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.
Jeder vom Strom durchflossene Leiter ist streng genommen ein Elektromagnet, da dieser Leiter ein Magnetfeld ausbildet.
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.
Ein Elektromagnet ist ein Magnet, der erst durch einen elektrischen Strom eine magnetische Wirkung erhält. Aufgrund meist einstellbarer Stromstärken und verschiedener Bauweisen findet er in großen und kleinen Geräten Anwendung.
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
Warum das Magnetfeld wie in Abbildung 2 gezeigt aussieht, erfährst Du in der Erklärung Magnetfeld einer Spule.
Nicht jede Spule wird aber gleichzeitig auch Elektromagnet genannt.
Wird eine Spule hauptsächlich aufgrund ihrer magnetischen Wirkung verbaut, wird sie häufig auch Elektromagnet oder Magnetspule genannt.
Weitere Bezeichnungen und Arten von Spulen findest Du in der Erklärung über die Spule.
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:
Je stärker der Stromfluss durch einen Elektromagneten und größer die Windungszahl der verwendeten Spule, desto stärker ist die magnetische Wirkung.
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.
Der Eisenkern im Inneren eines Elektromagneten (einer Spule) erhöht die Permeabilität, auch magnetische Leitfähigkeit genannt. Sie gibt an, wie gut sich ein Magnetfeld in einem gewissen Medium (Eisenkern) ausbreiten kann. Eine hohe Permeabilität bedeutet somit eine mögliche hohe oder verstärkende magnetische Wirkung eines Materials.
Eine Art, die magnetische Wirkung physikalisch wiederzugeben, ist über die Magnetische Flussdichte, über die Du mehr in der zugehörigen Erklärung herausfinden kannst.
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.
Die Erklärung Dauermagnet zeigt, was das überhaupt ist und wie er hergestellt wird und funktioniert.
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.
Elektromagnete | Dauermagnete |
Vorteile | Nachteile | Vorteile | Nachteile |
magnetische Wirkung und Polung veränderbar | Stromversorgung notwendig | |
kann ein- bzw. ausgeschaltet werden | Energieverluste | keine Energieversorgung nötig | keine Magnetfeldänderung von außen möglich (keine Einstellbarkeit) |
starke Magnetfelder möglich | starke Magnetfelder benötigen große Ströme und Spulen | sehr klein, gezielt herstellbar | |
Größe durch verschiedene Bauweisen zwar anpassbar, aber Anpassung nur beschränkt möglich | | |
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.
Wenn Dich interessiert, wie mit diesem magnetischen Zusammenspiel ein Motor angetrieben werden kann, dann schau doch in der Erklärung Elektromotor vorbei. Mehr über die zugrundeliegenden physikalischen Geschehnisse erfährst Du in der Erklärung Elektromagnetische Induktion und deren Unterthemen.
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.
Elektromagnet – Das Wichtigste
- Jeder vom elektrischen Strom durchflossene Leiter ist ein Elektromagnet.
- Der grundsätzliche Aufbau eines Elektromagneten ist eine mit Strom versorgte Spule.
- Wird eine Spule aufgrund ihrer magnetischen Wirkung verwendet, wird sie oftmals als Elektromagnet oder Magnetspule bezeichnet.
- Der Elektromagnet funktioniert nur mit einer Stromversorgung. Er erhält erst durch einen Stromfluss eine magnetische Wirkung, weil sich die beim stromdurchflossenen Leiter entstehenden Magnetfelder in der Spule aufgrund vieler Wicklungen mehrfach überlagern. Es gilt, je stärker der Stromfluss und mehr Windungen, desto stärker die magnetische Wirkung.
- Die magnetische Wirkung kann durch einen Eisenkern vervielfacht werden und nimmt mit der Entfernung vom Elektromagneten rasant ab.
- Der größte Vorteil eines Elektromagneten ist die Einstellbarkeit. Er kann nicht nur ein- und ausgeschaltet werden, sondern auch in dessen Stärke durch den Stromfluss eingestellt werden.
- Der stärkste Nachteil hingegen ist die Notwendigkeit eines elektrischen Stromes. Das bedeutet Verlustwärme und eine notwendige Stromversorgung.
- Verwendung im Alltag findet der Elektromagnet an Kränen in der Mülltrennung und Sortierung, im Elektromotor sowie in weiteren elektrischen Geräten wie dem Generator und Transformator.
Nachweise
- Pixabay.com: Electromagnet. (11.07.2022)
- Technische Universität Dresden Professur für Grundlagen der Elektrotechnik (2013). Elektrische und magnetische Felder. iee.et.tu-dresden.de (18.05.2015)
- Spektrum.de: Elektromagnetismus. (11.07.2022)
- Spektrum.de: Elektromagnet. (11.07.2022)
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