Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld
Eine bewegte Ladung spürt im Magnetfeld eine Kraft. Ein Strom besteht aus vielen bewegten Ladungen, also wird ein stromdurchflossener Draht im Magnetfeld gedrückt. Diese Kraft nennt man die magnetische Kraft auf einen Leiter.
Wovon hängt die Größe der Kraft ab?
- Stromstärke (I): mehr Strom, mehr Kraft.
- Feldstärke (B): ein stärkerer Magnet gibt mehr Kraft.
- Länge des Drahtes im Feld (L): längerer Draht, mehr Kraft.
- Winkel θ zwischen Draht und Feld: Die Kraft ist bei 90° (senkrecht) am größten und wird null, wenn der Draht parallel zum Feld liegt (0° oder 180°).
Kurz gesagt: F ∝ I · B · L · sin θ. (In Klasse 10 brauchst du vor allem die Ideen; die Formel F = BIL sin θ benutzt man in höheren Klassen.)
In welche Richtung wirkt die Kraft? Linke-Hand-Regel von Fleming
Strecke Daumen, Zeigefinger und Mittelfinger deiner linken Hand so aus, dass sie im rechten Winkel zueinander stehen. Der Zeigefinger zeigt in Richtung des Feldes (von N nach S), der Mittelfinger in Richtung des Stroms. Der Daumen zeigt dann die Richtung der Kraft (Bewegung) auf den Leiter. Kehrst du Strom oder Feld um, kehrt sich die Kraft um. Kehrst du beides um, bleibt sie gleich.
Elektromotor (in 2026-27 nur formativ bewertet)
Hinweis: Im CBSE-Jahr 2026-27 werden Motor, elektromagnetische Induktion und Generator nur formativ bewertet (Klassentests, Aktivitäten), nicht in der Abschlussprüfung. Lerne sie trotzdem: Sie erklären jeden Ventilator und jedes Kraftwerk.
Ein Elektromotor wandelt elektrische Energie in mechanische Energie um. Seine Teile:
- Ankerspule: eine rechteckige Spule aus isoliertem Kupferdraht, oft auf einen weichen Eisenkern gewickelt, zwischen den Polen eines Magneten.
- Kommutator (Spaltring): ein Ring, der in zwei Hälften geteilt ist, die mit den Enden der Spule verbunden sind. Er dreht sich mit der Spule.
- Bürsten: zwei Kohle- oder Metallstreifen, die auf dem Spaltring schleifen und den Strom aus der Batterie zuführen.
So funktioniert es
In einer langen Seite der Spule fließt der Strom in die eine Richtung, in der anderen Seite in die Gegenrichtung. Nach der Linke-Hand-Regel wird also eine Seite nach oben und die andere nach unten gedrückt. Die Spule dreht sich. Nach einer halben Umdrehung tauschen die Hälften des Spaltrings die Bürsten, der Strom in der Spule kehrt sich um, und die Kräfte drücken die Spule wieder in dieselbe Drehrichtung. So dreht sich die Spule dauernd in eine Richtung. Motoren im Handel verwenden Elektromagnete, viele Windungen und einen weichen Eisenkern, um stärker zu sein.
Elektromagnetische Induktion und der Generator
Michael Faraday entdeckte den umgekehrten Effekt: Ein sich änderndes Magnetfeld durch eine Spule erzeugt in ihr einen Strom. Das ist die elektromagnetische Induktion, und den Strom nennt man Induktionsstrom.
- Schiebe einen Magneten in eine Spule, die an ein Galvanometer angeschlossen ist: Die Nadel schlägt aus.
- Ziehe ihn heraus: Die Nadel schlägt in die andere Richtung aus.
- Halte ihn still: kein Ausschlag, weil sich das Feld nicht ändert.
- Bewege ihn schneller, nimm einen stärkeren Magneten oder mehr Windungen: größerer Ausschlag.
Rechte-Hand-Regel von Fleming
Für einen Leiter, der sich im Feld bewegt, strecke Daumen, Zeigefinger und Mittelfinger der rechten Hand im rechten Winkel aus. Zeigefinger = Feld, Daumen = Bewegung des Leiters, Mittelfinger = Richtung des Induktionsstroms.
Elektrischer Generator
Ein Generator wandelt mechanische Energie in elektrische Energie um. Eine Spule wird zwischen den Magnetpolen gedreht. Jede Seite schneidet das Feld, und es wird ein Strom induziert. Mit Schleifringen kehrt sich der Strom nach jeder halben Umdrehung um, und es entsteht Wechselstrom (Wechselstromgenerator). Mit einem Kommutator (Spaltring) fließt der Ausgangsstrom immer in dieselbe Richtung, und es entsteht Gleichstrom (Gleichstromgenerator).
Wechselstrom und Gleichstrom
Gleichstrom (DC) fließt immer in eine Richtung. Zellen, Batterien und Solarmodule liefern Gleichstrom.
Wechselstrom (AC) kehrt seine Richtung immer wieder in gleichen Abständen um. In Indien ist die Haushaltsspannung Wechselstrom mit etwa 220 V und 50 Hz: Er wechselt die Richtung 100-mal pro Sekunde (zweimal in jedem Zyklus).
| Wechselstrom (AC) | Gleichstrom (DC) |
|---|---|
| Die Richtung kehrt sich regelmäßig um | Nur eine Richtung |
| Von Wechselstromgeneratoren in Kraftwerken | Aus Zellen, Batterien, Gleichstromgeneratoren |
| Kann mit geringem Energieverlust über große Entfernungen geleitet werden (die Spannung ändern Transformatoren) | Schwer einfach hoch- oder herunterzusetzen; wird in der Elektronik benutzt |
Wichtige Formeln und Definitionen
- F ∝ I · B · L · sin θ (Kraft auf einen Leiter; in höheren Klassen F = BIL sin θ)
- θ = 90° → maximale Kraft; θ = 0° oder 180° → Kraft null
- Linke-Hand-Regel von Fleming (Motor): Zeigefinger = Feld, Mittelfinger = Strom, Daumen = Kraft
- Rechte-Hand-Regel von Fleming (Generator): Zeigefinger = Feld, Daumen = Bewegung, Mittelfinger = Induktionsstrom
- Motor: elektrische → mechanische Energie; Generator: mechanische → elektrische Energie
- Indisches Stromnetz: Wechselstrom, 220 V, 50 Hz → Richtung wechselt 100-mal pro Sekunde
Gelöste Beispiele
1. Ein Draht verläuft von Ost nach West (Strom nach Westen) in einem Magnetfeld, das senkrecht nach unten zeigt. In welche Richtung wirkt die Kraft?
Zeigefinger nach unten (Feld), Mittelfinger nach Westen (Strom). Der Daumen der linken Hand zeigt dann nach Süden. Die Kraft wirkt also nach Süden.
2. Ein stromdurchflossener Draht liegt parallel zu den Magnetfeldlinien. Welche Kraft wirkt auf ihn?
Der Winkel zwischen Draht und Feld ist 0°, also ist sin θ = 0 und die Kraft ist null. Der Draht wird gar nicht gedrückt.
3. Bei einem Versuch mit Stab auf Schienen bewegt sich der Stab nach links. Was passiert, wenn (a) der Strom umgekehrt wird, (b) Strom und Feld beide umgekehrt werden?
(a) Kehrt man eines von beiden um, kehrt sich die Kraft um, also bewegt sich der Stab nach rechts. (b) Kehrt man beide um, heben sich die zwei Umkehrungen auf, und der Stab bewegt sich weiter nach links.
4. Der Wechselstrom in Indien hat 50 Hz. Wie oft wechselt der Strom in einer Sekunde die Richtung?
Jeder Zyklus hat zwei Richtungswechsel. 50 Zyklen × 2 = 100 Richtungswechsel pro Sekunde.
5. Warum braucht ein Motor einen Kommutator (Spaltring)?
Ohne ihn würden die Kräfte auf die Spulenseiten die Spule nach einer halben Umdrehung zurückdrücken, und sie würde nur hin- und herschwingen. Der Spaltring kehrt den Strom in der Spule nach jeder halben Umdrehung um, sodass das Drehmoment immer in dieselbe Richtung wirkt und die Spule sich weiterdreht.
Häufige Fehler
- Die rechte Hand für die Kraft auf einen Leiter benutzen. Kraft (Motoreffekt) = LINKE Hand; Induktionsstrom (Generator) = RECHTE Hand.
- Denken, ein ruhender Magnet in einer Spule erzeuge Strom. Nur ein SICH ÄNDERNDES Feld (Relativbewegung) induziert Strom.
- Glauben, die Kraft sei bei jedem Winkel gleich groß. Sie ist bei 90° am größten und null, wenn der Draht parallel zum Feld liegt.
- Die Ringe verwechseln: Ein Gleichstrommotor und ein Gleichstromgenerator haben einen Kommutator (Spaltring); ein Wechselstromgenerator hat Schleifringe.