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Elektromagnetismus

Eigenschaften und Gesetze elektrischer Schaltungen sowie Permanentmagnetismus

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Themenübersicht in Elektromagnetismus

Elektrostatik

Die Elektrostatik befasst sich mit ruhenden Ladungen und den damit einhergehenden Phänomenen. Die ruhenden Ladungen entstehen durch Reibung zwischen Nichtleitern. Im sehr großen Umfang passiert dies in Gewitterwolken, aber auch auf geladenen Kondensatorplatten befinden sich ruhende Ladungen.

Das Formelzeichen der Ladung ist das $Q$, ihre Einheit das Coulomb ($C$).

Alle ruhenden Ladungen sind Quellen elektrischer Felder. Mittels der elektrischen Felder werden Kräfte auf andere Ladungsträger übertragen. Die Feldlinien einzelnen Ladungen sind offen, sie reichen unendlich weit in den Raum. Die Feldlinien zweier unterschiedlicher Ladungen sind geschlossen, zwischen ihnen wirken anziehende Kräfte. Die Feldlinien zweier gleicher Ladungen sind offen und weichen einander aus, zwischen ihnen wirken abstoßenden Kräfte.

Die elektrische Kraft zwischen zwei ruhenden Punktladungen ist die Coulombkraft.

Die Ladungsträger in einer Gewitterwolke erzeugen durch Influenz ebenfalls ein elektrisches Feld zwischen der Wolke und dem Erdboden. Der Ladungsausgleich zwischen Wolke und Erboden erfolgt durch Blitze.

Wolke-Gewitter.jpg

Elektrischer Strom hingegen ist definiert als die Anzahl der Ladungsträger, die sich pro Zeiteinheit durch einen Leiter bewegen. Damit gehört der Strom und seine Phänomene nicht zu der Elektrostatik.

Elektrische Schaltungen und ihre Eigenschaften

Elektrischer Strom $I$ ist auf Leiter angewiesen, durch die er fließen kann. Außerdem muss eine elektrische Spannung $U$ angelegt sein, die die Ladungsträger überhaupt erst in Bewegung versetzen. Elektrische Spannung herrscht zwischen zwei Polen, wenn an ihnen eine unterschiedliche Ladungsträgerkonzentration vorliegt. Ähnlich wie Wasser, das von oben nach unten fließt, fließen Elektronen von dem Pol hoher Elektronenkonzentration durch die Leiter zu dem Pol mit niedrigerer Elektronenkonzentration.

Damit Strom fließen kann, werden also Leiter und eine Spannungsquelle mit zwei Polen benötigt. Damit Strom nutzbar wird, muss er durch Verbraucher wie Leuchtmittel oder elektrische Geräte fließen. Diese besitzen einen elektrischen Widerstand $R$, eine Art Reibung zwischen den Elektronen und den Atomrümpfen in den Leitern.

Schaltung.jpg

Widerstände, Leiter und Spannungsquellen bilden elektrische Schaltungen, die vereinfacht durch Schaltpläne dargestellt werden. Zu unterscheiden sind Parallelschaltungen, bei der alle Verbraucher über Leiter mit den Polen der Spannungsquelle verbunden sind, und Reihenschaltungen, bei der nur der erste und letzte Verbraucher an der Spannungsquelle angeschlossen ist. Fällt bei der Reihenschaltung ein Verbraucher aus, so kann kein Strom mehr fließen. Bei Parallelschaltungen wird der defekte Verbraucher hingegen überbrückt.

Elektrik

Die Gesetze der elektrischen Schaltungen gehören zur Elektrik. Die wichtigsten Einheiten sind das Ampere (A) für die Stromstärke, das Volt (V) für die Spannung und das Ohm ($\Omega$) für den Widerstand. Die gegenseitige Abhängigkeit der genannten Größen wird durch das Ohm'sche Gesetz $U=R\cdot I$ beschrieben. Ebenfalls wichtig ist das Watt (W) als Einheit der Leistung, die dem Produkt aus Stromstärke und Spannung entspricht.

Alltägliche elektrische Schaltungen wie etwa die Elektrik eines Wohnhauses sind in der Regel komplex und eine Kombination aus Reihen- und Parallelschaltung. Das Rechnen in der Elektrik ist daher ähnlich komplex, wird aber durch das Kirchhoff'sche Gesetz vereinfacht. Das Kirchhoff'sche Gesetz umfasst zwei Rechenregeln: Die Knotenregel (Summe der Ströme am Knoten ist Null) und die Maschenregel (Summe der Spannungen entlang einer Masche ist Null).

Permanentmagnetismus

Die Permanentmagneten haben die Eigenschaft, dass sie immer magnetisch sind. Sie haben einen Südpol und einen Nordpol, die durch magnetische Feldlinien verbunden sind. Warum manche Stoffe permanent magnetisch sind, ist durch die innere Struktur der Stoffe bestimmt. Ein Modell besagt, dass ein Permanentmagnet aus vielen kleinen Elementarmagneten besteht, die alle in die gleiche Richtung zeigen: Sie sind also ausgerichtet.

Magnet.jpg

Es gibt unterschiedliche Formen von Permanentmagneten Am häufigsten findet man Scheibenmagnete, Stabmagnete und Hufeisenmagnete. Der größte und für uns wichtigste Permanentmagnet ist die Erde selbst. Die Erde verfügt über ein Magnetfeld, welches uns vor kosmischer Stahlung schützt und auch deinen Kompass führt.

Elektromagnetismus

Fließender Strom hat aber ebenso die sehr nützliche Eigenschaft, dass er ein Magnetfeld erzeugt. Fließt Strom durch eine Spule, so bildet sich in der Spule ein homogenes Magnetfeld aus. Dieses lässt sich um ein Vielfaches verstärken, wenn ein Stück Eisen in die Spule gegeben wird. So lässt sich ein Elektromagnet bauen, der bei fließendem Strom magnetisch ist und bei Abschalten des Stroms sein Magnetfeld verliert. Dieses Phänomen ist dem Elektromagnetismus zugehörig. Die Elementarmagneten eines Elektromagnets zeigen willkürlich in alle Richtungen, sodass das Gesamtmagnetfeld Null ist. Sie richten sich aber aus, wenn ein äußeres Magnetfeld angelegt wird.