Elektromagnetismus
Für Elektromagnete gibt es sehr viele Anwendungen, dennoch werden im Unterricht oft nur der Lasthebemagnet oder die Klingel vermittelt. Diese Seite soll einen Ausschnitt der Vielfalt zeigen und zu weiteren Entdeckungen anregen.
Magnetisches Feld eines stromdurchflossenen Leiters
Um jeden stromdurchflossenen Leiter existiert ein magnetisches Feld, dessen Richtung von der Stromflussrichtung abhängig ist.
Wird der Leiter zu einer Spule aufgewickelt, additieren sich die einzelnen Felder. Ein ferromagnetischer Stoff (Eisenkern) bündelt das magnetische Feld und an dessen Enden entstehen gegensätzliche magnetische Pole.
Ein Elektromagnet ist eine Anordnung aus Spule und Eisenkern. Der I-Kern bildet an seinen Enden Nord- und Südpol aus. Wird ein ferromagnetischer Körper angehängt, schließt sich über das magnetische Feld in der Luft der magnetische Kreis.
Wesentlich stärker ist ein Elektromagnet mit U-Kern weil die magnetischen Pole über die vom Eisenkern gebündelten Magnetfeldlinien sehr nah zusammengebracht werden. Der magnetische Kreis schließt sich. Noch effektiver nutzen dies Topfmagnete.
Stärke des Elektromagneten
Ein Elektromagnet wird stärker mit:
- höherer Windungszahl
- größerer Stromstärke
- größerer Kernquerschnitt
Mit nebenstehendem Versuch wird mit steigender Spannung die Stromstärke steigen, die Lampe heller werden und das Massestück tiefer in die Spule gezogen.
Lernstationen Elektromagnete
Die Lernstationen erlauben das arbeitsteilige Bearbeiten von Anwendungsbeispielen für Elektromagnete. Niveaustufen werden unterschieden und regen zum Weiterdenken an.
Die Karten werden beidseitig gedruckt und laminiert. Auf der Rückseite sind Experimentier- und Zuordnungsaufgaben.
Den Leistungschutzschalter gibt es in transparenter Ausführung, dessen innerer Aufbau vom vereinfachten Modellbild abweicht.
Anwendungen von Elektromagneten
Lasthebemagnet
Mit dem Lasthebemagnet kann die Abhängigkeit der Magnetkraft durch Anhängen von Massestücken halbquantitativ gemessen werden.
Die Stromstärke wird über die Spannung geändert.
Bei Veränderung der Windungszahl muss für eine gleiche Stromstärke die Spannung angepasst werden, weil sich mit der Änderung der Windungszahl die Drahtlänge und damit der Widerstand der Spule ändert.
Neben Massestücken eignen sich auch ein Anzahl größerer Sechskantmuttern.
Drehspulmessgerät
Das Drehspilmessgerät funktioniert ähnlich wie der obere Versuch mit dem Federkraftmesser. Über eine Spiralfeder wird der drehbargelagerten Spule ein Teilstrom zugeführt. Die Spule wechselwirkt mit einem äußeren Dauermagneten und verdreht sich entsprechend. Die Spiralfeder sorgt für das Kräftegleichgewicht. Auch beim Spannungsmessgerät wird eigentlich die Stromstärke bestimmt, die über einen Reihenwiderstand zugeführt wird.
Lautsprecher
Ein weiterer Vertreter für Wechselwirkungen ist der Lautsprecher. Eine Schwingspule hängt über einer federnden Membran innerhalb eines Dauermagneten. Bei Bestromung mit Gleichspannung findet eine horizontale Auslenkung in Abhängigkeit von der Stromstärke und der Richtung statt. Bei Versuchen sollte nur eine kleine Spannung, z. B. eine Monozelle mit 1,5 V, genutzt werden. Bei Betrieb mit niederfrequenter Wechselspannung wird eine Schallschwingung abgegeben.
Relais
Das Relais ist ein elektromagnetischer Schalter. Es nutzt den oberen Effekt des U-Kerns, in dem ein Kippanker den magnetischen Kreis bei Bestromung schließt. Dabei wird über einem isolierten Kontaktstößel ein Federkontakt bewegt, der den Arbeitsstromkreis schließt. Ohne Strom drückt der Federkontakt den Anker zurück und öffnet den Eisenkreis.
Ein Relais schaltet einen zweiten Stromkreis, um höhere Lasten zu schalten oder Stromkreise galvanisch voneinander zu trennen.
