Kapitel
In der heutigen Welt benutzen wir Magneten für zahlreiche verschiedene Aufgaben. Von Kühlschranktüren über Kopfhörer, Stromerzeugung und -transportierung bis hin zu Automotoren. Sie alle nutzen magnetische Kraft auf die eine oder andere Art.
Dank der aktuellen Allgegenwärtigkeit von Magneten wäre unsere Gesellschaft ohne sie ziemlich aufgeschmissen. Wir könnten elektrische Ströme beispielsweise nicht durch das Land transportieren. Unsere Elektromotoren wären allesamt nutzlos. Auch über lange Distanzen zu kommunizieren wäre nicht mehr möglich, was mittlerweile unvorstellbar ist.
Aus diesen Gründen sollten wir diese kleinen Objekte nicht als selbstverständlich ansehen. Vielmehr sollten wir alle, nicht nur Wissenschaftler, versuchen, sie zu verstehen: Wie sie funktionieren, was die besondere Beziehung zwischen Elektrizität und Magnetismus ausmacht und wie sie die Welt antreiben.
Das ist auch unser Ziel für diese Artikelreihe: Dass jeder verstehen kann, warum Elektronen ein magnetisches Moment haben oder ein elektrischer Strom ein Magnetfeld produzieren kann. Wieso magnetischer Fluss elektrische Spannung bedingen kann oder warum all das so wichtig für unsere Welt ist.
Schauen wir uns also all das in einem kleinen Exkurs zur Nachhilfe Physik an, von den Grundlagen der Magnetfelder bis hin zu den wichtigsten magnetischen Technologien.
Was ist Magnetismus?
Fangen wir mit Magnetismus an.
Magnetismus ist eine in und zwischen Objekten vorhandene Kraft, die durch die Bewegung von Elektronen entsteht und in der Anziehung und Abstoßung von verschiedenen Objekten resultiert. Sie ist eine kontaktlose Kraft, die jedes einzelne Objekt auf der Welt mehr oder weniger stark beeinflusst und auf den Bewegungen subatomarer Partikel, Elektronen und deren elektrischer Ladung basiert.
Elektronen, magnetisches Moment und die drei Magnetarten
Jedes Atom einer Substanz besteht aus Partikeln wie Neutronen, Elektronen und Protonen. Für Magnetismus sind die Elektronen hauptverantwortlich.
Sie neigen dazu, die Neutronen zu umkreisen und sind allesamt verschieden geladen, entweder positiv oder negativ. Allgemein gesagt paaren sich gegensätzlich geladene Elektronen miteinander, ein negativ geladenes Elektron paart sich also mit einem positiven, wodurch die jeweiligen Ladungen neutralisiert werden und die Substanz relativ stabil wird.
Wenn Substanzen nur aus gepaarten Elektronen bestehen, nennen wir das Diamagnetismus.
Es gib allerdings zahlreiche Substanzen, darunter Sauerstoff, die ungepaarte Elektronen haben. In diesem Fall wird die Substanz um einiges magnetischer, denn seine Elektronen richten sich in die gleiche Richtung aus. In denn meisten solcher Materialien passiert dies allerdings nicht, denn sofern nicht ein externes Magnetfeld die Substanz beeinflusst, bleiben die magnetischen Momente der einzelnen Elektronen unterschiedlich.
Diese Substanzen verhalten sich nur magnetisch, wenn sie im Wirkungsbereich eines externen Magnetfelds sind und werden Paramagneten genannt.
Dann gibt es noch ferromagnetische Substanzen. Das sind magnetische Substanzen, welche ungepaarte Elektronen des gleichen magnetischen Moments haben. Das bedeutet, dass sie spontan magnetisch werden und das auch bleiben, selbst wenn kein externes Magnetfeld vorhanden ist.
Aber was ist ein Magnetfeld überhaupt?
Jeder Magnet und jedes magnetische Objekt hat ein Magnetfeld, die direkte Umgebung des Objekts, in der die magnetische Kraft wirkt. Dieser Bereich entsteht durch die magnetische Ladung des Magneten.
Dauermagneten und Elektromagneten haben kontinuierliche Magnetfelder, wessen Struktur man am besten beobachten kann, wenn man Eisenspäne hernimmt. Diese Magnetfeldlinien fließen vom Nordpol des Magneten zum Südpol.
Magnetfelder unterscheiden sich abhängig von der Stärke des Magneten.
Was ist ein Elektromagnet?
Neben dem magnetischen Moment von Elektronen entstehen Magnetfelder außerdem durch elektrische Spannung. Diese Entdeckung ist auf die 1830er Jahre zurückzuführen und gilt als eine der wichtigsten Entdeckungen der Geschichte, da sie erstmal Magnetismus mit Elektrizität kombinierte.
Wie bereits erklärt haben Elektronen einer Substanz ein magnetische Ladung, abhängig von ihrer Bewegung innerhalb der magnetische Substanz.
Wo Elektronen sich aber wirklich bewegen ist in elektrischen Strömen, die wiederum lediglich sich bewegende Elektronen sind. Fließen Ströme also einen Draht entlang, wird der Draht magnetisiert, da die Bewegung der Elektronen ein Magnetfeld erzeugt.
Entdeckt hat das ganze der Namensgeber der Einheit Ampere, André-Marie Ampère, als er zeigen konnte, dass parallele Drahte sich gegenseitig anzogen oder abstießen, abhängig von der Richtung des Stroms.
Wie ist ein Elektromagnet aufgebaut?
Seit den Anfängen des Elektromagnetismus hat die Technologie sich nicht sonderlich verändert. Sie wurden zwar stärker, aber die Grundstruktur der Vorrichtungen ist gleich geblieben.
Elektromagneten bestehen aus einer Drahtspule, die um einen Metallkern gewickelt wird, meistens ein Ferromagnet wie Eisen. Durch die Drahtspule wird ein elektrischer Strom gejagt, dessen Magnetfeld sich in das Zentrum der Spule richtet, also in den eisernen Kern. Diese Struktur wird auch Solenoid genannt und wird noch heute überall verwendet, wo Elektromagneten Einsatz finden.
Sobald der elektrische Strom ausgeschaltet wird, verliert das Solenoid auch seine magnetische Kraft.
Eine Anmerkung zur Verbindung zwischen Magnetismus und Elektrizität
Wir wissen, dass Elektrizität ein Magnetfeld produziert und Magnetfelder auf Elektronen basieren, aber die Unterscheidung zwischen einem Bereich Magnetismus und einem separaten Bereich Elektrizität ist nicht schlüssig.
Die beiden Kräfte sind kaum voneinander zu trennen. Vielmehr bilden sie ein physikalisches Prinzip, zwei Seiten einer Medaille. “Elektromagnetismus” ist somit eine der grundlegenden Kräfte des Universums.
Was ist elektromagnetische Induktion?
Eine der wichtigsten Entdeckungen der Geschichte des Elektromagnetismus ist auf Michael Faraday zurückzuführen, einem britischen Wissenschaftler des 19. Jahrhunderts. Sie trägt den Namen elektromagnetische Induktion und bildet noch heute eine Grundlage unseres Wissens über Elektromagneten.
Faradays Experimente befassten sich damit, wie elektrische Ströme durch Magnetfelder beeinflusst werden können. Er fand heraus, dass Veränderungen im Magnetfeld benutzt werden können, um einen elektrischen Strom zu produzieren.
Das klingt kompliziert, aber die tatsächlichen Experimente waren ziemlich einfach. Faraday nahm einen Eisenring und wickelte zwei verschiedene Drähte um die entgegengesetzten Seiten des Ringes, wodurch zwei Solenoide am gleichen Stück Eisen entstanden.
Den einen Draht schloss er an eine Batterie und den anderen an ein Galvanometer an, einem Gerät zur Messung von elektrischer Spannung. Als er Strom aus der Batterie durch den ersten Draht laufen ließ und ihn wieder abschaltete, veränderte sich die vom Galvanometer gemessene Spannung. Für Faraday war dies der Beweis dafür, dass eine Veränderung im Magnetfeld des Eisenrings einen elektrischen Strom in einem separaten Draht verursachen kann.
Um seine Überlegungen zur Beziehung zwischen Elektrizität und Magnetismus konkreter zu beweisen, führte er ein weiteres Experiment durch. Er nahm ein Solenoid ohne Eisenkern (also einfach eine Drahtspule) und führte einen Stabmagneten ein und aus. Je schneller er den Magneten in die Spule bewegte, desto stärker wurde der im Draht produzierte Strom.
Warum war das so spannend? Faraday konnte dadurch zeigen, dass elektrische Ströme nicht nur durch Draht fließen und die theoretische Grundlage schaffen, die uns heute ermöglicht, durch Manipulation von Magnetfeldern elektrische Energie zu produzieren.
Was ist ein Transformator?
Transformatoren sind essentielle Vorrichtungen, die sich die Prinzipien der elektromagnetischen Induktion zu Nutze machen.
Sie sind die vielleicht am häufigsten vorkommenden Elektrogeräte auf dem ganzen Planeten, immerhin läuft fast die Gesamtheit der von uns produzierten und konsumierten elektrischen Energie mindestens einmal in ihrem Lebenszyklus durch einen Transformator.
Also, was ist ein Transformator? Ein Transformator ist ein statisches Gerät, dass Hochspannungsstrom zu Niederspannungsstrom verändert. Das geschieht durch zwei aneinandergrenzenden Solenoiden und mithilfe von Faradays elektromagnetischer Induktion.
Elektrizität wird durch das ganze Land über riesige Stromnetze transportiert. Um die Kosten dafür zu senken, wird die Elektrizität mit super hoher Spannung transportiert. Im Gegensatz zu Hochstrom werden dadurch Energieverschwendungen vermieden und kleinere Kabel verwendet.
Für den Privatgebrauch eignet sich Hochspannungsstrom allerdings überhaupt nicht. Bevor die Elektrizität also lokal in unsere Häuser verteilt wird, muss sie zu Niederspannungsstrom transformiert werden. Diese Aufgabe übernehmen Transformatoren.
Stromspannung reduzieren
Das Faraday’sche Gesetz zeigt, wie elektromagnetische Induktion verwendet werden kann, um die Spannung von elektrischen Strömen zu verringern oder zu erhöhen.
Erinnert Euch an sein Experiment: Er nahm zwei verschiedene Drähte und konnte durch Veränderungen im Magnetfeld der beiden einen elektrischen Strom im zweiten Draht erzeugen.
Würde man aber die Zahl der Windungen im Draht verändern, könnte man die Spannung des erzeugten Stroms verändern. Hätte man also zehn Windungen im ersten Draht, könnte man die Hälfte davon im zweiten Draht nehmen und dadurch die Hälfte der Spannung erzeugen.
Genauso funktionieren Transformatoren!
Die Plattform, die Lehrkräfte und SchülerInnen miteinander verbindet
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