Grundlagen des Magnetismus und Elektromagnetismus

Grundlagen des Magnetismus

Materialien, die von einem Magneten angezogen werden, nennt man ferromagnetische Materialien.

Arten von Magneten

• Natürliche Magnete: Diese (z. B. Magnetit) besitzen magnetische Eigenschaften, sind jedoch meist schwach ausgeprägt.
• Künstliche Magnete:
  • Permanentmagnete: Sie behalten ihre magnetischen Eigenschaften über einen langen Zeitraum bei.
  • Temporäre Magnete: Diese sind nur magnetisch, solange sie der Wirkung eines externen Magnetfeldes ausgesetzt sind.

Das Magnetfeld eines Magneten

Das Magnetfeld ist der Raum, in dem durch den Magneten verursachte magnetische Phänomene bemerkbar sind. Es ist an einigen Stellen intensiver als an anderen und erreicht seine maximale Intensität an den Polen.

Die Linien, die sich von einem Pol zum anderen bilden, werden als Feldlinien der magnetischen Feldstärke bezeichnet. Wenn sich zwei Magnete mit ihren gleichnamigen Polen nähern, stoßen sie sich ab, da die Feldlinien entgegengesetzt gerichtet sind. Andernfalls verlaufen die Linien in die gleiche Richtung und addieren sich.

Elektromagnetismus und Feldstärke

Wenn ein Leiter von einem elektrischen Strom durchflossen wird, entsteht um ihn herum ein Magnetfeld. Die Richtung der Kraftlinien wird durch die Rechte-Hand-Regel (Korkenzieher-Regel) bestimmt. Die Feldstärke hängt dabei direkt von der Intensität des Stromes ab.

• Feld einer Leiterschleife: Das Feld ist sehr zerstreut und schwach, wenn der Leiter zu einem Ring (Schleife) geformt wird.
• Feld einer Spule: In einer Spule addiert sich das Feld jeder Windung zur nächsten, wobei sich der Schwerpunkt in der Mitte konzentriert. Im Extremfall bilden sich zwei Pole aus.

Die Anzahl der Kraftlinien wird als magnetischer Fluss bezeichnet. Die magnetische Induktion gibt an, wie intensiv das Magnetfeld ist. Sie hängt von der Anzahl der Windungen der Spule ab; jedoch gilt: Je länger die Spule ist, desto mehr streuen die Feldlinien.

Magnetische Permeabilität und Materialeigenschaften

Die magnetische Permeabilität beschreibt die Fähigkeit eines Materials, die Kraftlinien eines Magnetfeldes zu verstärken.

Klassifizierung magnetischer Eigenschaften:

• Ferromagnetisch: Konzentriert die Kraftlinien; die Permeabilität ist viel größer als Eins (Hunderte oder Tausende Male).
• Paramagnetisch: Die Durchlässigkeit ist nahezu gleich Eins, sodass die Feldlinien beim Durchgang kaum variieren.
• Diamagnetisch: Die Durchlässigkeit ist geringer als Eins; Kraftlinien neigen dazu, abgestoßen zu werden.

Strom und Magnetfelder

Elektromagnetische Induktion

Die elektromagnetische Induktion ist die Erzeugung von Elektrizität durch magnetische Wirkung. Wenn ein elektrischer Leiter in einem Magnetfeld bewegt wird, entsteht eine elektromotorische Kraft, die als Spannung an den Enden des Leiters erscheint. Dies tritt ein, wenn die Feldlinien geschnitten werden.

Die Erzeugung von Wechselstrom

Wechselstrom (AC) kann erzeugt werden, indem eine Spule senkrecht zu einem rotierenden Magnetfeld in ihrem Inneren gedreht wird.

Funktionsweise von Motoren

Wird ein Leiter in ein Magnetfeld gebracht und von Strom durchflossen, erfährt er eine Kraft senkrecht zur Richtung des magnetischen Flusses. Die Richtung der Bewegung wird durch die Linke-Hand-Regel bestimmt:

• Zeigefinger: Richtung der Feldlinien.
• Mittelfinger: Richtung des Stroms (Kraftrichtung).
• Daumen: Bewegungsrichtung des Leiters.

Der Transformator

Ein Transformator dient dazu, hohe Spannungen umzuwandeln oder zu verringern. Er ändert die Parameter Spannung (V) und Stromstärke (I), ohne dabei die Leistung (P) wesentlich zu verändern. Die Energie wird durch das variierende Magnetfeld übertragen, das im Transformatorkern erscheint.

Ein idealer Transformator folgt der Gleichung: N1 / N2 = V1 / V2 = m (Übersetzungsverhältnis). Da die Leistung im Primär- und Sekundärkreis gleich bleibt, gilt zudem: V1 · I1 = V2 · I2.

Der Transformator beim Energietransport

Zur Reduzierung von Verlusten beim Energietransport wird die Spannung erhöht, wodurch die Stromstärke bei gleichbleibender Leistung sinkt. Am Zielort wird die Spannung für die Verteilung wieder auf niedrigere Werte transformiert und an die jeweiligen Anwendungsfälle angepasst. Der Vorteil von Wechselstrom (AC) gegenüber Gleichstrom (DC) liegt darin, dass AC leicht transformiert werden kann.