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Die magnetische Wirkung des elektrischen Stroms

Ein Draht, durch den Strom fließt, erzeugt um sich herum ein Magnetfeld. Bei einem geraden Draht bilden die Feldlinien Kreise, in der Mitte einer Leiterschleife verlaufen sie fast gerade, und im Inneren einer Spule ist das Feld gleichmäßig. Dann wirkt die Spule wie ein Stabmagnet.

🎬 Geschichte Schritt für Schritt

  1. Hier siehst du einen Stabmagneten. Die lila Linien sind Magnetfeldlinien, und die grauen Punkte sind wie Eisenfeilspäne, die an ihnen entlanggleiten. Außerhalb des Magneten laufen die Linien vom Nordpol (N) zum Südpol (S). Die Kompassnadel richtet sich nach ihnen aus.
  2. Sieh dir die Linien genau an. Jede ist eine geschlossene Schleife. Zwei Linien kreuzen sich nie. An den Polen liegen sie dicht beieinander, weil das Feld dort am stärksten ist.
  3. Jetzt steht ein gerader Kupferdraht senkrecht durch eine Pappkarte. Wir schalten den Strom ein: Der Kompass schlägt aus! Strom erzeugt ein Magnetfeld. Die Linien sind Kreise um den Draht. Umfasse den Draht mit der rechten Hand, den Daumen in Stromrichtung, dann zeigen deine gekrümmten Finger in die Richtung des Feldes.
  4. Biege den Draht zu einer kreisförmigen Schleife. Nah am Draht sind die Linien weiterhin kleine Kreise. In der Mitte der Schleife kommen sie zusammen und verlaufen fast gerade. Mehr Windungen oder mehr Strom machen dieses Feld stärker.
  5. Wickle viele Schleifen hintereinander: Das ist eine Spule (Solenoid). Innen sind die Linien gerade, parallel und gleich weit voneinander entfernt, das Feld ist also gleichmäßig. Außen sieht sie genau wie ein Stabmagnet aus, mit einem N-Ende und einem S-Ende.
  6. Jetzt bist du dran! Wähle einen Magneten, Draht, eine Schleife oder eine Spule. Schiebe den Strom hoch, runter oder ins Negative, um ihn umzukehren, und bewege den Kompass herum. Beobachte, wie sich Nadel und Feldstärke ändern.

Tipp: Zieh die 3D-Szene, um sie zu drehen. Mit zwei Fingern zoomst du.

🤔 Häufige Zweifel, geklärt

Wo beginnen und enden Feldlinien?

Nirgendwo. Außerhalb des Magneten laufen sie von N nach S, im Inneren kehren sie von S nach N zurück, also ist jede Linie eine geschlossene Schleife.

Warum können sich zwei Feldlinien nicht kreuzen?

Am Kreuzungspunkt hätte das Feld zwei Richtungen, und eine Kompassnadel kann nicht gleichzeitig in zwei Richtungen zeigen.

Woher weiß ich, dass das Feld nahe am Draht stärker ist?

Die Kreise liegen nahe am Draht dichter beieinander. Bewege den Kompass im freien Spiel näher heran und sieh zu, wie die Zahl der Feldstärke steigt.

Was passiert, wenn der Strom umgekehrt wird?

Die Feldkreise kehren ihre Richtung um, und die Kompassnadel dreht sich herum. Ziehe den Stromregler unter null, um es zu sehen.

Warum sind die Linien in der Mitte einer Schleife gerade?

Jeder Teil der Schleife drückt das Feld in der Mitte in dieselbe Richtung, also addieren sich die Linien dort und verlaufen fast gerade hindurch.

Ist eine Spule wirklich wie ein Stabmagnet?

Ja. Vergleiche Schritt 1 und Schritt 5: Das Bild außen ist gleich, mit N- und S-Ende. Im Inneren der Spule ist das Feld homogen.

Erzeugt ein Draht ohne Strom ein Magnetfeld?

Nein. Stelle den Strom auf 0, dann hören die Punkte auf, und der Kompass zeigt wieder zum Norden der Erde.

Magnet, Magnetfeld und Kompass

Ein Magnet hat zwei Enden, die Pole heißen: den Nordpol (N) und den Südpol (S). Gleiche Pole stoßen sich ab, ungleiche ziehen sich an. Der Raum um einen Magneten, in dem man seine Anziehung oder Abstoßung spürt, ist sein Magnetfeld. Ein Feld hat Stärke und Richtung, es ist also eine vektorielle Größe.

Ein Kompass ist einfach ein winziger Magnet (die Nadel), der sich frei drehen kann. Sein N-Ende zeigt an jedem Ort in Richtung des Feldes. Ist kein Magnet oder Strom in der Nähe, zeigt er zum geografischen Norden der Erde, denn die Erde selbst verhält sich wie ein riesiger Magnet.

Das Feld können wir nicht sehen, deshalb zeichnen wir Magnetfeldlinien: Wege, auf denen sich ein winziger frei beweglicher Nordpol bewegen würde. Streust du Eisenfeilspäne um einen Magneten und klopfst auf die Karte, ordnen sich die Späne entlang dieser Wege an.

Eigenschaften von Magnetfeldlinien

Das Feld um einen geraden stromführenden Draht

Im Jahr 1820 bemerkte Hans Christian Oersted, dass sich eine Kompassnadel drehte, sobald in einem Draht in der Nähe Strom floss. Das zeigte, dass elektrischer Strom ein Magnetfeld erzeugt: Elektrizität und Magnetismus hängen zusammen.

Um einen langen geraden Draht bilden die Feldlinien konzentrische Kreise, deren Mittelpunkt der Draht ist und die in Ebenen senkrecht zum Draht liegen.

Rechte-Hand-Regel (Daumenregel)

Umfasse den Draht mit der rechten Hand, den Daumen in Stromrichtung. Deine gekrümmten Finger zeigen die Richtung der Feldlinien. Kehrst du den Strom um, kehrt sich auch das Feld um, und der Kompass schlägt in die andere Richtung aus.

Wovon die Stärke abhängt

Das Feld ist stärker bei größerem Strom und schwächer, je weiter du dich vom Draht entfernst. Nah am Draht liegen die Kreise dicht beieinander, weit weg gehen sie auseinander. (Die Stärke ist direkt proportional zum Strom und umgekehrt proportional zum Abstand.)

Das Feld einer kreisförmigen Leiterschleife (Spule)

Biege den geraden Draht zu einem Kreis. Jedes kleine Stück der Schleife erzeugt weiterhin Feldkreise um sich herum. Nah am Draht sehen sie wie kleine Kreise aus; zur Mitte hin werden sie größer, und in der Mitte zeigen die Linien aller Teile der Schleife in dieselbe Richtung und sehen fast wie gerade Linien aus.

Das Feld in der Mitte wird stärker, wenn du den Strom oder die Windungszahl erhöhst (n Windungen wirken wie das n-Fache einer Schleife). Auch eine kleinere Schleife ergibt in ihrer Mitte ein stärkeres Feld. Von einer Seite betrachtet macht Strom gegen den Uhrzeigersinn diese Seite zum Nordpol, Strom im Uhrzeigersinn macht sie zum Südpol.

Spule (Solenoid): eine Spule, die wie ein Stabmagnet wirkt

Ein Solenoid (eine lange Zylinderspule) ist eine lange Spule aus vielen dicht gewickelten Windungen von isoliertem Kupferdraht in Form eines Zylinders. Fließt Strom, entspricht sein Feldbild dem eines Stabmagneten: Ein Ende verhält sich wie N, das andere wie S.

Im Inneren einer langen Spule sind die Feldlinien gerade, parallel und gleich weit voneinander entfernt. Das heißt, das Feld ist homogen (gleichmäßig): an jedem Punkt innen gleich stark und gleich gerichtet. Um das N-Ende zu finden, krümme die Finger der rechten Hand in Richtung des Stroms in den Windungen; der Daumen zeigt zum N-Ende.

Das Feld wird stärker durch (1) mehr Windungen, (2) mehr Strom und (3) einen Weicheisenkern im Inneren.

Elektromagnet und Dauermagnet im Vergleich

Steckst du einen Weicheisenstab in eine Spule und lässt Strom fließen, wird der Stab zu einem starken Magneten, den man Elektromagnet nennt. Schaltest du den Strom ab, verliert er fast seinen ganzen Magnetismus.

ElektromagnetDauermagnet
Nur magnetisch, solange Strom fließtBleibt immer magnetisiert
Stärke ist veränderbar (Strom, Windungen)Stärke ist fest
Pole lassen sich durch Umkehren des Stroms vertauschenPole sind fest
Kern: WeicheisenAus Stahl, Alnico, Ferrit, Neodym
Kann sehr stark gebaut werdenMeist schwächer

Verwendung von Elektromagneten: Kräne für Eisenschrott, elektrische Klingeln, Relais, Lautsprecher, Motoren, MRT-Geräte und Magnetschwebebahnen. Stahl nimmt man für Dauermagnete, weil er seinen Magnetismus behält; Weicheisen für Elektromagnete, weil es ihn schnell wieder verliert.

Was in der Prüfung drankommt

Rechne mit Zeichnungen von Feldlinien (Stabmagnet, gerader Draht, Schleife, Spule), der Rechte-Hand-Regel, Begründungen, warum sich Feldlinien nie kreuzen, Faktoren, welche die Feldstärke beeinflussen, und Unterschieden zwischen Elektromagnet und Dauermagnet. Meist sind das Fragen für 1 bis 3 Punkte; bei Zeichenaufgaben gibt es Punkte für Pfeile, die die Richtung zeigen, also zeichne sie immer ein.

Wichtige Formeln und Definitionen

Gelöste Beispiele

1. Ein Kompass steht direkt östlich eines senkrechten Drahtes. Im Draht fließt der Strom nach oben. Wohin zeigt das N-Ende des Kompasses? (Blick von oben.)

Wende die Rechte-Hand-Regel an: Daumen nach oben, die Finger krümmen sich von oben gesehen gegen den Uhrzeigersinn. Auf der Ostseite zeigt diese Drehung nach Norden. Das N-Ende der Nadel zeigt also nach Norden (das Feld des Drahtes und das Erdfeld stimmen hier überein).

2. In 5 cm Abstand von einem langen geraden Draht hat das Feld einen Wert B. Wie groß ist das Feld in 10 cm Abstand, wenn gleichzeitig der Strom verdoppelt wird?

B ∝ I/r. Verdoppelst du I, verdoppelt sich B; verdoppelst du r, halbiert sich B. B bleibt also gleich: 2 × ½ = 1, das Feld ist weiterhin B.

3. Ein Schüler schaut auf eine Seite einer Spule und sieht den Strom im Uhrzeigersinn fließen. Welcher Pol ist diese Seite? Und wenn der Strom umgekehrt wird?

Strom im Uhrzeigersinn macht die Seite zum Südpol. Wird der Strom umgekehrt, fließt er gegen den Uhrzeigersinn, und die Seite wird zum Nordpol.

4. Nenne zwei Möglichkeiten, das Magnetfeld einer Spule zu verstärken, ohne ihre Länge zu ändern.

Mehr Strom schicken, mehr Windungen wickeln oder einen Weicheisenkern hineinstecken. Zwei davon genügen.

5. Warum erzeugt eine lange Spule innen ein homogenes Feld, eine Spule mit nur einer Windung aber nicht?

In einer langen Spule addieren sich die Felder vieler Windungen nebeneinander. Innen heben sich die Anteile, die die Linien verbiegen würden, gegenseitig auf, und die Linien werden gerade, parallel und gleich weit voneinander entfernt. Eine einzelne Schleife ist nur nahe ihrer Mitte gerade und krümmt sich sonst.

Häufige Fehler

Übungsquiz

1. Die Magnetfeldlinien um einen langen geraden stromführenden Draht sind:
2. Magnetfeldlinien kreuzen sich nie, weil:
3. Das Feld im Inneren einer langen stromdurchflossenen Spule ist:
4. Welche Änderung schwächt das Feld in der Nähe eines geraden Drahtes?
5. Der Kern eines Elektromagneten besteht aus Weicheisen, weil Weicheisen:

Üben: Beantworte diese selbst

Tippe oder wähle deine Antwort und drücke dann Prüfen. Nutze einen Tipp, wenn du nicht weiterkommst; die ganze Lösung erscheint nach deiner Antwort.

Häufig gestellte Fragen

Was ist die magnetische Wirkung des elektrischen Stroms in einfachen Worten?

Immer wenn in einem Draht Strom fließt, verhält sich der Draht wie ein schwacher Magnet und erzeugt um sich ein Magnetfeld. Ein Kompass in der Nähe bewegt sich, sobald der Strom eingeschaltet wird.

Was ist die Rechte-Hand-Regel (Daumenregel)?

Umfasse einen stromführenden Draht mit der rechten Hand, den Daumen in Stromrichtung. Die Richtung, in die sich deine Finger krümmen, ist die Richtung der Magnetfeldlinien um den Draht.

Warum benutzt man eine Spule, um einen Elektromagneten zu bauen?

Eine Spule erzeugt in ihrem Inneren ein starkes, homogenes Feld. Ein Weicheisenstab darin wird stark magnetisiert, und der Magnetismus lässt sich mit dem Strom ein-, ausschalten oder umkehren.

Wo das unterrichtet wird

PolandSzkoła podstawowa, klasa VIIIMagnetism
RomaniaClasa a VIII-aElectric and magnetic phenomena
Spain2º BachilleratoElectromagnetic field
Ukraine9 класElectromagnetic phenomena; electromagnetic oscillations and waves
CBSE (India)Class 8Electricity: Magnetic and Heating Effects
CBSE (India)Class 10Effects of Current
England (GCSE, A level)Year 9Physics: Electricity and electromagnetism
England (GCSE, A level)Year 114.7 Magnetism and electromagnetism
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 8MS-PS2 Motion and stability: forces
Japan中学2年Field 1 (3): Electric current and its uses
Germany (Bavaria)Jahrgangsstufe 10Electromagnetism
Russia8 классElectric and magnetic phenomena
Russia8 классElectric and magnetic phenomena
China九年级(初三)Ch.20 Electricity and magnetism

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