Elektromagnet

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Was ist ein Elektromagnet?

Ein Elektromagnet ist ein elektrisch betriebener Magnet. Er muss mit Strom angetrieben werden. Dabei kann die Stärke des Elektromagneten durch den Strom reguliert werden. Schaltet man den Strom aus, so verschwindet auch das Magnetfeld wieder. Deshalb werden in der Technik oft Elektromagnete und keine Permanentmagnete eingesetzt, da regulierbare Magnetfelder Vorteile bieten. Im einfachsten Fall wirkt eine Drahtspule, durch die ein Strom läuft, wie ein Elektromagnet.

Inhaltsverzeichnis

Wirkprinzip von Elektromagneten

Ein Elektromagnet ist ein Gerät, welches durch Anschluss an eine Stromquelle ein Magnetfeld erzeugt. Meist handelt es sich um einen spulenförmig aufgewickelten stromdurchflossenen Leiter mit einem ferromagnetischen Spulenkern. Das Magnetfeld wird durch die bewegten Ladungen des Stromes im Leiter verursacht.

Nach heutiger Erkenntnis ist die Bewegung von Ladungsträgern die einzige Möglichkeit, ein Magnetfeld zu erzeugen. Dies wird so auch durch die von dem Physiker James Clerk Maxwell aufgestellten Maxwellgleichungen, die Grundgleichungen der Elektrodynamik, beschrieben. Die Maxwellgleichungen beschreiben exakt die Größe der magnetischen und elektrischen Felder in Abhängigkeit von Strömen und Ladungen. Mehr zur Geschichte der Magnete können Sie in unserem Ratgeber nachlesen.

Grundsätzlich existieren nur Magnetfelder, die durch Ladungsbewegung erzeugt werden. Dabei entsteht immer ein Magnetfeld mit einem Nordpol und einem Südpol. Quellen des Magnetfeldes, wie die Ladungen die Quellen des elektrischen Feldes sind, gibt es nicht.

Der erste Physiker, welcher die magnetischen Kräfte eines stromdurchflossenen Leiters erkannte, richtig interpretierte und seine Entdeckung aufschrieb, war Hans Christian Oersted. Oersted beobachtete dabei 1820 die Auslenkung einer Kompassnadel in der Nähe eines stromdurchflossenen Drahtes.

Auch die magnetischen Kräfte der Permanentmagnete werden durch mikroskopische Ladungsbewegung in der Materie verursacht. So bewegen sich die Elektronen in den Atomen mit einer großen Geschwindigkeit. Die Elektronen haben dabei auch einen charakteristischen Elektronenspin. Beides verursacht ein magnetisches Moment und damit magnetische Kräfte.

Mit großen Spulen, durch die starke Ströme geleitet werden, sind bisher die größten Magnetfelder überhaupt erzeugt worden. Das Magnetfeld H in der Mitte einer Spule der Länge l und des Radius R ist proportional zum Strom in der Spule I, es ist proportional zur Zahl der Windungen der Spule n und es ist bei sehr langen Spulen indirekt proportional zur Länge der Spule l, bzw. bei sehr kurzen Spulen indirekt proportional zum Radius der Spule R. Die Formel für das magnetische Feld H auf der Achse einer stromdurchflossenen Zylinderspule lautet:

\(H = \frac{n\cdot{I}}{\sqrt{l^2+4\cdot{R^2}}}\)
Besonders stark ist also das Magnetfeld einer Spule mit kleinem Durchmesser und einer sehr großen Windungszahl, wenn durch diese ein sehr großer Strom geschickt wird.

Zur Erzeugung besonders großer Magnetfelder werden deshalb heute supraleitende Spulen mit großer Windungszahl eingesetzt. Supraleiter sind Materialien, die keinen elektrischen Widerstand besitzen, also reibungsfrei Strom leiten. Durch das supraleitende Material kann deshalb ein sehr großer Strom fließen. Um die Querschnittsfläche und damit den Durchmesser der Spule zu verringern, wurden in Experimenten der Grundlagenforschung zu hohen Magnetfeldern supraleitende Spulen durch eine um die Spule herum angebrachte Sprengladung zusammengesprengt. Dabei verringert sich der Durchmesser der supraleitenden Spule schlagartig und das Magnetfeld steigt kurzzeitig stark an, auch wenn es dann sofort wieder zusammenbricht, weil die Spule ja zerstört wurde. Durch die Sprengung wurden die magnetischen Feldlinien quasi zusammengedrückt.

Mit diesem Verfahren wurden bereits Magnetfelder von einigen 10 000 Tesla Magnetfeldstärke erzeugt. Noch größere Magnetfelder existieren im Weltall an der Oberfläche von Neutronensternen.

Abbildung zum Aufbau eines Elektromagneten

Die Abbildung links zeigt einen Ausschnitt des Magnetfeldes H eines vom Strom I durchflossenen Leiters. In der Mitte ist der Verlauf der Feldlinien gezeigt, wenn der Leiter zu einer Schleife gebogen wird.Werden viele Leiterschleifen (Windungen) um einen ferromagnetischen Kern gewickelt (rechte Seite) und an den Leiter eine Spannung U angelegt, so fließt ein Strom I und ein Magnetfeld H entsteht, welches durch den ferromagnetischen Kern und die große Zahl von Windungen vielfach stärker ist als das Magnetfeld der einzelnen Leiterschleife.Dieser Aufbau entspricht einem klassischen Elektromagneten.Die Form des Magnetfeldes ist jedoch ähnlich wie bei einer Leiterschleife und identisch wie bei einem stabförmigen Permanentmagneten.Der Übersicht halber wurden die Feldlinien bei der Spule rechts nur angedeutet. Sie sind viel dichter als bei der einzelnen Leiterschleife und verlaufen vom Nordpol (hier die Unterseite der Spule) zum Südpol (hier die Oberseite der Spule), um sich im Innenraum des Elektromagneten wieder zu schließen. Nord- und Südpol können durch Vertauschen der Pole der Spannungsquelle und damit durch Umkehren der Stromrichtung umgepolt werden.

In einem ferromagnetischen Material existieren elementare magnetische Polarisationen, die sich in einem äußeren Magnetfeld ausrichten und es bis auf das Tausendfache verstärken können. Deshalb werden ferromagnetische Materialien in Elektromagneten als Spulenkerne eingesetzt. Im einfachsten Fall wird einfach ein Draht um einen Zylinder aus ferromagnetischem Material (z. B. Eisen) gewickelt.

Ein einfaches Experiment dazu kann jeder zu Hause durchführen. Dazu muss man nur einen Kupferdraht um einen Bleistift wickeln. Wenn nun die Enden des Kupferdrahtes jeweils an Plus- bzw. Minuspol einer Batterie angeschlossen werden, so fließt durch den Draht ein Strom und es entsteht ein Elektromagnet. Mit diesem lässt sich beispielsweise eine Kompassnadel auslenken.

Wird der Kupferdraht statt um einen Bleistift um einen Eisenzylinder, z. B. einen Nagel, gewickelt, so ist das Magnetfeld deutlich stärker. Es wird durch den ferromagnetischen Kern um den Faktor μ, die magnetische Permeabilität, verstärkt. Für Eisen kann μ Werte größer als 1 000 annehmen.

Technische Anwendungen von Elektromagneten

Elektromagnete finden heute unter anderem Einsatz in Generatoren und Elektromotoren, finden sich in Relais und sind Voraussetzung für zahlreiche elektronische Bauteile im Bereich Funk und Fernsehen. Übliche Transformatoren bestehen zum Beispiel aus gegenüberstehenden Spulen unterschiedlicher Windungszahl.
In einem Transformator, der zwei Spulen enthält, induziert das Magnetfeld der einen Spule eine Spannung in der gegenüberliegenden Spule. Die Größe dieser Spannung hängt vom Verhältnis der Windungszahlen beider Spulen ab. Somit ist es möglich, Spannungen zu erhöhen oder zu erniedrigen, ohne dass (außer Wärmeverlusten) viel Leistung verloren geht.

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Autor:
Dr. Franz-Josef Schmitt

Dr. Franz-Josef Schmitt ist Physiker und wissenschaftlicher Leiter des Fortgeschrittenenpraktikums Physik an der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg. Er war 2011–2019 an der Technischen Universität beschäftigt und leitete diverse Lehrprojekte und das Projektlabor Chemie. Sein Forschungsschwerpunkt ist zeitaufgelöste Fluoreszenzspektroskopie an biologisch aktiven Makromolekülen. Er ist ausserdem Geschäftsführer der Sensoik Technologies GmbH.

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