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
- Richtung: Außerhalb eines Magneten verlaufen sie von N nach S, im Inneren des Magneten von S zurück nach N.
- Geschlossene Schleifen: Jede Linie ist daher eine geschlossene Kurve ohne Anfang und Ende.
- Sie kreuzen sich nie: Würden sich zwei Linien kreuzen, müsste ein Kompass an diesem Punkt gleichzeitig in zwei Richtungen zeigen, und das ist unmöglich.
- Dichte zeigt Stärke: Wo die Linien dicht beieinander liegen, ist das Feld stark (nahe den Polen); wo sie auseinandergehen, ist es schwach.
- Die Tangente an eine Feldlinie gibt an jedem Punkt die Feldrichtung an.
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.
| Elektromagnet | Dauermagnet |
|---|---|
| Nur magnetisch, solange Strom fließt | Bleibt immer magnetisiert |
| Stärke ist veränderbar (Strom, Windungen) | Stärke ist fest |
| Pole lassen sich durch Umkehren des Stroms vertauschen | Pole sind fest |
| Kern: Weicheisen | Aus Stahl, Alnico, Ferrit, Neodym |
| Kann sehr stark gebaut werden | Meist 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
- Gerader Draht: Feldstärke B ∝ I und B ∝ 1/r (r = Abstand vom Draht)
- Kreisförmige Schleife (Mitte): B ∝ n I / r (n Windungen, Radius r)
- Spule (innen): B ∝ n I pro Längeneinheit; homogenes Feld
- SI-Einheit des Magnetfelds: Tesla (T)
- Rechte-Hand-Regel: Daumen = Strom, gekrümmte Finger = Feld
- Spulenseite: Strom gegen den Uhrzeigersinn = N-Seite, im Uhrzeigersinn = S-Seite
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
- Feldlinien zeichnen, die sich kreuzen oder mitten in der Luft anfangen und enden. Sie sind immer geschlossene Schleifen, die sich nie kreuzen.
- Für die Daumenregel die linke Hand benutzen. Die Regel für die Feldrichtung um einen Draht ist die RECHTE-Hand-Regel (die LINKE-Hand-Regel nach Fleming gilt für die Kraft auf einen Draht, das kommt in der nächsten Lektion).
- Sagen, dass die Feldlinien im Inneren eines Stabmagneten von N nach S laufen. Innen laufen sie von S nach N; nur außen gehen sie von N nach S.
- Glauben, dass ein Weicheisenkern einen Dauermagneten ergibt. Weicheisen verliert seinen Magnetismus, wenn der Strom aufhört; Stahl behält ihn.