Elektromagnet

Hast Du schon einmal beobachtet, wie ein Kran scheinbar ohne Befestigung oder Haken Eisenschrott oder sogar ein ganzes Auto anhebt? Wieso "kleben" die Gegenstände dabei fest am Kran? Die Antwort darauf ist nicht etwa ein Dauermagnet, wie er vielleicht an Deinem Kühlschrank hängt, sondern ein Elektromagnet. Doch bevor Du Dich damit befasst, warum ein Elektromagnet und kein Dauermagnet am Kran hängt, bleibt eine Sache zu klären: Was ist überhaupt ein Elektromagnet und wie funktioniert er?

Abbildung 1: Kran mit ElektromagnetQuelle: pixabay.com¹

Elektromagnete Physik

Jeder Magnet, egal ob Permanent-(Dauer-) oder Elektromagnet, funktioniert aufgrund von Magnetismus und Magnetfeldern. Zur Auffrischung Deines Wissens kannst Du Dir die Erklärung zum Magnetfeld anschauen.

Permanentmagneten erzeugen dauerhaft ein gleichmäßiges Magnetfeld. Bei den Elektromagneten sieht das aber etwas anders aus.

Elektromagnet Definition

Der Grund, warum Elektromagneten überhaupt ein Magnetfeld ausbilden können, liegt daran, dass jeder vom Strom durchflossene Leiter ein Magnetfeld aufbaut. Die Erklärung Magnetfeld stromdurchflossener Leiter geht näher darauf ein, warum das denn überhaupt so ist.

Das bedeutet, dass jedes Kabel, jede elektrische Verbindung und allgemein jeder stromführende Leiter ein Elektromagnet ist. Trotzdem spürst Du meistens nichts von der magnetischen Wirkung, wenn Du zwei elektrische Geräte nebeneinander legst. Erst, wenn die Kabel in einem Gerät so angeordnet sind, dass die magnetische Wirkung eine große Rolle bei der Anwendung spielt, wird auch von Elektromagneten gesprochen.

Damit ein Elektromagnet auch die gewollte magnetische Wirkung besitzt, müssen die elektrischen Leiter gezielt verbaut werden.

Elektromagnet Aufbau

Um vergleichsweise starke, kontrollierbare Magnetfelder zu errichten, werden oftmals Spulen verwendet. Der grundsätzliche Aufbau eines Elektromagneten entspricht somit dem einer Spule. Eine Spule ist nichts anderes, als ein langer, in Windungen aufgewickelter Draht, durch den über Anschlüsse ein Strom I fließen kann.

Abb. 2: Aufbau und Magnetfeld eines Elektromagneten

Nicht jede Spule wird aber gleichzeitig auch Elektromagnet genannt.

Um die magnetische Wirkung zu erhöhen, wird oftmals auch ein Eisenkern eingebaut. Woher kommt aber die magnetische Wirkung?

Elektromagnet Funktionsweise

Fließt ein Strom durch die Spule, bildet sich um jede Wicklung ein kleines, schwaches Magnetfeld. Die Magnetfelder aller Wicklungen zusammen ergeben dann insgesamt ein starkes Magnetfeld. Es gilt:

Für fast jede Anwendung ist die magnetische Wirkung einer einfachen Spule aber zu gering. Ein Eisenkern erhöht die sogenannte Permeabilität (magnetische Leitfähigkeit) der Spule. Dadurch kann die magnetische Wirkung einer Spule drastisch vervielfacht werden, weil es das Magnetfeld einfacher hat, sich auszubreiten.

Die magnetische Wirkung eines Elektromagneten nimmt mit der Entfernung rasant ab. Das Magnetfeld kann sich im Eisenkern zwar sehr stark ausbreiten, nach außen hin, da wo die magnetische Wirkung oftmals Anwendung findet, kann es sich aber nicht so gut entfalten. Magnetische Gegenstände werden also an der Oberfläche des Magneten stark angezogen, bei kleiner Entfernung jedoch schon deutlich schwächer.

Alles in allem bedeutet das, dass die magnetische Wirkung eines Elektromagneten auf die Anwendung oder ein Gerät spezifisch angepasst werden kann und sollte. Warum finden dann aber trotzdem noch Dauermagneten Verwendung?

Nachteile & Vorteile Elektromagnet

Der Dauermagnet bekommt seinen Namen aufgrund dessen, dass er dauerhaft und ohne äußere Einflüsse ein Magnetfeld besitzt. Für den Elektromagneten hingegen wird ein Stromfluss benötigt, um ihn zu aktivieren.

Elektromagneten kommen dann zum Einsatz, wenn die magnetische Wirkung veränderbar bzw. ein- und ausschaltbar sein muss, wie beim Kran auf dem Schrottplatz. Ein weiterer Vorteil ist, dass dadurch sehr starke Magnetfelder erstellt werden können. Auf Wunsch könnte sogar die Polung des Magnetfeldes beim Umpolen des Stromes geändert werden. Unterschiedliche Bauweisen und Größen erlauben eine Vielfalt von Anwendungsmöglichkeiten.

Der größte Nachteil von Elektromagneten findet sich in der Funktionsweise. Es wird ein ständiger Stromfluss benötigt. Für starke Elektromagneten sind somit starke Ströme notwendig und die damit einhergehenden Verluste vorprogrammiert. Ein starkes Magnetfeld benötigt auch eine entsprechend große Spule mit vielen Windungen und großer Stromversorgung, was die Verwendung je nach Platz einschränken kann.

Wird ein gleichbleibendes, ständiges Magnetfeld benötigt, kommen Dauermagneten zum Einsatz. Ein großer Vorteil ist, dass sie keine Energie von außen benötigen, um ihre magnetische Wirkung aufrechtzuerhalten. Durch moderne Herstellungsverfahren können sie außerdem sehr klein gebaut und somit an Stellen eingesetzt werden, wo elektrischer Strom nur schlecht bereitgestellt werden kann.

Ein Nachteil von Dauermagneten ist die fehlende Einstellbarkeit. Weder die magnetische Wirkung noch die Polung ist von außen veränderlich, was es in den meisten Fällen unmöglich macht, einen verbauten Dauermagneten anzupassen.

Die folgende Tabelle zeigt Dir noch einmal eine Gegenüberstellung beider Magnete.

Allgemein kannst Du also festhalten: Sobald eine Anpassung des Magnetfeldes wichtig ist, wird ein Elektromagnet verwendet. Für die meisten anderen Anwendungen kann ein Dauermagnet verwendet werden.

Es gibt aber einige Verwendungen im Alltag, die ohne einen Elektromagneten nicht funktionieren würden.

Elektromagnete Anwendung

Stelle Dir vor, der Kran aus dem anfänglichen Beispiel würde einen Dauermagneten verwenden. Zum Aufsammeln vom magnetischen Schrott wäre das noch möglich. Der Dauermagnet würde nur an den Stellen in die Nähe des Schrotts gehalten werden, wo etwas aufgesammelt werden soll.

Das Problem ergibt sich dann beim Abladen: wie soll der Schrott jetzt ohne Probleme vom Magneten getrennt werden? Das ist der Grund, warum hier ein Elektromagnet Verwendung findet, da dieser einfach abgestellt werden kann.

Der Elektromagnet ermöglicht außerdem eine grobe Mülltrennung. Größere metallische Gegenstände können vom Rest getrennt werden, weil nur diese vom Elektromagneten angezogen werden.

Beide Arten von Magneten werden aber auch manchmal gleichzeitig verwendet. Beim Elektromotor, ein Gerät, das oft Verwendung im Alltag findet, dreht sich einer der beiden Magneten im Magnetfeld des anderen. Einer der beiden Magneten ist ein Elektromagnet, und kann somit eingestellt werden. Durch eine Umpolung kann dann eine Drehbewegung erzeugt werden.

Da der Elektromagnet grundsätzlich eine Spule ist, umgeben Dich Elektromagneten ständig im Alltag. Weitere entfernte Verwendungen, bei denen die magnetische Wirkung von Spulen genutzt wird, wären der Generator, die Erzeugung elektromagnetischer Schwingungen (Schwingkreis) und in gewisser Weise auch der Transformator. Wie genau das jeweils funktioniert, kannst Du in den Erklärungen Generator, Elektromagnetische Schwingung und Transformator nachlesen.