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Elektromagnete – Aufbau und Funktion

Erfahre, wie ein Elektromagnet entsteht und sich von einem Permanentmagneten unterscheidet. Durch Stromfluss in einem Draht entsteht eine magnetische Wirkung, die durch Aufwickeln zu einer Spule verstärkt werden kann. Entdecke die Vorteile und Nachteile im Vergleich zu Permanentmagneten sowie Anwendungsbeispiele in unserem Alltag. Interessiert? Das und vieles mehr findest du im folgenden Text!

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Team Digital
Elektromagnete – Aufbau und Funktion
lernst du in der Unterstufe 1. Klasse - 2. Klasse - 3. Klasse - 4. Klasse - Oberstufe 5. Klasse

Elektromagnete – Aufbau und Funktion Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Elektromagnete – Aufbau und Funktion kannst du es wiederholen und üben.
  • Beschreibe, was ein Elektromagnet ist.

    Tipps

    Hier siehst du eine Abbildung zum Elektromagneten.

    Hier siehst du einen Eisenkern in einer magnetischen Spule.

    Die Stromstärke ist für die Stärke des Magnetfeldes verantwortlich.

    Lösung

    Ein Elektromagnet ist eine Spule, die aus aufgewickeltem Draht besteht und ein magnetisches Feld erzeugt, wenn ein elektrischer Strom durch sie fließt. Um den Elektromagneten zu aktivieren, muss er mit einer Spannungsquelle, beispielsweise einer Batterie, verbunden sein.

    Die Verwendung eines Eisenkerns verstärkt das erzeugte Magnetfeld des Elektromagneten. Eine weitere Eigenschaft von Elektromagneten ist, dass sie – je nach Bedarf – ein- und ausgeschaltet werden können. Dieser Vorteil resultiert aus der Tatsache, dass Elektromagnete nur dann magnetisch sind, wenn ein Strom durch die Spule fließt.

    Allerdings hat diese Eigenschaft auch einen Nachteil. Denn ständig muss Energie zugeführt werden, um das Magnetfeld aufrechtzuerhalten. Die Stärke des Magnetfeldes kann durch die Stromstärke, die durch die Spule fließt, reguliert werden.

  • Gib an, welche Aussagen auf das Experiment von Hans Christian Ørsted zur Entdeckung des Elektromagnetismus zutreffen.

    Tipps

    Ørsted führte ein einfaches Experiment durch, bei dem er einen stromdurchflossenen Draht und eine Kompassnadel verwendete: Er platzierte eine frei bewegliche Kompassnadel unter einen stromdurchflossenen Draht. Sobald der Strom durch den Draht floss, beobachtete er, dass die Kompassnadel ausgelenkt wurde und sich in Richtung des Drahtes ausrichtete.

    Die Beobachtung, dass die Kompassnadel durch den stromdurchflossenen Draht beeinflusst wurde, führte Ørsted zu der Erkenntnis, dass ein stromdurchflossener Leiter ein magnetisches Feld erzeugt, welches die Bewegung der Kompassnadel beeinflusst.

    Indem Ørsted die Kompassnadel an verschiedenen Positionen um den Draht platzierte, konnte er die räumliche Ausdehnung und Richtung des Magnetfeldes nachvollziehen. Er entdeckte, dass das Magnetfeld den stromdurchflossenen Leiter wie eine Hülle umschließt.

    Lösung

    Das Experiment von Hans Christian Ørsted im Jahr 1819 war entscheidend für die Entdeckung der Verbindung zwischen Elektrizität und Magnetismus, die als Elektromagnetismus bekannt ist. Ørsted führte ein einfaches Experiment durch, bei dem er einen stromdurchflossenen Draht und eine Kompassnadel verwendete:

    Er platzierte eine frei bewegliche Kompassnadel unter einen stromdurchflossenen Draht. Sobald der Strom durch den Draht floss, beobachtete er, dass die Kompassnadel ausgelenkt wurde und sich in Richtung des Drahtes ausrichtete. Dieses Ergebnis war überraschend, da zuvor angenommen wurde, dass elektrischer Strom und Magnetismus nichts miteinander zu tun haben.

    Die Beobachtung, dass die Kompassnadel durch den stromdurchflossenen Draht beeinflusst wurde, führte Ørsted zu der Erkenntnis, dass ein stromdurchflossener Leiter ein magnetisches Feld erzeugt, das die Bewegung der Kompassnadel beeinflusst. Mit anderen Worten: Elektrischer Strom erzeugt ein magnetisches Feld um den Draht.

    Indem Ørsted die Kompassnadel an verschiedenen Positionen um den Draht platzierte, konnte er die räumliche Ausdehnung und Richtung des Magnetfeldes nachvollziehen. Er entdeckte, dass das Magnetfeld den stromdurchflossenen Leiter wie eine Hülle umschließt.

    • Ein stromdurchflossener Draht hat Auswirkungen auf eine darunterliegende Kompassnadel.
    $\Rightarrow$ Diese Antwort ist richtig.

    • Stromdurchflossene Leiter erzeugen Magnetfelder, die sie umgeben.
    $\Rightarrow$ Diese Antwort ist richtig.

    • Das Magnetfeld ist sehr stark und gut sichtbar.
    $\Rightarrow$ Diese Antwort ist falsch: Das Magnetfeld um ein stromdurchflossenes Stück Draht ist tatsächlich sehr schwach und nicht sichtbar. Es kann die Auslenkung einer Kompassnadel verursachen, aber es ist normalerweise nicht mit bloßem Auge sichtbar.

    • Das Experiment von Ørsted führte zur Entdeckung von Elektrizität.
    $\Rightarrow$ Diese Antwort ist falsch: Das Experiment von Hans Christian Ørsted führte zur Entdeckung des Phänomens des Elektromagnetismus, nicht zur Entdeckung von Elektrizität. Ørsted zeigte, dass ein stromdurchflossener Leiter ein magnetisches Feld erzeugt und somit eine Verbindung zwischen elektrischem Strom und Magnetismus besteht. Die Entdeckung des Elektromagnetismus war ein wichtiger Schritt in der Erforschung der Beziehung zwischen Elektrizität und Magnetismus, aber Elektrizität selbst war zuvor bereits bekannt. Elektrizität und Magnetismus sind zwei separate Phänomene, die jedoch eng miteinander verknüpft sind, wie Ørsted durch sein Experiment gezeigt hat.

  • Entscheide, für welche Zwecke Elektromagnete verwendet werden.

    Tipps

    Fünf Antworten sind richtig.

    Drei der abgebildeten Zwecke hast du schon im Video kennengelernt.

    Der Elektromagnet besteht aus einem stromdurchflossenen Leiter, der oft als Spule aus aufgewickeltem Draht gestaltet ist. Wenn der Strom durch diese Spule fließt, dann erzeugt er ein magnetisches Feld um den Leiter. Überlege also nun, wo das der Fall ist.

    Durch das Umpolen und das gesteuerte Ein- und Ausschalten von Elektromagneten ist es möglich, akustische Signale und Vibrationen zu erzeugen.

    Lösung

    Der Elektromagnet besteht aus einem stromdurchflossenen Leiter, der oft als Spule aus aufgewickeltem Draht gestaltet ist. Wenn der Strom durch diese Spule fließt, dann erzeugt er ein magnetisches Feld um den Leiter.

    • Kran:
    In manchen Kränen wird ein Elektromagnet verwendet, um schwere Metallgegenstände oder Schrottmaterialien zu heben und zu transportieren. Durch die Verwendung von Elektromagneten in Kränen werden schwere Lasten schneller und sicherer bewegt, was die Produktivität und Effizienz in verschiedenen Industriezweigen erhöht.
    $\Rightarrow$ Diese Antwort ist richtig.

    • MRT-Gerät:
    In einem MRT-Gerät (Magnetresonanztomografie-Gerät) im Krankenhaus wird ein starkes Magnetfeld mithilfe eines speziellen Magneten erzeugt. Dieses Magnetfeld hilft den Ärzten, genaue Bilder von unserem Körperinneren zu machen, ohne dass sie in unseren Körper eindringen müssen. MRT-Bilder sind sehr wichtig, um viele Krankheiten zu erkennen und zu behandeln.
    $\Rightarrow$ Diese Antwort ist richtig.

    • Würfel:
    Normale Spielwürfel bestehen in der Regel aus massivem Material wie Holz, Kunststoff oder Glas und sind nicht magnetisch. Sie können daher auch nicht direkt von einem Elektromagneten angezogen oder beeinflusst werden, da sie keine magnetischen Eigenschaften aufweisen.
    $\Rightarrow$ Diese Antwort ist nicht richtig.

    • Magnetschwebebahn:
    Bei einer Magnetschwebebahn (auch als „Maglev-Bahn“ bezeichnet) wird ein Elektromagnet verwendet, um das Fahrzeug schweben zu lassen und es entlang der Strecke zu bewegen. Durch den Einsatz eines Elektromagneten wird die Magnetschwebebahn zu einem innovativen und leistungsfähigen Verkehrsmittel, das aufgrund seiner schwebenden Eigenschaften und hohen Geschwindigkeiten für den Transport über lange Distanzen und in städtischen Ballungsräumen eine attraktive Alternative sein kann.
    $\Rightarrow$ Diese Antwort ist richtig.

    • Lautsprecher:
    In einem Lautsprecher wird ein Elektromagnet verwendet, um Schallwellen zu erzeugen und somit den Ton zu erzeugen, den wir hören können: Der Elektromagnet arbeitet als Schlüsselelement des Lautsprechers. Insgesamt ermöglicht der Einsatz eines Elektromagneten im Lautsprecher die effektive Umwandlung elektrischer Signale in Schallwellen, die es uns ermöglichen, Musik und andere Tonaufnahmen zu hören. Die Funktionsweise des Elektromagneten im Lautsprecher ist ein grundlegendes Prinzip der elektroakustischen Technologie, das in verschiedenen Audiogeräten und Anwendungen weit verbreitet ist.
    $\Rightarrow$ Diese Antwort ist richtig.

    • Türklingel:
    Elektromagnete werden in Türklingeln verwendet, um einen schallenden Ton zu erzeugen, wenn der Strom durch die Spule geleitet wird und ein Magnet angezogen wird. Dieses Anziehen des Magneten bewirkt einen Mechanismus, der einen Klöppel gegen eine Glocke oder einen Gong schlägt und somit das Klingelgeräusch erzeugt.
    $\Rightarrow$ Diese Antwort ist richtig.

    • Fahrrad:
    Ein Fahrrad als Fortbewegungsmittel funktioniert nicht ausschließlich mit einem Elektromagneten. Denn ein herkömmliches Fahrrad wird durch menschliche Muskelkraft angetrieben, indem eine Person in die Pedale tritt und so die Räder zum Drehen bringt.
    $\Rightarrow$ Diese Antwort ist nicht richtig.

    • Schlüssel:
    In normalen Schlüsseln sind keine Elektromagneten eingebaut: Normale Schlüssel, wie sie im Alltag verwendet werden, bestehen in der Regel aus metallischen Materialien wie Eisen, Stahl, Messing oder anderen nicht magnetischen Metallen. Solche Schlüssel sind in sich nicht magnetisch und haben keine Eigenschaften, um ein Magnetfeld zu erzeugen oder als Elektromagnet zu fungieren.
    $\Rightarrow$ Diese Antwort ist nicht richtig.

  • Arbeite die Eigenschaften heraus, die ein Elektromagnet haben muss, um ein möglichst starkes Magnetfeld zu erzeugen.

    Tipps

    Denke über die Rolle der Windungszahl nach: Überlege, wie sich die Anzahl der Windungen in der Spule auf das Magnetfeld auswirken könnte: Welchen Einfluss hat eine große Windungszahl auf die magnetische Stärke?

    Betrachte den Einfluss der Baulänge: Was bedeutet eine kurze Baulänge für den Elektromagneten? Wie kann eine kürzere Baulänge die Effizienz des Elektromagneten beeinflussen?

    Schaue dir die Bedeutung eines dicken Drahtes und eines großen Stroms an: Wie hängen diese beiden Eigenschaften zusammen und wie beeinflussen sie die magnetische Stärke des Elektromagneten?

    Lösung

    Um ein möglichst starkes Magnetfeld zu erzeugen, muss ein Elektromagnet bestimmte Eigenschaften aufweisen. Dazu gehören:

    • eine große Windungszahl,
    • eine kurze Baulänge,
    • ein Eisenkern und
    • ein dicker Draht, der einen großen Strom ermöglicht.

    Die Windungszahl
    Eine große Windungszahl ist für ein starkes Magnetfeld wichtig: Durch die vielen Windungen in der Spule wird die magnetische Wirkung des Elektromagneten erhöht. Dies bedeutet, dass je mehr Windungen wir in der Spule haben, desto stärker wird das erzeugte Magnetfeld sein.

    Die Baulänge
    Möglichst kurz sollte die Baulänge des Elektromagneten für ein starkes Magnetfeld sein. Eine kurze Baulänge reduziert nämlich den Widerstand und ermöglicht einen effizienteren Stromfluss. Dadurch kann die Leistungsfähigkeit des Elektromagneten gesteigert werden, da weniger Energie verloren geht.

    Das Innere der Spule
    Ein Eisenkern ist eine weitere wichtige Eigenschaft, um ein starkes Magnetfeld zu erzeugen: Der Eisenkern zieht die magnetischen Feldlinien an und verstärkt somit die magnetische Leitfähigkeit des Elektromagneten. Dies bedeutet, dass das Magnetfeld durch den Einsatz eines Eisenkerns erheblich gestärkt wird.

    Der Drahtdurchmesser
    Zudem spielt der Durchmesser des Drahtes eine entscheidende Rolle. Denn ein dicker Draht ermöglicht einen größeren Stromfluss durch die Spule. Da die magnetische Stärke direkt proportional zur Stromstärke ist, führt ein größerer Strom zu einem stärkeren Magnetfeld. Ein dicker Draht trägt also wesentlich dazu bei, ein besonders kraftvolles Magnetfeld zu erzeugen.

  • Beschreibe die Abbildung zum Elektromagneten.

    Tipps

    Zunächst benötigt man eine Spannungsquelle, die elektrische Energie liefert, um den Elektromagneten zu aktivieren. Dies kann beispielsweise eine Batterie oder ein Netzteil sein.

    Der eigentliche Elektromagnet besteht aus einem stromdurchflossenen Leiter, der oft als Spule aus aufgewickeltem Draht gestaltet ist.

    Wenn der Strom durch diese Spule fließt, dann erzeugt er ein magnetisches Feld um den Leiter.

    Hier siehst du das magnetische Feld um den Elektromagneten.

    Lösung

    Zum Aufbau eines Elektromagneten gehören folgende Komponenten: eine Spannungsquelle, ein stromdurchflossener Leiter und ein erzeugtes magnetisches Feld.

    Zunächst benötigt man eine Spannungsquelle, die elektrische Energie liefert, um den Elektromagneten zu aktivieren. Dies kann beispielsweise eine Batterie oder ein Netzteil sein.

    Der eigentliche Elektromagnet besteht aus einem stromdurchflossenen Leiter, der oft als Spule aus aufgewickeltem Draht gestaltet ist. Wenn der Strom durch diese Spule fließt, dann erzeugt er ein magnetisches Feld um den Leiter. Das geschieht aufgrund der Wechselwirkung zwischen dem elektrischen Strom und den geladenen Teilchen im Draht, was eine magnetische Wirkung zur Folge hat.

    Das magnetische Feld, das durch den stromdurchflossenen Leiter erzeugt wird, umschließt den Leiter wie eine Hülle. Die Stärke und Ausrichtung des Magnetfeldes hängen von der Stromstärke im Leiter ab. Ein wichtiger Aspekt des Elektromagneten ist, dass das Magnetfeld nur solange vorhanden ist, wie Strom durch den Leiter fließt: Sobald der Strom abgeschaltet wird, verschwindet auch das Magnetfeld.

    Der Elektromagnet kann jedoch weiter modifiziert und verstärkt werden, um seine magnetische Wirkung zu erhöhen. Eine Möglichkeit besteht darin, den Draht der Spule enger aufzuwickeln, sodass sich die Magnetfelder der vielen Windungen überlagern und ein stärkeres Gesamtfeld entsteht. Diese Anordnung wird als magnetische Spule bezeichnet.

    Darüber hinaus kann man die magnetische Wirkung des Elektromagneten durch Hinzufügen eines Eisenkerns weiter verstärken: Der Eisenkern ist ein einfacher Stab aus magnetisierbarem Material, der in die Mitte der magnetischen Spule eingeführt wird. Die Elementarmagnete im Eisenkern richten sich nach dem Magnetfeld der Spule aus und verstärken es dadurch. Der Elektromagnet mit einem Eisenkern verhält sich wie ein starker Stabmagnet mit einem Nordpol und einem Südpol.

  • Erkläre die Funktionsweise einer Klingel.

    Tipps

    Hier siehst du eine beschriftete Klingelschaltung.

    Wenn der Schalter geschlossen wird, dann kann der elektrische Strom fließen.

    Der Strom, der durch die Spule fließt, erzeugt ein Magnetfeld um den Eisenkern und dieses zieht dann den Schlaghammer (Klöppel) an.

    Lösung

    Die Funktionsweise einer elektrischen Klingel lässt sich in mehreren Schritten erklären:


    • Stromversorgung:
    Die Klingel wird an das elektrische Netz angeschlossen, wodurch ein Stromkreislauf entsteht. Dieser Stromkreislauf umfasst in der Regel einen Transformator, der die Spannung reduziert, und einen Schalter.

    • Betätigung des Schalters:
    Wenn jemand die Klingel betätigt – sei es durch Drücken eines Knopfes oder das Drehen eines Türklinkensensors –, dann schließt sich der Schalter im Klingelmechanismus.
    • Stromfluss:
    Durch das Schließen des Schalters kann der elektrische Strom fließen. Dieser Strom fließt durch einen Elektromagneten, der sich im Inneren der Klingel befindet. Der Elektromagnet besteht aus einer Spule, die um einen weichen Eisenkern gewickelt ist. Das Schließen des Schalters bewirkt, dass der Strom durch die Spule fließt.
    • Erzeugung eines Magnetfelds:
    Der Strom, der durch die Spule fließt, erzeugt ein Magnetfeld um den Eisenkern. Dieses Magnetfeld zieht den Klöppel an, der normalerweise in einer Ruheposition ist.
    • Schlag auf die Glocke:
    Da der Klöppel angezogen wird, schlägt er gegen eine Glocke oder einen Gong, der Teil der Klingelvorrichtung ist. Dieses Schlagen erzeugt den hörbaren Klingelton.
    • Offenhalten des Schalters:
    Die Klingel bleibt solange aktiv, wie der Schalter gedrückt oder betätigt wird. Das Magnetfeld hält den Schlaghammer angezogen und die Klingel läutet.
    • Loslassen des Schalters:
    Wenn der Schalter losgelassen wird, dann wird der Stromkreis unterbrochen und der Elektromagnet verliert seine magnetische Wirkung: Der Schlaghammer kehrt in seine Ruheposition zurück und die Klingel ertönt nicht mehr.


    Das grundlegende Prinzip hinter einer Klingel ist die Verwendung eines Elektromagneten, um mechanische Arbeit zu verrichten, indem er einen Hammer gegen eine Glocke oder einen Gong schlägt, wenn der Schalter betätigt wird. Dies erzeugt den charakteristischen Klingelton, der darauf hinweist, dass jemand an der Tür oder am Tor steht.