Elektromagnete – Aufbau und Funktion
Erfahre, wie ein Elektromagnet entsteht und sich von einem Permanentmagneten unterscheidet. Durch Stromfluss in einem Draht entsteht eine magnetische Wirkung, die durch Aufwickeln zu einer Spule verstärkt werden kann. Entdecke die Vorteile und Nachteile im Vergleich zu Permanentmagneten sowie Anwendungsbeispiele in unserem Alltag. Interessiert? Das und vieles mehr findest du im folgenden Text!
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Grundlagen zum Thema Elektromagnete – Aufbau und Funktion
Was ist ein Elektromagnet?
Du hast sicher schon viel über Magnete gelernt. Aber weißt du auch, was ein Elektromagnet ist und wie er sich von einem Permanentmagnet unterscheidet? Das wollen wir uns im Folgenden anschauen.
Elektromagnet – Aufbau und Funktion
Um einen einfachen Elektromagnet zu bauen, benötigen wir nur zwei Dinge: einen leitfähigen Draht und eine Energiequelle, wie zum Beispiel eine Batterie. Wenn wir den Draht an die Batterie anschließen, sorgt die Spannung für einen Stromfluss. Der elektrische Strom hat auch eine magnetische Wirkung. Das kannst du zum Beispiel mit einer Kompassnadel überprüfen: Wenn du sie nahe an den Draht hältst, richtet sie sich aus.
Allerdings ist die magnetische Wirkung sehr schwach. Für einen richtigen Elektromagnet müssen wir sie noch verstärken. Das geht, indem wir einen Teil des Drahts zu einer Spule aufwickeln.
Die magnetische Wirkung der Spule kann schon groß genug sein, um leichte metallische Objekte anzuziehen – wie zum Beispiel Büroklammern, Tackernadeln oder kleine Nägel. So haben wir also schon einen Magnet gebaut, der mit elektrischem Strom funktioniert – einen Elektromagnet.
Wenn wir den Draht nicht einfach so zu einer Spule wickeln, sondern ihn um einen Eisenkern wickeln, ist die magnetische Wirkung sogar noch stärker. Dann reicht sie schon dazu aus, schwerere Objekte wie Gabeln oder Löffel anzuziehen.
Und was sind nun die Unterschiede zu einem Permanentmagnet?
Elektromagnet – Vor- und Nachteile
Elektromagnete haben einige Vorteile, aber auch Nachteile gegenüber Permanentmagneten. Elektromagnete haben nur dann eine magnetische Wirkung, wenn durch sie ein Strom fließt. Wir können sie also ausschalten und das geht bei einem Permanentmagnet nicht. Andererseits kostet der Stromfluss auch Energie und das ist ein Nachteil, wenn wir Energie sparen möchten. Der Permanentmagnet ist immer magnetisch, ohne dass wir Energie aufbringen müssen. Ein anderer Vorteil von Elektromagneten ist, dass wir Nord- und Südpol vertauschen können, indem wir die Polung an der Energiequelle ändern, also plus und minus vertauschen. Außerdem können wir die Stärke des Magneten verändern: Wenn ein stärkerer Strom fließt, ist die magnetische Wirkung größer.
Du siehst also, dass ein Elektromagnet einige Vorteile hat, aber auch Nachteile.
Elektromagnet – Anwendungsbeispiel
Wir wollen uns noch anschauen, wo Elektromagnete im Alltag eingesetzt werden. Eine Anwendung hast du vielleicht schon einmal gesehen: Elektromagnete werden auf Schrottplätzen eingesetzt. Sie werden dazu benutzt, um zum Beispiel kaputte Autos von einer Stelle zu einer anderen zu transportieren. Der Elektromagnet eines Krans wird erst über das Auto bewegt und dann eingeschaltet. Dann hängt das Auto am Magnet, weil es metallisch ist. Der Kran kann das Auto bequem durch die Luft transportieren und, wenn es seinen Zielort erreicht hat, den Magnet einfach wieder ausschalten – das Auto fällt herunter.
Zusammenfassung zum Thema Elektromagnete – Aufbau und Funktion
Wie funktioniert eigentlich ein Elektromagnet? Und wie ist er aufgebaut? Diese Fragen können wir nun beantworten, denn wir haben uns angesehen, was ein Elektromagnet ist und wie er funktioniert. In jedem stromdurchflossenen Leiter entsteht ein Magnetfeld. Von besonderer Bedeutung ist das Magnetfeld einer Spule – denn eine stromdurchflossene Spule ist ein Elektromagnet. Wir haben uns angesehen, welche Vor- und Nachteile ein Elektromagnet gegenüber Permanentmagneten hat. Außerdem haben wir einen Blick darauf geworfen, in welchen Bereichen Elektromagnete im Alltag benutzt werden. Du findest hier auch interaktive Übungen zu diesem Thema.
Transkript Elektromagnete – Aufbau und Funktion
Die mächtige „Mag Beth“ kann metallische Gegenstände anziehen und abstoßen, wie es ihr gefällt. Der „Peinliche Piet“ möchte das auch und hat sich dafür den stärksten Permanentmagnet der Welt besorgt. Sonderlich durchdacht war das allerdings nicht. Er hätte es besser mal mit einem „Elektromagnet“ versucht. Was das ist und was das für Vorteile hat, lernst du in diesem Video. Ein „Elektromagnet“ erzeugt ein „magnetisches Feld“, wenn ein elektrischer Strom fließt. Dazu muss er mit einer „Spannungsquelle“, zum Beispiel einer Batterie, verbunden sein. Hier wid ausgenutzt, dass es einen Zusammenhang zwischen Elektrizität und Magnetismus gibt. Das war allerdings lange nicht bekannt. Erst „Hans Christian Oersted“ hat das im Jahr 1819 bewiesen. Dafür nutzte er ein einfaches Experiment: Er platzierte eine frei bewegliche Kompassnadel unter ein Stück Draht, durch das er Strom leitete. Sobald Strom floss, wurde die Nadel ausgelenkt – es musste also ein magnetisches Feld erzeugt worden sein. Indem er die Kompassnadel an verschiedenen Positionen platzierte, konnte er die Beschaffenheit des Magnetfeldes nachvollziehen. Oersted konnte zeigen, dass jeder „stromdurchflossene Leiter“ ein Magnetfeld erzeugt, das den Leiter wie eine Hülle umschließt. Allerdings ist das Magnetfeld um ein Stück Draht nur sehr schwach. Effektiver wird es, wenn man den Draht eng aufwickelt. So überlagern sich die Magnetfelder der vielen „Windungen“ zu einem starken Feld. Das nennt man eine „magnetische Spule“. Wird sie an einen Stromkreis angeschlossen, kann man damit schon kleinere Metallgegenstände anziehen. Noch stärker wird die Spule, wenn man einen „Eisenkern“ hineinsteckt. Das ist ein einfacher Stab aus Eisen, oder auch einem anderen Metall, der magnetisierbar ist. Das heißt, dass sich die „Elementarmagnete“ im Eisenstab nach dem Magnetfeld der Spule ausrichten, und dieses so noch verstärken. so verhält sich die Spule wie ein starker „Stabmagnet“, mit einem ganz ähnlich beschaffenen Magnetfeld, mit „Nord-“ und „Südpol“. Es gibt aber auch ein paar wichtige Unterschiede, die eine Spule als Elektromagnet besonders machen. Stabmagnete, Hufeisenmagnete oder Ringmagnete sind „Permanentmagnete“, das heißt sie bestehen aus einem dauerhaft magnetisierten Material. Elektromagnete wie die Spule sind hingegen nur magnetisch, wenn ein Strom fließt. Das hat den Nachteil, dass ständig Energie zugeführt werden muss, aber auch den Vorteil, dass sie je nach Bedarf aus, und ein geschaltet werden können. Außerdem kann die Stärke des Magnetfeldes durch die Stromzufuhr geregelt werden. Nützlich ist dabei auch, dass mit einer geeigneten Spannungsquelle der Stromfluss umgekehrt werden kann, und damit auch die Polung des erzeugten Magnetfeldes. So können Elektromagnete für verschiedenste Zwecke verwendet werden, zum Beispiel für Kräne, in einem Kernspintomographen, oder der Magnetschwebebahn. Bevor wir sehen, was der „Peinliche Piet“ damit anfangen könnte, fassen wir nochmal zusammen: Ein Elektromagnet ist eine „Spule“ aus aufgewickeltem Draht, die ein Magnetfeld erzeugt, wenn ein elektrischer Strom fließt. Durch einen Eisenkern kann das Magnetfeld verstärkt werden. Es kann außerdem durch die angelegte Stromstärke geregelt, und durch die Stromrichtung umgepolt werden. Das mögliche Aus- und Einschalten je nach Bedarf ist der wichtigste Vorteil von Elektromagneten. Der „Peinliche Piet“ erhofft sich nun deutlich mehr Kontrolle mit seinem neuen Magnet. Aber das Problem ist selten das Gerät, sondern oft der, der es bedient.
Elektromagnete – Aufbau und Funktion Übung
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Beschreibe, was ein Elektromagnet ist.
TippsHier siehst du eine Abbildung zum Elektromagneten.
Hier siehst du einen Eisenkern in einer magnetischen Spule.
Die Stromstärke ist für die Stärke des Magnetfeldes verantwortlich.
LösungEin Elektromagnet ist eine Spule, die aus aufgewickeltem Draht besteht und ein magnetisches Feld erzeugt, wenn ein elektrischer Strom durch sie fließt. Um den Elektromagneten zu aktivieren, muss er mit einer Spannungsquelle, beispielsweise einer Batterie, verbunden sein.
Die Verwendung eines Eisenkerns verstärkt das erzeugte Magnetfeld des Elektromagneten. Eine weitere Eigenschaft von Elektromagneten ist, dass sie – je nach Bedarf – ein- und ausgeschaltet werden können. Dieser Vorteil resultiert aus der Tatsache, dass Elektromagnete nur dann magnetisch sind, wenn ein Strom durch die Spule fließt.
Allerdings hat diese Eigenschaft auch einen Nachteil. Denn ständig muss Energie zugeführt werden, um das Magnetfeld aufrechtzuerhalten. Die Stärke des Magnetfeldes kann durch die Stromstärke, die durch die Spule fließt, reguliert werden.
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Gib an, welche Aussagen auf das Experiment von Hans Christian Ørsted zur Entdeckung des Elektromagnetismus zutreffen.
TippsØrsted führte ein einfaches Experiment durch, bei dem er einen stromdurchflossenen Draht und eine Kompassnadel verwendete: Er platzierte eine frei bewegliche Kompassnadel unter einen stromdurchflossenen Draht. Sobald der Strom durch den Draht floss, beobachtete er, dass die Kompassnadel ausgelenkt wurde und sich in Richtung des Drahtes ausrichtete.
Die Beobachtung, dass die Kompassnadel durch den stromdurchflossenen Draht beeinflusst wurde, führte Ørsted zu der Erkenntnis, dass ein stromdurchflossener Leiter ein magnetisches Feld erzeugt, welches die Bewegung der Kompassnadel beeinflusst.
Indem Ørsted die Kompassnadel an verschiedenen Positionen um den Draht platzierte, konnte er die räumliche Ausdehnung und Richtung des Magnetfeldes nachvollziehen. Er entdeckte, dass das Magnetfeld den stromdurchflossenen Leiter wie eine Hülle umschließt.
LösungDas Experiment von Hans Christian Ørsted im Jahr 1819 war entscheidend für die Entdeckung der Verbindung zwischen Elektrizität und Magnetismus, die als Elektromagnetismus bekannt ist. Ørsted führte ein einfaches Experiment durch, bei dem er einen stromdurchflossenen Draht und eine Kompassnadel verwendete:
Er platzierte eine frei bewegliche Kompassnadel unter einen stromdurchflossenen Draht. Sobald der Strom durch den Draht floss, beobachtete er, dass die Kompassnadel ausgelenkt wurde und sich in Richtung des Drahtes ausrichtete. Dieses Ergebnis war überraschend, da zuvor angenommen wurde, dass elektrischer Strom und Magnetismus nichts miteinander zu tun haben.
Die Beobachtung, dass die Kompassnadel durch den stromdurchflossenen Draht beeinflusst wurde, führte Ørsted zu der Erkenntnis, dass ein stromdurchflossener Leiter ein magnetisches Feld erzeugt, das die Bewegung der Kompassnadel beeinflusst. Mit anderen Worten: Elektrischer Strom erzeugt ein magnetisches Feld um den Draht.
Indem Ørsted die Kompassnadel an verschiedenen Positionen um den Draht platzierte, konnte er die räumliche Ausdehnung und Richtung des Magnetfeldes nachvollziehen. Er entdeckte, dass das Magnetfeld den stromdurchflossenen Leiter wie eine Hülle umschließt.
- Ein stromdurchflossener Draht hat Auswirkungen auf eine darunterliegende Kompassnadel.
- Stromdurchflossene Leiter erzeugen Magnetfelder, die sie umgeben.
- Das Magnetfeld ist sehr stark und gut sichtbar.
- Das Experiment von Ørsted führte zur Entdeckung von Elektrizität.
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Entscheide, für welche Zwecke Elektromagnete verwendet werden.
TippsFünf Antworten sind richtig.
Drei der abgebildeten Zwecke hast du schon im Video kennengelernt.
Der Elektromagnet besteht aus einem stromdurchflossenen Leiter, der oft als Spule aus aufgewickeltem Draht gestaltet ist. Wenn der Strom durch diese Spule fließt, dann erzeugt er ein magnetisches Feld um den Leiter. Überlege also nun, wo das der Fall ist.
Durch das Umpolen und das gesteuerte Ein- und Ausschalten von Elektromagneten ist es möglich, akustische Signale und Vibrationen zu erzeugen.
LösungDer Elektromagnet besteht aus einem stromdurchflossenen Leiter, der oft als Spule aus aufgewickeltem Draht gestaltet ist. Wenn der Strom durch diese Spule fließt, dann erzeugt er ein magnetisches Feld um den Leiter.
- Kran:
$\Rightarrow$ Diese Antwort ist richtig.- MRT-Gerät:
$\Rightarrow$ Diese Antwort ist richtig.- Würfel:
$\Rightarrow$ Diese Antwort ist nicht richtig.- Magnetschwebebahn:
$\Rightarrow$ Diese Antwort ist richtig.- Lautsprecher:
$\Rightarrow$ Diese Antwort ist richtig.- Türklingel:
$\Rightarrow$ Diese Antwort ist richtig.- Fahrrad:
$\Rightarrow$ Diese Antwort ist nicht richtig.- Schlüssel:
$\Rightarrow$ Diese Antwort ist nicht richtig. -
Arbeite die Eigenschaften heraus, die ein Elektromagnet haben muss, um ein möglichst starkes Magnetfeld zu erzeugen.
TippsDenke über die Rolle der Windungszahl nach: Überlege, wie sich die Anzahl der Windungen in der Spule auf das Magnetfeld auswirken könnte: Welchen Einfluss hat eine große Windungszahl auf die magnetische Stärke?
Betrachte den Einfluss der Baulänge: Was bedeutet eine kurze Baulänge für den Elektromagneten? Wie kann eine kürzere Baulänge die Effizienz des Elektromagneten beeinflussen?
Schaue dir die Bedeutung eines dicken Drahtes und eines großen Stroms an: Wie hängen diese beiden Eigenschaften zusammen und wie beeinflussen sie die magnetische Stärke des Elektromagneten?
LösungUm ein möglichst starkes Magnetfeld zu erzeugen, muss ein Elektromagnet bestimmte Eigenschaften aufweisen. Dazu gehören:
- eine große Windungszahl,
- eine kurze Baulänge,
- ein Eisenkern und
- ein dicker Draht, der einen großen Strom ermöglicht.
Die Windungszahl
Eine große Windungszahl ist für ein starkes Magnetfeld wichtig: Durch die vielen Windungen in der Spule wird die magnetische Wirkung des Elektromagneten erhöht. Dies bedeutet, dass je mehr Windungen wir in der Spule haben, desto stärker wird das erzeugte Magnetfeld sein.Die Baulänge
Möglichst kurz sollte die Baulänge des Elektromagneten für ein starkes Magnetfeld sein. Eine kurze Baulänge reduziert nämlich den Widerstand und ermöglicht einen effizienteren Stromfluss. Dadurch kann die Leistungsfähigkeit des Elektromagneten gesteigert werden, da weniger Energie verloren geht.Das Innere der Spule
Ein Eisenkern ist eine weitere wichtige Eigenschaft, um ein starkes Magnetfeld zu erzeugen: Der Eisenkern zieht die magnetischen Feldlinien an und verstärkt somit die magnetische Leitfähigkeit des Elektromagneten. Dies bedeutet, dass das Magnetfeld durch den Einsatz eines Eisenkerns erheblich gestärkt wird.Der Drahtdurchmesser
Zudem spielt der Durchmesser des Drahtes eine entscheidende Rolle. Denn ein dicker Draht ermöglicht einen größeren Stromfluss durch die Spule. Da die magnetische Stärke direkt proportional zur Stromstärke ist, führt ein größerer Strom zu einem stärkeren Magnetfeld. Ein dicker Draht trägt also wesentlich dazu bei, ein besonders kraftvolles Magnetfeld zu erzeugen. -
Beschreibe die Abbildung zum Elektromagneten.
TippsZunächst benötigt man eine Spannungsquelle, die elektrische Energie liefert, um den Elektromagneten zu aktivieren. Dies kann beispielsweise eine Batterie oder ein Netzteil sein.
Der eigentliche Elektromagnet besteht aus einem stromdurchflossenen Leiter, der oft als Spule aus aufgewickeltem Draht gestaltet ist.
Wenn der Strom durch diese Spule fließt, dann erzeugt er ein magnetisches Feld um den Leiter.
Hier siehst du das magnetische Feld um den Elektromagneten.
LösungZum Aufbau eines Elektromagneten gehören folgende Komponenten: eine Spannungsquelle, ein stromdurchflossener Leiter und ein erzeugtes magnetisches Feld.
Zunächst benötigt man eine Spannungsquelle, die elektrische Energie liefert, um den Elektromagneten zu aktivieren. Dies kann beispielsweise eine Batterie oder ein Netzteil sein.
Der eigentliche Elektromagnet besteht aus einem stromdurchflossenen Leiter, der oft als Spule aus aufgewickeltem Draht gestaltet ist. Wenn der Strom durch diese Spule fließt, dann erzeugt er ein magnetisches Feld um den Leiter. Das geschieht aufgrund der Wechselwirkung zwischen dem elektrischen Strom und den geladenen Teilchen im Draht, was eine magnetische Wirkung zur Folge hat.
Das magnetische Feld, das durch den stromdurchflossenen Leiter erzeugt wird, umschließt den Leiter wie eine Hülle. Die Stärke und Ausrichtung des Magnetfeldes hängen von der Stromstärke im Leiter ab. Ein wichtiger Aspekt des Elektromagneten ist, dass das Magnetfeld nur solange vorhanden ist, wie Strom durch den Leiter fließt: Sobald der Strom abgeschaltet wird, verschwindet auch das Magnetfeld.
Der Elektromagnet kann jedoch weiter modifiziert und verstärkt werden, um seine magnetische Wirkung zu erhöhen. Eine Möglichkeit besteht darin, den Draht der Spule enger aufzuwickeln, sodass sich die Magnetfelder der vielen Windungen überlagern und ein stärkeres Gesamtfeld entsteht. Diese Anordnung wird als magnetische Spule bezeichnet.
Darüber hinaus kann man die magnetische Wirkung des Elektromagneten durch Hinzufügen eines Eisenkerns weiter verstärken: Der Eisenkern ist ein einfacher Stab aus magnetisierbarem Material, der in die Mitte der magnetischen Spule eingeführt wird. Die Elementarmagnete im Eisenkern richten sich nach dem Magnetfeld der Spule aus und verstärken es dadurch. Der Elektromagnet mit einem Eisenkern verhält sich wie ein starker Stabmagnet mit einem Nordpol und einem Südpol.
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Erkläre die Funktionsweise einer Klingel.
TippsHier siehst du eine beschriftete Klingelschaltung.
Wenn der Schalter geschlossen wird, dann kann der elektrische Strom fließen.
Der Strom, der durch die Spule fließt, erzeugt ein Magnetfeld um den Eisenkern und dieses zieht dann den Schlaghammer (Klöppel) an.
LösungDie Funktionsweise einer elektrischen Klingel lässt sich in mehreren Schritten erklären:
- Stromversorgung:
- Betätigung des Schalters:
- Stromfluss:
- Erzeugung eines Magnetfelds:
- Schlag auf die Glocke:
- Offenhalten des Schalters:
- Loslassen des Schalters:
Das grundlegende Prinzip hinter einer Klingel ist die Verwendung eines Elektromagneten, um mechanische Arbeit zu verrichten, indem er einen Hammer gegen eine Glocke oder einen Gong schlägt, wenn der Schalter betätigt wird. Dies erzeugt den charakteristischen Klingelton, der darauf hinweist, dass jemand an der Tür oder am Tor steht.
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Aber der Schwerichkeitsgrad ist perfekt👌.
Sehr gutes Video aber bitte noch eine Aufgabe hinzufügen.
Dadurch merkt man selbst , dass man genau aufpassen sollte um alles richtig zu machen👍.
👍🏼
Voll die lustigen Namen und super hilfreich!
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