Die Wissenschaft des Elektromagnetismus ist eines der wichtigsten Felder überhaupt. Sowohl für die praktische Anwendung in der Industrie, als auch unser Wissen über die physikalischen Strukturen des Universums ist Elektromagnetismus zentral.

Vielleicht ist Euch das nicht aufgefallen, aber ohne Elektromagnetismus könnten wir Elektrizität weder herstellen noch transportieren. Es wäre schlichtweg unmöglich. Die riesigen Mengen an Elektrizität, die Wir im ganzen Land und in unseren Häusern benötigen, wären nicht verfügbar. Nicht vergessen, wenn Ihr das nächste Mal das Licht anmacht, Euch die Haare föhnt oder Fernseher schaut.

Gleichzeitig ist Elektromagnetismus, diese spannende Schnittstelle zwischen Elektrizität und Magnetismus, übrigens für die Strukturen des Universums verantwortlich. Deshalb kann man auch nicht davon sprechen, dass irgendwer Elektromagnetismus “erfunden” hätte. Vielmehr wurden seine Prinzipien entdeckt und als die Kräfte festgestellt, die verschiedene Teile eines Atoms zusammen halten. Elektromagnetismus ist für chemische Verbindungen verantwortlich und gleichzeitig die Kraft, die Licht produziert.

Elektromagnetismus findet also überall statt. Heute wollen Wir uns aber ein bestimmtes Phänomen namens elektromagnetische Induktion anschauen, also die Produktion elektromotorischer Kraft durch die Präsenz eines sich verändernden Magnetfeldes.

Macht Euch noch keine Sorgen, wenn das etwas wirr klingt, Wir werden uns die wichtigsten wissenschaftlichen Prozesse anschauen, die Ihr für das Verständnis dieses spannenden Vorgangs kennen müsst.

Die besten Lehrkräfte für Physik verfügbar
Andrea
5
5 (56 Bewertungen)
Andrea
75€
/h
Gift icon
1. Unterrichtseinheit gratis!
Rafael
5
5 (28 Bewertungen)
Rafael
42€
/h
Gift icon
1. Unterrichtseinheit gratis!
Sebastian
5
5 (17 Bewertungen)
Sebastian
30€
/h
Gift icon
1. Unterrichtseinheit gratis!
Jan
5
5 (27 Bewertungen)
Jan
45€
/h
Gift icon
1. Unterrichtseinheit gratis!
Lucas
5
5 (28 Bewertungen)
Lucas
25€
/h
Gift icon
1. Unterrichtseinheit gratis!
Jonas
5
5 (4 Bewertungen)
Jonas
40€
/h
Gift icon
1. Unterrichtseinheit gratis!
Thomas
5
5 (15 Bewertungen)
Thomas
25€
/h
Gift icon
1. Unterrichtseinheit gratis!
Henning
5
5 (18 Bewertungen)
Henning
25€
/h
Gift icon
1. Unterrichtseinheit gratis!
Andrea
5
5 (56 Bewertungen)
Andrea
75€
/h
Gift icon
1. Unterrichtseinheit gratis!
Rafael
5
5 (28 Bewertungen)
Rafael
42€
/h
Gift icon
1. Unterrichtseinheit gratis!
Sebastian
5
5 (17 Bewertungen)
Sebastian
30€
/h
Gift icon
1. Unterrichtseinheit gratis!
Jan
5
5 (27 Bewertungen)
Jan
45€
/h
Gift icon
1. Unterrichtseinheit gratis!
Lucas
5
5 (28 Bewertungen)
Lucas
25€
/h
Gift icon
1. Unterrichtseinheit gratis!
Jonas
5
5 (4 Bewertungen)
Jonas
40€
/h
Gift icon
1. Unterrichtseinheit gratis!
Thomas
5
5 (15 Bewertungen)
Thomas
25€
/h
Gift icon
1. Unterrichtseinheit gratis!
Henning
5
5 (18 Bewertungen)
Henning
25€
/h
Gift icon
1. Unterrichtseinheit gratis!
Und los geht's

Was ist Elektromagnetismus?

Fangen Wir mit Elektromagnetismus an. Was genau war das noch gleich?

Los geht’s mit Magnetismus

Wir erinnern uns doch daran, was Magnetismus ist, oder? Manche Materialien sind magnetisch, das heißt, sie üben magnetische Kraft aus, während andere nicht magnetisch sind. Die magnetischen Materialien, die auch ohne ein externes Magnetfeld magnetisch bleiben, heißen Dauermagneten oder Ferromagneten. Hier sind alle ungepaarten Elektronen gleich ausgerichtet, also üben sie ihre Kraft in eine bestimmte Richtung aus. 

In nichtmagnetischen Materialien, wo alle Elektronen entweder gepaart oder ungeordnet sind, passiert das nicht.

Ferromagnetische Materialien wie Eisen oder Nickel sind entweder zufällig magnetisch oder dadurch, dass sie in Kontakt mit einem Magnetfeld waren. Auch wenn sie an und für sich spannende Objekte sind, eignen sie sich nicht wirklich als Elektromagneten, welche an und aus geschaltet werden können und um einiges stärker sind.

Und Starke Magneten können einiges ausrichten.

Was ist mit Elektromagnetismus?

Ein Elektromagnet wiederum ist ein Magnet, der durch einen elektrischen Strom angetrieben wird.

Elektrizität hat eine magnetische Kraft. Diese ist sowohl in einfachen Dingen wie Kupferdraht, also auch in den kleinsten Einheiten elektrischer Ladung jeglicher Atome und chemischer Bindungen vorhanden. Wissenschaftler haben jedoch herausgefunden, wie diese Kraft noch viel stärker gemacht werden kann.

Elektromagneten bestehen im Prinzip aus Drahtrollen, die um ein Stück Metall wie Eisen gewickelt werden. Man nennt das auch Solenoid. Wenn ein elektrischer Strom durch diesen Draht fliesst, entsteht im magnetischen Kern, dem Metall in der Mitte des Solenoid, ein Magnetfeld. Elektromagneten sind ungemein stark und hören sofort auf zu wirken, wenn die Elektrizität ausgeschaltet wird.

Magnetfelder sind relevant für Unser Verständnis der Welt.
Wer elektromagnetische Induktion verstehen will, muss wissen, was ein Magnetfeld ist. Hier seht Ihr ein Diagramm davon! | Quelle: pixabay

Ein Elektromagnet ist also eigentlich nur ein äußerst starker Magnet. Diese Kombination von Elektrizität und Magnetismus ist allerdings äußerst hilfreich. Einer ihrer wichtigsten Verwendung ist bei der elektromagnetischen Induktion, bei welcher elektromotorische Kraft (EMK) durch die Bewegung eines Magnetfeld entsteht.

Diese Magneten produzieren dann nämlich Elektrizität. Ahnt Ihr langsam, was daran so nützlich ist?

Schaut Euch unseren Artikel zu Magnetismus und Elektromagnetismus an!

Eine kurze Geschichte der elektromagnetischen Induktion

Um den Prozess und die Relevanz der elektromagnetischen Induktion besser verstehen zu können, schauen wir uns kurz einmal ihre Geschichte an. Sie führt uns zu den ersten Experimenten zurück, die in den 1830er Jahren zur Entdeckung der elektromagnetischen Induktion führten.

Damals gab es bereits den von William Sturgeon erfundenen Hufeisenmagneten und man wusste dank der Forschungen von Ampere und Oersted, dass elektrische Ströme eine eigene magnetische Kraft ausüben.

Es war aber ein Mann namens Michael Faraday, der im Jahre 1831 mit einem kleinen Experiment die Prinzipien der elektromagnetischen Induktion entdeckte.

Michael Faraday

Michael Faraday wird heutzutage als einer der einflussreichsten Wissenschaftler der Geschichte angesehen, seine Arbeiten zu Magnetismus zeigten etwa, dass diese Kraft auch einen Einfluss auf Lichtstrahlen hat. Sein einflussreichstes Experiment war aber jenes, welches die elektromagnetische Induktion entdeckte.

Faraday nahm einen Eisenring und wickelte zwei Drahtrollen um dessen Pole. Als er einen elektrischen Strom durch eines der Drahtstücke fliessen ließ, bemerkte er, dass auch das zweite Stück Draht eine elektrische Ladung oder Einfluss erfuhr.

Daher schloss er das zweite Stück an ein Galvanometer an, um die Stromstärke zu messen. Und siehe da, als er die Batterie am ersten Stück Draht an- und ausschaltete, wurde eine elektrische Ladung gemessen. Faraday zufolge lag dies am magnetischen Fluss, welcher durch die Mitte des Ringes lief.

Elektromagneten sind besonders starke Magneten.
Der Entdecker des Elektromagnetismus und damit Wegbereiter der elektromagnetischen Induktion war Michael Faraday! | Quelle: pixabay

Nur um es klarzustellen, der elektrische Strom entstand nur dann, wenn das Magnetfeld sich veränderte. Also nur als Faraday die Batterie anschaltete und wieder ausmachte, konnte er eine Reaktion auf dem Galvanometer erkennen. Ansonsten zeigte das Gerät nichts an.

Deshalb schob er in einem anderen Experiment einen Stabmagneten in eine Drahtrolle und wieder heraus. Hier konnte dank der Bewegung die gleiche elektrische Ladung auf dem Galvanometer beobachtet werden.

Das Faraday’sche Gesetz und die Maxwell-Gleichungen

Faraday und seine praktischen Experimente wurden anfangs jedoch nicht unbedingt mit Lob überschüttet, denn er präsentierte seine Entdeckungen nicht in mathematischer Sprache.

James Clerk Maxwell war es, der 30 Jahre später Faradays Entdeckungen mathematisch beschrieb. Die Gesetze, die die elektromagnetische Induktion beschreiben, heißen daher Maxwell-Gleichungen 

Wie funktioniert elektromagnetische Induktion?

Was genau hat Faraday also entdeckt? Einfach gesagt ist seine Entdeckung so wichtig, weil sie zeigte, dass Veränderungen in einem Magnetfeld elektrische Ströme erzeugen können.

Wie Wir bereits wissen haben elektrische Ströme ein Magnetfeld, siehe oben bezüglich der Solenoide. Wenn man aber wie Faraday ein Magnetfeld mit einem anderen Magneten reagieren lässt, ändert sich das Potential oder die Spannung des elektrischen Stroms.

Würde man einen solchen Magneten in eine Drahtrolle schieben und ihn wieder rausnehmen, würde man dabei einiges an Widerstand spüren. Dieser Widerstand produziert den Stromfluss. Bewegt man den Magneten schneller oder stärkt man das Magnetfeld, so erhöht sich der entstehende Strom.

Indem man Magnete bewegt und dadurch Ströme erzeugt, können erstere benutzt werden, um kinetische Energie zu elektrischer Energie zu transformieren. Genau so funktionieren auch Geräte wie Generatoren: Sie generieren Elektrizität durch die Bewegung eines Magnets in ein magnetisches Feld.

Es wird also immer offensichtlicher, warum das ganze so eine wichtige Erfindung war.

Wie wird elektromagnetische Induktion verwendet?

Um dieses Phänomen noch besser verstehen zu können, schauen wir uns eine der wichtigsten Technologien an, die darauf basiert. Gemeint ist der elektrische Generator, ein unglaublich häufig vorkommendes Gerät. Egal ob in Kraftwerken, wo Kraftstoffe verbrannt werden um das Magnetfeld anzutreiben, oder in Autos und klitzekleinen Motoren verschiedenster Geräte - diese Technik findet sich überall.

Elektrische Generatoren

Elektrische Generatoren produzieren ein Magnetfeld, in welches andere magnetische Rollen bewegt werden.

Autos beispielsweise nutzen Wechselstromgeneratoren, auch Lichtmaschinen genannt, um sicherzustellen, dass die Batterie aufgeladen bleibt. Bei Wechselströmen wechselt der Strom seine Fliessrichtung, daher auch der Name.

Ohne Elektromagnetismus könnten Wir nicht so leben, wie Wir es tun.
Elektromagnetismus und elektromagnetische Induktion garantieren Unsere Lebensweise! | Quelle: unsplash

Stellt Euch ein Magnetfeld in einem geschlossenen Raum vor. In der Mitte des Raums ist eine rotierende Drahtrolle, durch die ein Strom fliesst. Wie man sich vorstellen kann, interagiert die Drahtrolle (und sein eigenes Magnetfeld) mit dem Magnetfeld im Generator.

Wenn eine Seite der rotierenden Drahtrolle sich nach oben bewegt, entsteht ein positiver Strom. Bewegt sie sich wieder nach unten, entsteht das Gegenteil. So entsteht ein Strom, der sich konstant verändert.

In einem Gleichstromgenerator ist ein Mechanismus vorhanden, der die Bewegungen des Magnetfelds umkehrt und so diese Änderung vermeidet.

Warum Wechselstrom verwenden?

Wechselstrom wird in großen elektrischen Vorrichtung viel häufiger verwendet. Das liegt daran, dass er viel einfacher transportiert werden kann als Gleichstrom: Die Spannung kann erhöht werden und der Strom klein.

Aufgrund dieser hohen Spannung braucht man jedoch Transformatoren, um diese Art von Spannung nutzbar zu machen. In unserem Artikel über Transformatoren erfahrt ihr, was das überhaupt ist!

>

Die Plattform, die Lehrkräfte und SchülerInnen miteinander verbindet

1. Unterrichtseinheit gratis

Du findest diesen Artikel toll? Vergib eine Note!

5,00 (1 Note(n))
Loading...

Siad

Student der Poltikwissenschaft, Hobbiefotograf und Kochbegeisterter. Spezialität: Hummus