Zunächst einmal befinden sich in einer Eisenstange oder einem Kupferdraht freie Elektronen. Diese freien Elektronen werden dann natürlich mit bewegt.

Was mit diesen Elektronen passiert, kannst Du Dir am besten verständlich machen, wenn Du zunächst nur ein Elektron betrachtest.

Ein bewegtes Elektron im Magnetfeld

Nimm einmal an, dieses Elektron befindet sich in einem Magnetfeld, bei dem sich oben der Nord- und unten der Südpol befindet.

Die Magnetfeldlinien verlaufen also von oben nach unten.

Wenn Du dieses Elektron nun nach links bewegst, erhälst Du einen technischen Strom nach rechts.

Du erinnerst Dich: Ein elektrischer Strom ist Ladungsträgerbewegung. Die technische Stromrichtung ist der physikalischen Fließrichtung der Elektronen entgegengesetzt.

Dies gilt nicht nur bei mehreren Elektronen, sondern auch bei einem Elektron.

Der technische Strom fließt also nach rechts.

Nach der Drei-Finger-Regel – Daumen in Richtung der technischen Stromrichtung (hier: nach rechts), Zeigefinder in Richtung der Magnetfeldlinien (hier: nach unten) wirkt eine Kraft in Richtung des Mittelfingers (hier: in die Ebene hinein).

Das Elektron würde also (zusätzlich zur Bewegung nach links) in die Ebene hineinbewegt.

Bewegung eines Leiters im Magnetfeld

Betrachtet man nun den Leiter im Magnetfeld und bewegt ihn nach links, werden ebenfalls alle Elektronen im Leiter in die Ebene gedrängt.

Es entsteht also am hinteren Ende des Leiters eine Ansammlung von Elektronen, während vorn die Elektronen fehlen, weil sie ja nach hinten abgedrängt wurden.

Unterschiedliche Konzentrationen von Ladungsträgern bewirken bekanntlich eine elektrische Spannung. Durch die Bewegung des Leiters Im Magnetfeld wurde also eine Spannung erzeugt.

Dieses Phänomen wird bei der Erzeugung elektrischer Spannung in Generatoren genutzt, die Basis unserer elektrischen Energieversorgung darstellen.

Durch die mechanische Energie aus Wind-, Wasser-, Kohle-, Atom-, … kraft werden Leiter in Form von Spulen in einem Magnetfeld bewegt und so Spannungen erzeugt.

Die so erzeugte Spannung nennt man induzierte Spannung.

Video zur Induzierten Spannung im Magnetfeld

Im Video versuche ich das Phänomen noch einmal bildlich darzustellen.

In dem vergangenen Artikel haben wir bereits eine Möglichkeit gesehen, um die Richtung der Kraft F zu bestimmen.

Mit Hilfe der Drei-Finger-Regel (der rechten Hand !!) lässt sich die Richtung der Kraft bestimmen.

Hierbei zeigt der Daumen der rechten Hand in Richtung der technischen Stromrichtung und der Zeigefinger in Richtung des äußeren Magnetfeldes, also von Nord nach Süd.

Spreizt man die Finger so, dass sich Daumen, Zeigefinger und Mittelfinger senkrecht zueinanderstehen entsteht ein rechtwinkliges Koordinatensystem, bei dem der Mittelfinger die Richtung der Kraft anzeigt.

Falls Dir dieses Prinzip nicht mehr geläufig ist, empfehle ich Dir den Artikel zur Drei-Finger-Regel.

Bestimmung der Kraftrichtung mit Hilfe der Feldlinien

Eine zweite Möglichkeit zur Bestimmung der Kraftrichtung eines stromdurchflossenen Leiters in einem Magnetfeld ist die Untersuchung der Feldlinien.

Hierbei betrachtet man die einzelnen Feldlinien, also die Feldlinien des äußeren Magnetfeldes und die Feldlinien des stromdurchflossenen Leiters zunächst einmal getrennt.

Anschließend stellte man die Bereiche fest, in denen die Magnetfeldlinien in die gleiche Richtung zeigen. In diesem Bereich verstärken sich die Magnetfeldlinien.

In dem Bereich, in dem die Feldlinien aus äußerem Magnetfeld und die des Leiters in entgegengesetzte Richtungen zeigen, schwächen sich die Magnetfeldlinien. Das resultierende Magnetfeld ist also schwächer.

Die Kraftwirkung auf den Leiter ergibt sich nun in Richtung des geschwächten Magnetfeldes.

In der Literatur liest man gelegentlich die Eselsbrücke, mit dem man sich die Magnetfeldlinien als Gummibänder vorstellen kann. Die Gummibändern sind auf der Seite des stärkeren Magnetfeldes gespannt und drücken den Leiter auf die andere Seite.

Je nach Konstellation ist entweder die Drei-Finger-Regel oder das in diesem Artikel beschriebene Verfahren besser geeignet.

Welches Verfahren man anwendet ist aber letztendlich egal. Beide Verfahren kommen selbstverständlich zum gleichen Ergebnis.

Im Video werden die beiden Verfahren an einem Beispiel noch einmal gezeigt.

Es ist aber auch möglich von einem festen Magneten eine Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter auszuüben.

Man bringt dazu einen Leiter in ein Magnetfeld, schickt einen elektrischen Strom durch diesen Leiter und schon bewegt sich der Leiter.

Oder umgekehrt:

Man hat einen Leiter durch den ein elektrischer Strom fließt und bringt nun einen Magneten in die Nähe des Leiters. Wenn man das aus der richtigen Richtung macht, und zwar senkrecht zur Stromrichtung, dann bewegt sich der Leiter.

Drei-Finger-Regel zur Bestimmung der Kraftrichtung

In dem Versuch hat man mit drei Größen zu tun.

• Dem magnetischen Feld
• Dem elektrischen Strom
• Der Kraft

Alle drei Größen haben eine Richtung. In welche Richtung die Kraft bei gegebenem Magnetfeld und gegebener Stromrichtung wirkt kann man sich anhand einer weiteren Regel mit der rechten Hand merken, der sogenannten Drei-Finger-Regel.

Diese Regel kann man sich, wie ich finde, am leichtesten mit den Buchstaben U, V und W merken.

Dabei steht U für die Ursache der Kraft, V für die Vermittlung und W für die Wirkung.

• Ursache für das Phänomen ist der elektrische Strom,
• Vermittlung ist das magnetische Feld und die
• Wirkung in die Kraft

Man nimmt hierzu die rechte Hand, spreizt Daumen, Zeigefinger und Mittelfinger, so dass man ein rechtwinkliges Koordinatensystem erhält.

Dann zeigt der Daumen in Richtung der Ursache (des elektrischen Stroms), der Zeigerfinger in Richtung der Vermittlung (des magnetischen Feldes) und der Mittelfinger in Richtung der Wirkung (also der Kraft).

Im Video wird dieses Vorgehen noch einmal gezeigt.

An mehreren Beispielen und Experimenten wird anschließend die Anwendung der Drei-Finger-Regel geübt.

Interessant ist ebenfalls die Anwendung der Drei-Finger-Regel zur Untersuchung von 2 parallel liegenden stromdurchflossener Leiter.

Hierbei liegt der eine Leiter im Magnetfeld des anderen Leiters.

Durch diese Betrachtung kann man herausfinde, ob sich die Leiter abstoßen oder anziehen.

Viel Spaß mit dem Video.

Mit einem Kompass konnten die Seefahrer feststellen, wo sich Nord- und Südpol befinden und sich so auf den Weltmeeren orientieren.

Der magnetische Nordpol befindet sich in der Nähe des geographischen Südpols, der magnetische Südpol in der Nähe des geographischen Nordpols, leicht nach Kanada verschoben.

Weil sich Nord- und Südpol anziehen, zeigt also der Nordpol einer Kompassnadel nach Norden. Also in die Richtung, in der sich der magnetische Südpol befindet.

Magnetische Feldlinien

Magnete sind immer Dipole. Das heißt, ein Nordpol bzw. ein Südpol tritt nie allein auf.

Zwischen den Polen existieren Feldlinien, die beschreiben in welche Richtung ein magnetischer Nordpol eine Kraft erfahren würde. Da solch ein „Test-Nord“ vom Nordpol des Magnetfeldes abgestoßen und vom Südpol angezogen werden würde, verlaufen Magnetfeldlinien (außerhalb des Magnetes) immer vom Nord- zum Südpol.

Magnetfelder sind jedoch immer geschlossene Feldlinien, im Gegensatz zu den elektrischen Feldlinien. Innerhalb des Magnetes verlaufen die Magnetfeldlinien also weiter und bilden so einen geschlossenen Umlauf.

Oersted hat den Zusammenhang zwischen Elektrizität und Magnetismus festgestellt. In einem Versuch hat der den Einfluss der beiden Phänomene gezeigt. Siehe auch den Artikel zur Rechte-Hand-Regel.

Wenn man eine stromdurchflossene Leitung zu einer Spule wickelt, kann man größere Magnetfelder erzeugen. Details hierzu findest Du auch im Artikel zum Magnetfeld einer Spule.

Ein Magnetfeld, das durch eine Spule erzeugt wird kann ebenfalls quantitativ beschrieben werden.

Magnetische Feldstärke

Eine wichtige Größe ist die magnetische Feldstärke. In diesem Artikel findest Du die wichtigsten Grundgrößen des Magnetismus, speziell des Elektromagnetismus.

Im folgenden Video werden die genannten Themen noch einmal an Experimenten gezeigt. Zum Schluss des Videos siehst Du zudem noch einige Anwendungen des Elektromagnetismus.

Den Elektromotor, den ich hier auf ET-Tutorials in der Reihe zu den elektrischen Maschinen noch genauer erklären werde und den FI-Schutzschalter.

Wie wir später in der Reihe über elektrische Maschinen sehen werden, benötigt man Magnetfelder um beispielsweise Elektromotoren zu bauen.

Weil der Läufer des Elektromotors irgendwie in das Magnetfeld gebracht werden muss, kann der Eisenkern des magnetischen Kreises nicht gehschlossen bleiben, sondern muss geöffnet werden.

Es entstehen auf diese Weise ein oder mehrere Luftspalte.

Die Magnetfeldlinien verlaufen dann nicht mehr nur im Eisenkern, sondern müssen ebenfalls den Luftspalt überwinden.

Das beeinträchtigt das Magnetfeld.

Bzw. andersherum: Um das gleiche Magnetfeld zu erzeugen, muss man bei einem Luftspalt erheblich größere Anstrengen aufbringen, sprich einen größeren elektrischen Strom durch die Spule schicken, als ohne Magnetfeld.

Um dieses Thema geht als im heutigen Video.

Welche Stromstärke muss ich aufbringen, um im Luftspalt eine Flussdichte von B=1,6T zu erzeugen?

Zunächst einmal muss man sich klar machen, was eine gewünschte Flussdichte für die gesamte Anordnung bedeutet.

Die Flussdichte ist, anschaulich gesehen, die Anzahl Feldlinien pro durchdrungene Fläche.

Wenn der Luftspalt schmal ist, verlassen kaum Feldlinien den magnetischen Kreis. Näherungsweise kann man also annehmen, dass alle Feldlinien den kompletten Kreis durchlaufen.

Die Flussdichte ist also überall gleich groß.

Berechnung des magnetischen Kreises

Das ist der übliche Einstieg, um den magnetischen Kreis zu berechnen.

Da die magnetische Feldstärke bei einer gegebenen magnetischen Flussdichte aber vom Material abhängig ist, erhalten wir für den Luftspalt eine andere magnetische Feldstärke H als für den Eisenkern.

Für den Luftspalt gilt: H= B / µo

Für den Eisenkern erhalten wir H aus der Magnetisierungskennlinie.

Aus den so bestimmten magnetischen Feldstärken kann man die benötigte magnetische Durchflutung für beide Teilstrecken berechnen.

Die zu erbringende magnetische Durchflutung ist die Summe der Einzeldurchflutungen.

Wenn man die Windungszahl der Spule kennt, kann man so die erforderliche Stromstärke berechnen.

Video zum magnetischen Kreis mit Luftspalt

Diese Vorgehensweise geht zu den Standardaufgaben in Klassenarbeiten zum magnetischen Kreis.

Ich rechne daher die Aufgabe im Video einmal an diesem Beispiel vor.

So werden beispielsweise in Transformatoren, mit denen aus großen Spannungen kleine Spannungen erzeugt werden, oder umgekehrt, aber auch elektrische Motoren und Generatoren Eisenkerne verwendet

Warum man das macht: Darum geht es in diesem Artikel.

Zur Erzeugung des Magnetfeldes nutzt man Spulen. Durch die Spulen schickt man einen elektrischen Strom und leitet dann das Magnetfeld durch einen Eisenkern.

Der Eisenkern bringt hierbei enorme Vorteile.

Zum einen werden die Magnetfeldlinien geführt. Da Eisenkerne einen geringeren magnetischen Widerstand haben als die Umgebung (Luft) bleibt der größte Teil der Magnetfeldlinien im Eisenkern.

Ähnlich wie beim elektrischen Stromkreis, bei dem die Elektronen in den Leitungen bleiben und nicht an die Umgebung abgegeben werden.

Es gibt jedoch noch einen zweiten Vorteil. Und um den geht es im heutigen Video.

Verstärkung des Magnetfeldes durch den Eisenkern

Ein Eisenkern verstärkt das Magnetfeld.

Das kann man sich so vorstellen.

Ein Eisenkern besteht im Inneren aus vielen kleinen Elementarmagneten. Diese Elementarmagnete sind zunächst einmal ungerichtet. Das heisst: Es gibt keine Vorzugsrichtung, alle Ausrichtungen (Nord-Süd) sind gleich wahrscheinlich und kommen gleich häufig vor.

Der Eisenkern ist also nicht magnetisch. Es gibt keinen ausgeprägten Nord- , bzw. Südpol.

Wenn nun eine Spule um diesen Eisenkern gewickelt und einen elektrische Strom durch die Spule geschickt wird, erzeugt die Spule ein Magnetfeld. Dieses Magnetfeld bewirkt zusätzlich, dass die Elementarmagnete des Eisenkerns ausgerichtet werden.

Das resultierende Magnetfeld ergibt sich nun aus beiden Magnetfeldern.

1. Das Magnetfeld der Spule
2. Das Magnetfeld der nun ausgerichteten Elementarmagneten

Das sich Magnetfeld, das so entsteht, ist also stärker als ein Magnetfeld ohne Eisenkern.

Und zwar erheblich stärker, wie wir in einem späteren Video sehen werden.

Video zum Eisen im Magnetfeld

Im heutigen Video versuche ich diese Vorgänge noch einmal zu verdeutlichen.

So wie wir auch elektrische Grundgrößen wie die elektrische Spannung, den elektrischen Strom, den elektrischen Widerstand, … haben, gibt es auch im Bereich des Magnetismus Grundgrößen, die zum Verständnis der späteren Anwendungen helfen.

Um diese Grundgrößen soll es in diesem Artikel gehen.

Wenn Du später elektrische Maschinen, wie Motoren, Generatoren oder Transformatoren planen möchtest, brauchst Du diese magnetischen Grundgrößen.

Möchtest Du elektrische Maschinen später nur für Deine Zwecke einsetzen, sind die magnetischen Grundgrößen nicht ganz so wichtig.

Es schadet aber nicht, einmal davon gehört zu haben.

Los geht’s.

Wir stellen uns einen magnetischen Kreis vor, in dem die magnetischen Feldlinien geführt werden.

Dies kann eine geschlossene Luftspule, oder aber ein durch einen Eisenkern realisierten magnetischer Kreis sein.

Magnetische Durchflutung

Um ein Magnetfeld zu erzeugen, benötigt man einen elektrischen Strom und mehrere Windungen. Je größer der Strom ist und je mehr Windungen man hat, desto größer wird das magnetische Feld werden.

Die Größe, die man also in das System hineinsteckt ist Strom x Windungszahl und wird als Durchflutung θ bezeichnet:

θ = N x I

Magnetische Feldstärke

Diese “hineingesteckte” Durchflutung verteilt sich über die Gesamtlänge der Feldlinien und ergibt so die Magnetische Feldstärke H.

H = θ /lm

Magnetische Flussdichte (Induktion)

Durchflutung und magnetische Feldstärke beschreibt sozusagen die Herkunft des Magnetfeldes, die Ursache.

Die Wirkung des Magnetfeldes äußert sich durch die Magnetische Flussdichte B. Über die Magnetische Flussdichte können später Aussagen zur Abstoßung und Anziehung gemacht werden.
Wenn die Magnetfeldlinien durch Luft geführt werden ist B proportional zu H. Der Proportionalitätsfaktor ist µ0.

Also

B = µ0 x H

Bei anderem Materialen sieht das etwas anders aus. Mehr dazu in einem späteren Artikel zum Thema Eisen im Magnetfeld.

Der Magnetische Fluss

Während die Flussdichte anschaulich gesehen die Anzahl der Feldlinien durch eine gewisse Fläche beschreibt, daher auch der Begriff Flussdichte, beschreibt der magnetische Fluss Φ die Anzahl der Feldlinien.

Es gilt:

Φ = B x A
Im heutigen Video zeige ich die Zusammenhänge.

Das Magnetfeld eines einzelnen Leiters ist jedoch sehr schwach. Für die industrielle Verwendung, wie den Bau eines Elektromotors, zu schwach.

Um stärkere Magnetfelder zu erzeuge, nutzt man folgenden „Trick“.

Man nutzt den elektrischen Strom einfach öfter indem man den Leiter zu einer Spule wickelt.

In jeder Wicklung fließt der gleiche Strom. Und elektrischer Strom erzeugt nun einmal ein Magnetfeld.

Haben die durch die einzelnen Windungen erzeugten Magnetfeldlinien den gleichen Umlaufsinn, so addieren sich die einzelnen Magnetfelder zu einem starken Magnetfeld.

Dieser Umstand wird in der Praxis genutzt.

Im heutigen Video zeige ich, wie durch das Aufwickeln des Leiters zu einer Spule ein stärkeres Magnetfeld aufgebaut wird.

Die Magnetfelder der Wicklungen haben im Spuleninnenraum die gleiche Richtung und verstärken sich dort.

Das Magnetfeld einer Spule – Rechte-Hand-Regel

Die Polung des sich ergebenen Magnetfeldes kann man sich durch die Addition der einzelnen Magnetfelder herleiten.

Einfacher ist es jedoch sich eine weitere Eselsbrücke zu merken. Da diese Eselsbrücke wieder mit der rechten Hand funktioniert, erhalten wir eine zweite Rechte-Hand-Regel.

Wichtig: Bitte immer die Rechte Hand verwenden. Mit der linken Hand erhälst DU das falsche Ergebnis.

Also auch in Klassenarbeiten den Stift aus der rechten Hand legen und die rechte Hand verwenden.

Du glaubst nicht, wie oft aus Faulheit der Stift in der rechten Hand gelassen wird und dann versucht wird die Richtung des Nordpols mit der linken Hand zu ermitteln.

Wie funktioniert denn nun diese Rechte-Hand-Regel

Man legt die rechte Hand so auf die Spule, so dass die Finger in Richtung technischer Stromrichtung zeigen.

Der Daumen zeigt dann die Feldlinienrichtung an. Der Daumen zeigt also in Richtung Nordpol.

Das Video zum Magnetfeld einer Spule

Der Zusammenhang ist folgender:

Sobald elektrische Ladungen bewegt werden bildet sich ein Magnetfeld um diese Ladungsträger.

Magnetische Felder lassen sich also einfach durch Ladungsträgerbewegung, sprich dem elektrischen Strom erzeugen.

Ein einfacher Versuch, den der Däne Oersted im Jahr 1820 gemacht hat, zeigt wie elektrischer Strom eine Kompassnadel beeinflusst. Der elektrische Strom erzeugt also ein Magnetfeld.

Das erzeugte Magnetfeld ist ein konzentrischer Kreis, also ein Kreis der um der Leiter „herum“ verläuft.

Rechte Handregel

Die Orientierung des entstandenen Magnetfeldes kann man sich mit Hilfe der „Rechte-Hand-Regel“ merken.

Wie die Orientierung des Magnetfeldes aussieht und wie die Rechte-Hand-Regel angewendet wird, zeige ich im heutigen kurzen Video.

Bevor wir uns aber in den weiterführenden Artikeln mit der Anwendung des Magnetismus in der Elektrotechnik beschäftigen möchte ich in diesem Artikel zunächst einige Grundlagen des Magnetismus ins Gedächtnis zurückrufen.

Magnete sind Dipole.

Das heisst, es tritt nie ein Pol einzeln auf. Die magnetischen Pole werden Nordpol und Südpol genannt.

Diese Polbezeichnung kennt man auch von der Erde. Auf der Erde gibt es einen geographischen Nordpol und einen geographischen Südpol.

Zudem gibt es auf der Erde ein Erdmagnetfeld. Der magnetische Südpol befindet sich (zur Zeit) in der Nähe des geographischen Nordpols. Der magnetische Nordpol befindet sich in der Nähe des geographischen Südpols.

Das (zur Zeit) habe ich hier noch erwähnt, da sich alle paar Tausend Jahre die Polung des Erdmagnetismus umkehrt.

Das heißt es gab, und wird es auch wieder geben, Phasen, in denen sich der magnetische Norpol in der Nähe des geographischen Nordpols befindet.

Also nicht wundern, wenn Du eines Morgens aufwachst und Dein Kompass nicht mehr funktioniert.

Gleichnamige Pole stoßen sich ab, ungleichnamige Pole ziehen sich an

Wobei wir auch schon bei der ersten Anwendung des Magnetismus wären.

Gleichnamige Pole, also Nord- und Nordpol, bzw. Süd- und Südpol stoßen sich ab. Aus diesem Grund zeigt der Nordpol einer Kompassnadel die Richtung zum geographischen Nordpol an. Wo sich der magnetische Südpol befindet, der den Nordpol der Kompassnadel anzieht.

Diese Mechanismus wird auch bei Elektromotoren verwendet, bei denen diese Kräfte, bzw. Drehmomente genutzt werden, um Elektroantriebe zu bauen. Aber dazu mehr in späteren Artikeln.

Der Nordpol ist rot, der Südpol ist grün

Bei Permanentmagneten ist folgende Farbgebung üblich.

Nordpole sind rot.

Südpole sind grün.

Mit der Eselsbrücke „o“ in Nord und rot und „ü“ in Süd und grün läßt sich die Farbgebung gut merken.

Nord und Südpol erzeugen ein Magnetfeld, dass einen Permanentmagneten am Nordpol verlässt und am Südpol wieder eintritt.

Die Magnetfeldlinien setzen sich innerhalb des Magneten fort, so dass sich immer geschlossene Magnetfeldlinien bilden.

Im Gegensatz zu den elektrischen Feldern, die am Pluspol einer Ladung beginnen und am Minuspol enden, sind Magnetfeldlinien geschlossene Linien.

Das Video zum Thema Magnete sind Dipole