Batterie angeschlossen lassen, sonst werden die Drahtenden heiß und die Batterie wird zu schnell verbraucht.

Magnetfeld:

Ein Magnet erzeugt zwischen seinen Polen, dem Nord- und Südpol, ein Magnetfeld. In diesem Feld kann der Magnet eine Kraft auf einen ferromagnetischen Stoff, zum Beispiel Eisen, Nickel, Cobalt und verschiedene Legierungen, ausüben. Diese Kräfte können anziehend (unterschiedliche Pole) oder abstoßend (gleichgesinnte Pole) sein.

Das Magnetfeld kann man mit Hilfe von gedachten Linien, den Feldlinien, sichtbar machen. Dies geschieht, wenn man z.B. Eisenspäne auf eine Plexiglasplatte streut, die auf einem Magneten liegt. Die Eisenspäne ordnen sich dann entlang der Feldlinien an.

Die magnetischen Feldlinien…

  • laufen vom Nordpol zum Südpol.
  • überschneiden sich nicht.
  • Ein stärkeres Magnetfeld wird durch eine höhere Dichte der Feldlinien dargestellt.
  • Laufen in die Richtung, in welcher sich ein Nordpol einer Probe bewegen würde.

Auch die Erde hat ein eigenes Magnetfeld.

Elektrische Leiter:

Alle elektrische Leiter besitzen frei bewegliche Ladungsträger. Bei Metallen dienen Elektronen als Träger elektrischer Ladung, in Flüssigkeiten können es auch Ionen sein. In der Technik hat sich Kupfer als Leiter gut bewährt. Noch besser als Kupfer würde zwar Gold den Strom leiten, der Einsatz von Gold in Kabeln als elektrischer Leiter wäre allerdings wirtschaftlich viel zu teuer!

Lorentzkraft

Die Lorentzkraft ist nach dem niederländischen Mathematiker und Physiker Hendrik Antoon Lorentz benannt. 

Bewegt sich ein Leiter in einem Magnetfeld, so bewegt sich die Ladung im Leiter senkrecht zur Bewegung. Wird also ein Kupferdraht durch ein Magnetfeld bewegt, bewegen sich die darin befindlichen Elektronen zum einen oder zum anderen Ende, je nachdem in welche Richtung im Magnetfeld der Leiter bewegt wird. Das Magnetfeld übt dabei Kraft auf bewegte Ladungen aus, während ein elektrisches Feld auf bewegte und unbewegte Ladungen gleichermaßen wirkt. Dies läßt sich mit der 3 Finger Regel oder Linke-Hand-Regel darstellen:

Anwendungen der Lorentzkraft sind Generatoren und Elektromotoren

Der Generator:

Ein Generator besteht im Inneren aus einem Magneten, der ein Magnetfeld erzeugt.
In diesem Magnetfeld befindet sich eine mechanische Welle, etwa ein Kupferdraht, der rechteckförmig um eine Drehachse in der Mitte des Magnetfeldes entlanggeführt wird.
Die Welle wird per Muskelkraft, Windkraft, Dampf oder Wasser angetrieben. Dadurch bewegt sich der Leiter im Magnetfeld.
 Die Lorentzkraft sorgt dafür, dass die freien Elektronen in dem Draht sich senkrecht zur Bewegungsrichtung verschieben.
 Es entsteht ein Ladungsgefälle zwischen den beiden Enden des Kupferdrahtes und somit eine elektrische Spannung.
 Mit jeder halben Umdrehung wechselt die Bewegungsrichtung des Drahtes und damit die Spannung. Es entsteht Wechselstrom.

Teste Dein Wissen über Elektrizitätslehre & Magnetismus:

1. Das Magnetfeld kann man mit Hilfe von gedachten Linien sichtbar machen, das sind die

 
 
 
 

2. Die Lorentzkraft läßt sich mit der 3 Finger Regel darstellen. Dabei wird die Bewegungsrichtung der Ladung durch folgenden Finger dargestellt:

 
 
 
 

3. Die Lorentzkraft läßt sich mit der 3 Finger Regel darstellen. Dabei wird die Richtung der Magnetfeldlinien durch folgenden Finger dargestellt:

 
 
 
 

4. zu den ferromagnetischen Stoffen gehört:

 
 
 
 

5. Wenn ein Magnet zerbricht, so sind die Bruchstücke

 
 
 
 

6. Eine praktische Nutzung der Lorentzkraft im Alltag findet man in…

 
 
 
 

7. Magnetismus: gleichgesinnte Pole…

 
 
 

8. Die Lorentzkraft läßt sich mit der 3 Finger Regel darstellen. Dabei wird die Richtung der Kraft durch folgenden Finger dargestellt:

 
 
 
 

9. Die Lorentzkraft besagt:

 
 
 
 

10. Die Pole bei einem Magnet heißen

 
 
 
 

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