Elektromagnetismus – Teil 1: Grundwissen

Elektromagnetismus – Teil 1: Grundwissen1. Die magnetische WirkungDie magnetische Wirkung des elektrischen Stromes wurde von HansChristian Oersted (1777 - 1851) entdeckt: Eine Magnetnadel erfährt inder Nähe eines elektrischen Stromes eine Kraft. Strom ist also von einemMagnetfeld umgeben, das mit dem Strom entsteht und nach dem Ausschaltendes Stromes wieder verschwindet.Jeder elektrische Strom ist von einem Magnetfeld umgeben.Abbildung 1Das Magnetfeld kann mit Magnetnadel untersucht werden. Sie zeigen an:Die magnetischen Feldlinien eines elektrischen Stromes in einem geradenLeiter bilden Kreise, sie haben weder Anfang noch Ende (Abb. 2). Der Leitergeht durch den gemeinsamen Mittelpunkt dieser Kreise und steht senkrechtzu den Kreisflächen.Abbildung 2Werden die Anschlüsse des Leiters an der Quelle vertauscht, so zeigen dieNadeln in die entgegengesetzte Richtung (Abb. 3). Die Feldlinienrichtung istvon der Polung der Anschlüsse an der elektrischen Quelle abhängig. Aus diesenBeobachtungen folgt eine Linke-Hand-Regel:Wird der Leiter so mit der linken Hand umfasst, dass der ausgestreckte Daumen in die Richtungzum Pluspol zeigt, so geben die gekrümmten Finger die Richtung der Feldlinien an.Abbildung 32. Das Magnetfeld bei einer SpuleWird ein Leiter wie in Abb. 4a zu einer Leiterschleife gebogen, so ändert sich das Magnetfeld desStromes durch die veränderte Lage der Leiterstücke. Zum Mittelpunkt der Schleife hin werden dieursprünglich kreisförmig umlaufenden Feldlinien ,,gestreckt". Sie umlaufen den Leiter außen imgrößeren Abstand als innen. Die Richtung der Feldlinien ergibt sich mit der Linken-Hand-Regel.1

Ein schraubenförmig gewundener Leiter kann als Folge mehrerer Leiterschleifen aufgefasst werden(Abb. 4b). Die Feldlinien im Inneren der Schleifen verlaufen auf engem Raum nebeneinander. SolcheLeiteranordnungen heißen Spulen.Abbildung 4Wird eine lange Spule mit vielen, eng gewickeltenSchleifen an eine elektrische Quelle angeschlossen, soentsteht ein Magnetfeld, dessen Feldlinien innerhalbder Spule annähernd parallel verlaufen (Abb. 5). Dortwirken gleich gerichtete und gleich große magnetischeKräfte. Ein solches Feld heißt homogen.An einem Ende treten die Feldlinien aus der Spuleheraus und laufen außerhalb der Spule zum anderenEnde zurück. Die Feldlinien sind geschlossen. Außerhalbder Spule ähnelt das Magnetfeld dem eines Stabmagneten.Die Seite, an der die Feldlinien aus derSpule hinaus weisen, wirkt wie ein Nordpol. Die Seite,an der die Feldlinien in die Spule hinein weisen, wirktwie ein Südpol.Abbildung 5Das äußere Magnetfeld des Stromes in einer Spule gleicht dem eines Stabmagneten.2

Ein Eisenkern im Inneren einer Spule verstärkt ihre magnetische Wirkung erheblich. Das Eisen wirddurch das Feld der Spule magnetisiert und macht den Eisenkern zu einem starken Magnet. Wird derStrom ausgeschaltet, so verliert die Spule ihr Magnetfeld und das des Eisenkerns verschwindetebenfalls. Wegen der Erzeugung des Magnetfeldes durch elektrischen Strom bezeichnet man dieSpule auch als Elektromagnet. Ihr Feld lässt sich, anders als das der Dauermagnete, mit dem Stromein- und ausschalten.Strom macht eine Spule zum Elektromagnet. Seine Wirkung verstärkt sich durch einen Eisenkernerheblich.3 Aufgaben1. Beschreibe einen Versuch durch den sich der Verlauf der Magnetfeldlinien um einen stromdurchflossenenLeiter herausfinden lässt.2. Was geschieht mit Magnetnadeln, die sich in der Nähe einer Leitung befinden, wenn derStrom zunächst aus- und dann wieder eingeschaltet wird?3. Woraus besteht ein Elektromagnet? Erkläre wie er funktioniert.4. Welche Vorteile hat ein Elektromagnet gegenüber einem Dauermagnet?5. Weshalb verstärkt ein Eisenkern das Magnetfeld einer Spule? Erkläre dies mithilfe der Modellvorstellungder Elementarmagnete.6. Nenne Geräte in denen Elektromagnete Verwendung finden!7. Wie lässt sich die Richtung der magnetischen Feldlinien einer Spule ändern?8. Zeichne in Abbildung 5 den magnetischen Nordpol und Südpol ein.3

Elektromagnetismus – Teil 2: Die Lorentz-Kraft1. Kraft auf einen stromdurchflossenen LeiterWir wissen: Elektrische Ströme erzeugen Magnetfelder. Diese Entdeckung ermöglichte es, Elektromagnetenzu entwickeln. Nun untersuchen wir die Frage ob denn umgekehrt Magnetismus auch aufelektrischen Strom wirkt.Befindet sich ein Leiterstück eines geschlossenStromkreises im Feld eines Magneten, sowirkt auf das Leiterstück eine Kraft (Abb. 6).Die auf das Leiterstück wirkende Kraft hängtvon der Stromstärke im Leiter, von der Stärkedes Magnetfeldes und vom Winkel ab, dender Leiter mit dem Magnetfeld bildet. Siewird dem niederländischen Physiker H. A.LORENTZ (um 1900) zu Ehren Lorentz-Kraftgenannt.Die Kraft ist dann am größten, wenn der Leitersenkrecht zu den Feldlinien steht. HabenMagnetfeld und Leiter die gleiche Richtung,so wirkt keine Kraft.Diese Kraft wirkt stets senkrecht zur Richtung des Magnetfeldes und zur Richtung des Elektronenstroms.Diese Beobachtung lässt sich mit der Drei-Finger-Regel der linken Hand zusammenfassen.Zeigt der Daumen der linken Hand in Bewegungsrichtung der Elektronen (von – nach +) undder Zeigefinger in Richtung des Magnetfelds (von N nach S), so gibt der Mittelfinger die Richtungder wirkenden Kraft an.2. Magnetfelder beeinflussen ElektronenbahnenIn einer Vakuumröhre wird ein Elektronenstrahl erzeugtund auf einem Schirm sichtbar gemacht. BeiAnnäherung eines Magneten krümmt sich der zunächstgeradlinige Strahl (Abb. 7). Die Ablenkunghängt von der Polung des Magnetfeldes ab. Vertauschtman die Polung des Magnetfeldes, so wirdder Elektronenstrahl nach oben abgelenkt.Das Besondere daran ist, dass die Elektronen nichtetwa auf einen der Magnetpole hin abgelenkt werden,sondern senkrecht zu den magnetischen Feldlinien.Ursache der Ablenkung ist wieder die Lorentz- Abbildung 7Kraft. Die Richtung der Ablenkung lässt sich ebenfallsmit der Drei-Finger-Regel der linken Hand bestimmen.Merke: Bewegte Elektronen werden im Magnetfeld abgelenkt. Ursache ist die Lorentz-Kraft.4Abbildung 6

3 Aufgaben1. Schreibe die folgenden Begriffe an die dreiFinger in Abb. 8: Lorentz-Kraft, magnetischeFeldlinien, Elektronenbewegung.2. Auf zwei festen Kohlestäben liegt ein beweglicherKohlestab in einem Magnetfeld(Abb. 9). Was geschieht, wenn man die beidenSchienen an eine Stromquelle anschließt?Abbildung 8Abbildung 93. Überlege dir für jedes Leiterstück derabgebildeten Leiterschleifen (Abb. 10),ob und in welcher Richtung Kräfte auftreten.Übertrage die Bilder in dein Heftund zeichne die Kraftpfeile ein. Abbildung 104. Recherchiere: Warum wirkt die Lorentz-Kraft senkrecht zu den Feldlinien?5. Recherchiere: Das Polarlicht.6. Recherchiere: Die Fernsehbildröhre.5

Elektromagnetismus – Teil 3: Die elektromagnet. Induktion1820 entdeckte H. C. OERSTED, das elektrische Ströme stets Magnetfelder erzeugen. Das war eineSensation, galten doch Elektrizität und Magnetismus bis dahin als zwei völlig unabhängige Naturphänomene.M. FARADAY (englischer Physiker und Chemiker) wollte OERSTEDS Entdeckungumkehren und mit Hilfe von Magnetismus Elektrizität erzeugen. Er fand, dass man Spannung undStrom erhält, wenn man Drähte und Magnete gegeneinander bewegt. So entdeckte er dieelektromagnetische Induktion.1. Das InduktionsgesetzBewegt man einen elektrischen Leiter senkrechtzu den Feldlinien in einem Magnetfeld, so entstehtim Leiter ein Stromfluss. Dieser Stromflussist durch Kräfte auf die Elektronen im Leiter bedingt(Abb. 11).Zwischen den Enden des Leiters entsteht eineSpannung, die Induktionsspannung U i genanntwird. Der Vorgang heißt elektromagnetische Induktion.Diese von dem englischen Physiker MichaelFaraday (179l-l867) entdeckte elektromagnetischeInduktion ist eine entscheidende Grundlageder gesamten Elektrotechnik.Größere Induktionsspannungen entstehen, wennanstelle eines Leiters eine Spule benutzt wird(Abb. 12). Dabei ist es egal, ob man den Magnetenoder die Spule bewegt. Entscheidend ist die Relativbewegungzwischen Spule und Magnet. GenauereUntersuchungen haben ergeben, dass dasEntstehen einer Induktionsspannung nicht an dieBewegung eines Leiters im Magnetfeld gebundenist, sondern an die Änderung des von der Spulebzw. von dem Leiter umfassten Magnetfeldes.Diese Erkenntnisse lassen sich zusammenfassenzu einer Aussage darüber, unter welchen Bedingungeneine Induktionsspannung entsteht.In einer Spule wird eine Spannung induziert,wenn sich das von der Spule umfasste Magnetfeldändert.Abbildung 11Abbildung 12Ändern kann sich dabei die Stärke des Magnetfeldes oder der räumliche Anteil, den die Spule umfasst.Das Magnetfeld kann sowohl durch Dauermagnete als auch durch Elektromagnete erzeugtwerden. Um Induktionsspannungen zu erhalten, kann man verschiedene Anordnungen nutzen. Einigemögliche Anordnungen sind in Abb. 13 dar gestellt. Dabei ist zu beachten: Nicht jede Relativbewegungzwischen einer Induktionsspule und einem Magnetfeld. führt zu einer Induktionsspannung.Entscheidend ist die Änderung des umfassten Magnetfeldes.6

Abbildung 13Experimentelle Untersuchungen ergaben:Die in einer Spule induzierte Spannung ist um so größer,• je stärker sich das von der Spule umfasste Magnetfeld ändert,• je schneller die Änderung des von der Spule umfassten Magnetfeldes erfolgt,• je größer die Windungszahl der Spule ist.Außerdem ist die induzierte Spannung in einer Spule mit Eisenkern größer als in einer Spule ohneEisenkern.Den durch eine Induktionsspannung hervorgerufenen Strom nennt man Induktionsstrom. Die Richtungdes Induktionsstromes ist davon abhängig, in welcher Weise sich das von der Spule umfassteMagnetfeld ändert.2. Das lenzsche GesetzDurch elektromagnetische Induktion entsteht elektrische Energie. Nach dem Gesetz von der Erhaltungder Energie kann diese nur durch Umwandlung anderer Energien, z. B. der Bewegungsenergie,entstehen. Diese Erkenntnis wird im lenzschen Gesetz beschrieben.Ein Induktionsstrom ist stets so gerichtet, dass er der Ursache seiner Entstehung entgegenwirkt.Entdeckt wurde dieses Gesetz von dem deutschen Physiker HEINRICH FRIEDRICH EMIL LENZ (1804- 1865), der in St. Petersburg wirkte. Das Gesetz zeigt sich z. B. bei einer Spule, die sich in einemStromkreis befindet. Wird ein solcher Stromkreis, in dem sich eine Spule befindet, geschlossen, sosteigt die Stromstärke an. Um die Spule wird damit ein Magnetfeld aufgebaut. Dieses sich änderndeMagnetfeld umfasst die Spule selbst und induziert in der Spule eine Spannung und einen Strom.Diesen Vorgang nennt man Selbstinduktion.Nach dem lenzschen Gesetz ist der Induktionsstromso gerichtet, dass er beim Einschaltendem ursprünglichen Strom entgegenwirkt,diesen also schwächt. Dadurchsteigt die Stromstärke in einem solchenStromkreis nur allmählich an. Beim Ausschaltendagegen sinkt die Stromstärke aufgrundder Selbstinduktion in der Spule nurallmählich ab. Für die Stromstärke ergibtsich beim Ein- und Ausschalten ein charakteristischerVerlauf (Abb. 14).7Abbildung 14

3. Aufgaben1. In einem Magnetfeld wird eine Spule bewegt(Abb. 15).a) Was kann aus den Feldlinienbildern überdie Stärke des Magnetfeldes zwischen denPolen abgeleitet werden?b) Gib an, ob im Fall 1 bzw. 2 in der Spuleeine Spannung induziert wird. Begründedeine Antwort!2. Eine Spule wird neben einen Elektromagneten gestellt. Gib für jeden der folgenden Fälle an,ob in der Spule eine Spannung induziert wird. Begründe!a) Der Elektromagnet wird eingeschaltet.b) Im Elektromagneten fließt Gleichstrom.c) Im Elektromagneten fließt Wechselstrom.d) Der Elektromagnet wird ausgeschaltet.3. Gib für jeden der folgenden Fälle an, ob in der Spule eine Spannung induziert wird. Begründe!a) In eine Spule wird ein Dauermagnet eingeführt.b) In einer Spule befindet sich ein Dauermagnet in einer bestimmten Stellung.c) Ein Dauermagnet wird aus der Spule herausgezogen.4. Für spezielle Anwendungen müssen Werkstückeaus Metall sehr hart sein. Dazu werdensie zum Glühen gebracht und anschließend inWasser oder Öl abgekühlt. Um sie zum Glühenzu bringen, stellt man sie in eine Spule (Abb.16) und nutzt die elektromagnetische Induktionaus.Recherchiere: Wie funktionieren solche Anlagenzum Induktionshärten?Abbildung 155. Bei Induktionsherden wird die elektromagnetischeInduktion ausgenutzt. Unter der Kochflächebefindet sich eine Spule, die von Wechselstromdurchflossen wird (Abb. 17).Abbildung 16Recherchiere: a) Wie funktioniert ein Induktionsherd?b) Welche Vorteile und Nachteile haben Induktionsherde?6. Recherchiere: Was sind Wirbelströme? Wo werden sie inder Technik zur Anwendung?Abbildung 178

Elektromagnetismus – Teil 4: Anwendungen1. Der TransformatorTransformatoren dienen dazu, eine vorgegebene Wechselspannung hoch zu transformieren oderrunter zu transformieren. Sie funktionieren nur bei Wechselspannung.Zwei Spulen sitzen auf einem gemeinsamen Eisenring.Die erste Spule, an die die vorgegebene SpannungU 1 angelegt wird, heißt Primärspule (Feldspule).Ihre Windungszahl bezeichnet man mit N 1 . Diezweite Spule, die mit der ersten über den Eisenkernmagnetisch gekoppelt ist, heißt Sekundärspule (Induktionsspule).An ihr kann man die gewünschteSpannung U 2 abnehmen. Ihre Windungszahl ist N 2 .Abbildung 18Aufgabe 1: Mit Hilfe deines Grundlagenwissen zumElektromagnetismus findest du nun sicher mit Leichtigkeit eine physikalische Erklärung für dieFunktionsweise eine Transformators. Schreibe sieauf!Aufgabe 2: Plane und führe eine Versuchreihedurch, mit der du den Zusammenhang zwischenU 1 , U 2 , N 1 und N 2 bestimmen kannst. Versuchsmaterialienerhältst du vom Lehrer. Der Schaltplan(Abb. 19) ist dir dabei eine Hilfe.Aufgabe 3: Die Leistung P 1=U 1⋅I 1 , die derTransformator dem Netz mit der Primärspule entnimmt,gibt er – Leistungsverluste durch Wärme-Abbildung 19abgabe vernachlässigt – auch an der Sekundärspule wieder ab.Es gilt also P 1=P 2 und damit U 1⋅I 1=U 2⋅I 2 . Bestimme daraus rechnerisch einen Zusammenhangzwischen I 1 , I 2 , N 1 und N 2 .Aufgabe 4: Ein Trafo hat eine Spule mit einer kleinen und eine Spule mit einer größeren Windungszahl.Wo liegt immer die höhere Spannung an?Aufgabe 5: Du möchtest dir einen Trafo für deinen MP3-Player bauen, um ihn direkt an das 230 VWechselspannungsnetz der Steckdose anschließen zu können. Auf deinem MP3-Player stehen folgendeAngaben: 3 V und 0,2 A.a) Welche elektrische Leistung nimmt dein MP3-Player im Betrieb auf?b) In deiner Bastelkiste findest du vier Spulen und einen Eisenkern. Eine Spule mit 2000 Windungen,eine mit 1000, eine mit 50 und eine mit 25. Welches Spulenpaar wählst du aus, um denTransformator zu bauen?c) Nachdem du alles zusammen gebaut hast, misst du die Spannungen und Stromstärken nach. WelcheSekundärspannung wirst du im verlustfreien Betrieb erhalten? Welcher maximale Primärstromwird fließen?9

2. Elektromotor & Generator2.1 Prinzipielles2.2 ElektromotorAbbildung 20Eine stromdurchflossene Spule im Feldeines Hufeisenmagneten dreht sichhöchstens um 180° – mehr ist nicht drin.Polt man die Richtung des Stroms um,dreht sich die Spule wieder um 180° zurück.Das ist aber schon der Schlüsselzum ganz großen „Dreh“ um 360°.Man muss... (Abfolge links in Abb. 20)Abbildung 21Die Umpolvorrichtung sitzt auf denDrahtenden der Schleife. Die Schleifewird natürlich von einer Achse gehalten,die hier nicht eingezeichnet ist. Der sogenannte Kommutator besteht aus zweiHalbkreis förmigen Leitern, die von einanderdurch Isoliermaterial getrenntsind. Das eine Ende der Schleife ist mitdem Halbkreis A, das andere mit demHalbkreis B fest verbunden. Die Stromzuführungerfolgt durch die Schleifkontakte+ und –. Die Schleifkontakte(meist aus Grafit) schleifen an denHalbkreisscheiben. Dreht sich nun derKommutator, ist bei der ersten Halbdrehungder Pluspol am Halbkreis A undder Minuspol am Halbkreis B. Nach einerDrehung um 180° liegt der Pluspolder Stromzuführung am Halbkreis Bund der Minuspol am Halbkreis A. DieÄnderung der Stromrichtung ist im richtigenMoment vollzogen.Aufgabe: Überlege dir technische Verbesserungen zum oben erläuterten Modell „Steinzeit“.10

2.3 GeneratorDer Generator der 1. ArtAbbildung 22Generator heißt übersetzt „Erzeuger“. Der Generator erzeugtelektrische Spannung. Den Generator kann man sich als eine„Umkehrung“ des Motors vorstellen.Wird die Leiterschleife in einem Magnetfeld gedreht, werdendie Elektronen in dem Leiterdraht verschoben. Das geht nichtohne Arbeit. An den Leiterenden entsteht eine Induktionsspannung.Die Spannung steht nur so lange zur Verfügung, solangedie Leiterschleife gedreht wird. Die Stromabnahme geschiehtwie beim Motor über Schleifringe. Bei Kommutator-Schleifringen liefert der Generator Gleichspannung bzw.Gleichstrom.Der Generator der 2. ArtDas Ergebnis der Stromerzeugung ist erstaunlich gut, wenndie Spule fest steht und der Magnet gedreht wird. Der Eisenkernin der Spule sorgt dafür, dass sich das Magnetfeld in derSpule ständig ändert. Darauf kommt es an! Da sich die Magnetpolungdes Eisenkerns ständig ändert, wechselt der induzierteStrom im Spulendraht ebenfalls ständig seine Richtung.Es wird Wechselspannung bzw. Wechselstrom erzeugt.Die Stärke und Richtung des Induktionsstroms können inAbhängigkeit vom Zeitverlauf grafisch dargestellt werden.Abbildung 23Abbildung 24Die meisten Generatoren erzeugen Wechselspannung. Die Wechselspannung in unserem Netz wechseltseine Polung 50-mal pro Sekunden. Man sagt er hat eine Frequenz von 50 Hertz (Hz).11

Aufgaben 1: Wird eine Glühlampe mit Wechselstrom betrieben, kaufen wir die Elektronen beimKauf der Lampe mit ein. Sie sitzen im Metall des Glühfadens. Wofür bezahlen wir das E-Werk?Aufgabe 2: Was muss in jedem Fall aufgewendet werden, um einen Generator in Drehbewegung zuhalten?Aufgabe 3: Was wechselt beim Wechselstrom?Aufgabe 4: Was wechselt bei der Wechselspannung?Aufgabe 5: Erkläre wie es zu dem sinusförmigen zeitlichen Verlauf der Stromstärke kommt.Wie sieht der Spannungsverlauf bei einem elektrischen „Verbraucher“ aus, der an das Netz angeschlossenist?12

3. Elektrische Energieversorgung3.1 Grundlegende ÜberlegungenErgänze die Abbildung!a) Welche Primär-Energieträger liefern in den Elektrizitätswerken die Grundlage für die Gewinnungelektrischer Energie?b) Welche Energieformen stellen uns die Elektrogeräte zur Verfügung?Abbildung 25Notiere deine Überlegungen!1. Welche grundlegenden Probleme ergeben sich aus der gegenwärtigen Versorgung mit elektrischerEnergie?2. Wie sollte man sich verhalten, um diese Probleme zu begrenzen?3.2 Exkurs: Elektrische Leistung.Elektrische Leistung = Spannung · StromstärkeP = U · IEinheit der Leistung: 1 W (1000 W = 1 kW)Aufgaben1. Bei einer Spannung von 6 V wird eine Stromstärke von I = 0,48 A gemessen. Wie groß ist dieelektrische Leistung?13

2. Alle elektrischen Geräte tragen ein Typenschild.Darauf stehen neben der Typbezeichnungvor allem die vorgeschriebene Betriebsspannung,die Spannungsart und dieLeistung des Geräts. Bei Geräten mit großerLeistung ist auch noch die Mindeststromstärkeangegeben.In der Abbildung 26 siehst du das Typenschildeiner Waschmaschine. Bestimme darausdie Betriebsspannung, die Spannungsartund die Leistung(en) des Geräts. Interpretieredie verschiedenen Leistungswerte.Abbildung 263. In der Tabelle findest du Angaben zu den elektrischen Leistungen einiger Elektrogeräte. Berechnejeweils die Stromstärke I.Taschenlampe 3 V0,9 WHaartrockner 230 V 600 WICE15000 V 9600 kW3.3 Das Transportsystem14

Abbildung 27Aufgaben1. Beschreiben mit Hilfe der Abbildung 27 den Weg der elektrischen Energie vom Kraftwerk zuden Häusern.2. Warum transportiert man elektrische Energie mit hoher Spannung über die Lande?3. Es soll eine elektrische Leistung P = 550000 kW über Land transportiert werden. In den Leitungenkönnen aber nur Ströme mit der Stärke I = 2500 A fließen. Wie hoch muss die Spannungsein, mit der die Überlandleitung betrieben wird?15