Elektromagnete – Entdeckung und Entwicklung

Dieser Film beschäftigt sich mit dem Zusammenhang zwischen Elektrizität und Magnetismus. Was hat denn überhaupt Elektrizität mit Magnetismus zu tun? Bis ins 19. Jahrhundert war die gesamte wissenschaftliche Welt davon überzeugt, dass es sich hierbei um zwei völlig unabhängige Phänomene handle. Der dänische Physiker Christian Oersted war allerdings davon überzeugt, dass die Natur systematisch aufgebaut ist und hinter allem ein einheitlicher Geist stecke. Er suchte nach einer Verbindung zwischen dem Magnetismus und dem, wie es damals noch hieß, elektrischen Konflikt. Ende Juli 1820 gelang ihm während einer Vorlesung der bahnbrechende Nachweis. Parallel zu einer auf dem Labortisch stehenden in Nord-Süd-Richtung ausgerichteten Kompassnadel, wird ein Draht gespannt. Wenn nun in diesem Draht ein Strom fließt, wird die Kompassnadel abgelenkt und zwar in rechtem Winkel zum stromdurchflossenen Draht. Das hatten zwar schon andere Forscher vor ihm beobachtet, aber erst Oersted zog die richtigen Schlussfolgerungen: dass der Strom um den Draht herum ein Magnetfeld erzeugt. Mit Eisenfeilspänen können wir es sichtbar machen. Und wenn wir die Kompassnadel um den Leiter herumführen, finden wir auch die Richtung der Feldlinien heraus. Moment! Haben Magnete nicht einen Nord- und einen Südpol? Wo sind denn dann hier die Pole? Tatsächlich bilden in diesem Fall die Feldlinien geschlossene konzentrische Kreise um den Leiter herum. Demzufolge haben sie auch keine Pole. Ein solches Magnetfeld heißt Wirbelfeld. Für die Richtung der Feldlinien gibt es eine echte Faustregel, nämlich die „Rechte-Faust-Regel“. Wenn wir den Leiter so mit der rechten Hand umfassen, dass der abgespreizte Daumen in Stromrichtung zeigt, dann zeigen die gekrümmten Finger der Faust in Richtung der magnetischen Feldlinien. Dieses Magnetfeld ist allerdings sehr schwach. Wir müssen schon kräftige Ströme fließen lassen, um selbst etwas so Winziges wie eine Kompassnadel zu bewegen. Wenn wir den Draht zu einer Leiterschleife biegen, ist die Wirkung schon stärker. Wenn wir auf diese Leiterschleife die Rechte-Faust-Regel anwenden, sehen wir, dass die Finger im Inneren der Windung, immer in dieselbe Richtung zeigen. Da setzen wir noch einen drauf: Wir rollen den Draht nicht zu einer Leiterschleife, sondern wickeln ihn so auf, dass mehrere Leiterschleifen nebeneinander liegen. Das Ergebnis heißt Spule. Und wenn wir nun den Strom einschalten, merken wir, dass sich die magnetische Wirkung enorm verstärkt hat. Und wie verlaufen hier nun die Feldlinien? Das überprüfen wir mit Eisenfeilspänen. Und zu unserer Überraschung stellen wir fest, dass die Spule ein Magnetfeld aufweist, das dem eines Stabmagneten sehr ähnlich ist. Nur, dass es sich eben auch im Inneren der Spule fortsetzt, was wir vom Stabmagneten nicht wissen. Dieses erstaunliche Magnetfeld kommt dadurch zustande, dass sich die Magnetfelder der einzelnen Wicklungen, die wir mit der „Rechte-Faust-Regel“ bestimmen können, überlagern und zu einem gemeinsamen Magnetfeld verschmelzen. Dieses Magnetfeld sieht nicht nur dem eines Stabmagneten sehr ähnlich, es hat genau wie jenes auch zwei Pole: einen Nord- und einen Südpol. Und da sich auch die magnetischen Kräfte der einzelnen Wicklungen der Spule überlagern, kommt, im Vergleich zum einzelnen Leiter, schon eine ganz ansehnliche magnetische Gesamtkraft zustande. Mit einem Trick lässt sich die magnetische Wirkung einer Spule noch steigern: wir wickeln einen dünnen Draht mit einer hauchdünnen Isolierschicht zehnmal um ein Streichholz und leiten Strom hindurch. Jetzt testen wir mit Büroklammern die magnetische Kraft. Jetzt machen wir das Ganze noch einmal, ersetzen das Streichholz aber durch einen Eisennagel. Die magnetische Kraft ist enorm gewachsen. Die im Eisen befindlichen winzig kleinen Elementarmagnete verstärken die magnetische Wirkung des Stromes, der durch die Spule fließt. Diese Kerne müssen nicht aus Eisen bestehen, sie können aus einem beliebigen ferromagnetischen Stoff sein. Gebräuchlich sind etwa Kobalt und Nickel. Unabhängig vom tatsächlich verwendeten Metall wird dieser Kern „Eisenkern“ genannt. Durch geschickte Auswahl des Materials für den Eisenkern kann man die magnetische Wirkung einer Spule um das zehntausendfache steigern. Eine Spule mit Eisenkern, die von Strom durchflossen ein Magnetfeld aufbaut, heißt Elektromagnet. Sein Magnetfeld ähnelt dem eines Stabmagneten und hat sowohl einen Nord- als auch einen Südpol. Setzt der Strom aus, verliert der Elektromagnet seine magnetische Wirkung. Es gibt allerdings einige Stoffe, die, wenn sie dem Magnetfeld eines starken Elektromagneten ausgesetzt waren, selbst zu Magneten werden. Und die es auch dann bleiben, wenn der Elektromagnet ausgeschaltet wird. Das starke Magnetfeld des Elektromagneten hat die winzigen molekularen Magneten, aus denen dieser Stoff besteht, dauerhaft so ausgerichtet, dass beinahe alle Nordpole in dieselbe Richtung weisen. Die Güte solcher Dauermagnete oder Permanentmagnete hängt sehr stark vom verwendeten Material ab. Am wirksamsten ist eine Legierung aus Eisen, Bor und dem sehr seltenen Metall Neodym. Aus dieser Legierung werden derzeit die stärksten Dauermagnete hergestellt. Alle Dauermagnete verlieren ihre magnetische Eigenschaft allerdings, wenn man sie über eine bestimmte Temperatur erhitzt. Dann werden sie entmagnetisiert. Fassen wir zusammen: Strom, der durch einen Draht fließt, erzeugt ein magnetisches Feld. Dessen Feldlinien verlaufen in konzentrischen Kreisen um den Draht herum. Ihre Richtung können wir mit der „Rechte-Faust-Regel“ bestimmen. Spulen erzeugen stärkere Magnetfelder, erst recht, wenn sie mit einem Eisenkern versehen werden. Eine solche Kombination aus Spule und Eisenkern heißt Elektromagnet.