Elektromagnetismus Grundlagen: Ampere, Induktion & Transformatoren

Das Ampere: Definition & Kraftwirkung

Das Ampere ist die Einheit des elektrischen Stroms. Es ist definiert als die Stärke eines konstanten elektrischen Stroms, der, wenn er durch zwei parallel im Vakuum angeordnete, unendlich lange und geradlinige Leiter von vernachlässigbar kleinem, kreisförmigem Querschnitt fließt, die im Abstand von 1 Meter voneinander getrennt sind, zwischen diesen Leitern eine Kraft von 2·10⁻⁷ Newton pro Meter Leiterlänge hervorruft.

Magnetischer Fluss & Elektromagnetische Induktion

Der magnetische Fluss ist die Anzahl der magnetischen Feldlinien, die eine bestimmte Fläche durchqueren. Er wird in Weber (Wb) gemessen.

Faradaysches Induktionsgesetz

Faraday entdeckte, dass das Bewegen eines Magneten in eine mit einem Galvanometer verbundene Spule einen Stromfluss anzeigte, obwohl kein Generator angeschlossen war. Dasselbe geschieht, wenn die Spule über den Magneten bewegt wird. Dieses Phänomen, die elektromagnetische Induktion, wurde als Funktion der Feldlinien interpretiert und durch das folgende Gesetz ausgedrückt: Die in einem Stromkreis induzierte elektromotorische Kraft (EMK) entspricht der zeitlichen Änderung des magnetischen Flusses, der ihn durchsetzt.

Das Lenz'sche Gesetz

Die Bedeutung des negativen Vorzeichens wird durch das Lenz'sche Gesetz gegeben: Der induzierte Strom erzeugt ein Magnetfeld, das der Änderung des ursprünglichen magnetischen Flusses entgegenwirkt. Dies ist ein weiteres Beispiel für die Tendenz von Systemen, ihren ursprünglichen Gleichgewichtszustand zu bewahren – ein Phänomen der Aktion-Reaktion, das letztlich eine Folge des Prinzips der Energieerhaltung ist. Wenn man also die Rückseite einer Spule dem Nordpol eines Magneten zukehrt und es zu einer Verringerung des magnetischen Flusses kommt, wird der induzierte Strom ein Magnetfeld erzeugen, das auf dieser Seite den Rückgang kompensiert und als Südpol erscheint.

Transformatoren: Aufbau & Funktionsweise

Ein Transformator ist ein Gerät, das Spannungen und Stromstärken umwandelt, d.h. höhere Spannungen in niedrigere Stromstärken oder umgekehrt. Seine Funktionsweise basiert auf den Entdeckungen der Induktion durch Faraday und Henry. Wenn wir zwei Spulen nahe beieinander platzieren und eine davon (die Primärspule) an einen Wechselstromgenerator angeschlossen ist, wird beim Schließen des Stromkreises ein Strom in der Sekundärwicklung induziert. Wenn die beiden Spulen einen Eisenkern umschließen, wird der Induktionseffekt verstärkt, da das Magnetfeld an Intensität zunimmt, was auf die ferromagnetischen Eigenschaften von Eisen zurückzuführen ist. Transformatoren werden sowohl in Kraftwerken als auch im Haushalt eingesetzt, um Strom mit geringeren Verlusten über weite Strecken zu transportieren.