Elektromagnete
Eine 10 cm lange Spule mit 200 Windungen und 2 A Strom erzeugt im Inneren ein Feld von etwa 5 mT, ungefähr das 100-Fache des Erdmagnetfeldes.
Ein Strom erzeugt ein Magnetfeld
1820 bemerkte der dänische Wissenschaftler Hans Christian Oersted, dass sich eine Kompassnadel bewegte, wenn Strom durch einen nahen Draht floss. Es war der erste eindeutige Hinweis auf den Zusammenhang zwischen Elektrizität und Magnetismus. Untersucht man das Feld um einen langen, geraden Draht mit Kompassen, ergeben sich kreisförmige Feldlinien um den Draht. Ihre Richtung folgt der bei OpenStax als Rechte-Hand-Regel 2 bezeichneten Regel: Zeige mit dem rechten Daumen in Stromrichtung. Die gekrümmten Finger zeigen dann die Umlaufrichtung des Feldes.
Die Stärke nimmt mit dem Abstand ab: B = μ₀ I ÷ (2π r), wobei r der Abstand vom Draht ist. Die Konstante μ₀ ist die magnetische Feldkonstante. In Lehrbüchern steht dafür 4π × 10⁻⁷ T·m/A. Der aktuelle NIST-Wert beträgt 1.25663706127 × 10⁻⁶ N/A² und stimmt damit bis auf weniger als ein Milliardstel überein. OpenStax fragt, welche Stromstärke in 5.0 cm Entfernung von einem Draht das doppelte Erdmagnetfeld, also 1.0 × 10⁻⁴ T, erzeugt. Die Antwort lautet I = 2π r B ÷ μ₀ = 25 A. Im Vermessungswesen ist dieser Effekt bekannt: Freileitungen können Kompassanzeigen verfälschen.
Spulen erzeugen starke, gleichmäßige Felder
Biegst du den Draht zu einer Schleife, addieren sich die Felder aller Drahtabschnitte in ihrer Mitte. Wickelst du viele Schleifen zu einer langen Spule, einem Solenoid, wird das Feld im Inneren stark und fast gleichmäßig. Direkt außerhalb der Windungen ist es dagegen nahezu null. Im Inneren einer langen Spule gilt B = μ₀ n I. Dabei ist n die Windungszahl pro Meter, N ÷ L. Mehr Windungen auf derselben Länge oder eine höhere Stromstärke ergeben ein stärkeres Feld. Außen hat das Spulenfeld dieselbe Form wie das Feld eines Stabmagneten, mit einem Nord- und einem Südende.
Welches Ende ist der Nordpol? Krümme die Finger deiner rechten Hand so um die Spule, wie der Strom durch die Windungen fließt. Dein Daumen zeigt dann zum Nordende. Kehrst du den Strom um, tauschen die Pole die Plätze. Die Spule im Experiment ist 10 cm lang. Bei 200 Windungen und 2 A gilt n = 2000 pro Meter und B = 1.2566 × 10⁻⁶ × 2000 × 2 = 5.03 × 10⁻³ T, etwa 5 mT. Das ist ungefähr das 100-Fache der 50 μT, die hier für das Erdmagnetfeld verwendet werden. Das große OpenStax-Beispiel ist eine 2.00 m lange Spule mit 2000 Windungen und 1600 A: n = 1000 pro Meter und B = 2.01 T, die Stärke eines MRT-Magneten. Solch ein Strom würde gewöhnlichen Kupferdraht überhitzen. Deshalb verwenden MRT-Geräte supraleitende Spulen.
Zum Drehen ziehen. Zum Zoomen scrollen oder zwei Finger auseinander- oder zusammenziehen.
Eisenkerne und die Aufgaben von Elektromagneten
Steckst du einen Eisenkern in die Spule, richtet das Stromfeld die weißschen Bezirke des Eisens aus. Das Eisen wird selbst zum Magneten und verstärkt mit seinem Feld das Spulenfeld. Wo starke magnetische Wirkungen benötigt werden, erhalten Elektromagnete ferromagnetische Kerne. Anders als ein Dauermagnet lässt sich ein Elektromagnet abschalten, verstärken oder umpolen. Schrottplatzkräne heben damit Autos an und lassen sie durch Abschalten des Stroms fallen. Teilchenbeschleuniger lenken damit Strahlen, und in MRT-Geräten liegen die untersuchten Personen innerhalb einer großen supraleitenden Spule. Der Spulenwiderstand setzt eine Grenze: Bei zu viel Strom überhitzt der Draht.
| Oersted, 1820 | Ein Strom bewegt eine Kompassnadel |
| Feld eines langen, geraden Drahtes | B = μ₀ I ÷ (2π r), Kreise um den Draht |
| Feld im Inneren einer Spule | B = μ₀ n I, n = Windungen pro Meter |
| μ₀ | 4π × 10⁻⁷ T·m/A ≈ 1.2566 × 10⁻⁶ |
| Welches Spulenende ist N? | Finger der rechten Hand in Stromrichtung, Daumen zeigt nach N |
- Ein Strom erzeugt ein Magnetfeld (Oersted, 1820).
- Um einen langen, geraden Draht sind die Feldlinien kreisförmig; B = μ₀ I ÷ (2π r).
- Im Inneren einer Spule gilt B = μ₀ n I. Mehr Windungen pro Meter oder mehr Strom bedeuten ein stärkeres Feld.
- Die Rechte-Hand-Regel für Spulen zeigt das N-Ende. Beim Umkehren des Stroms tauschen die Pole die Plätze.
- Ein Eisenkern verstärkt einen Elektromagneten erheblich.
- Wer beobachtete 1820 als Erster, dass ein Strom eine Kompassnadel ablenkt?
- Hans Christian Oersted
- Michael Faraday
- William Gilbert
- Isaac Newton
- Die Feldlinien um einen langen, geraden Draht sind:
- Kreise um den Draht
- Gerade Linien entlang des Drahtes
- Gerade Linien vom Draht weg
- Es gibt kein Feld
- Wie groß ist das Feld 5.0 cm von einem langen Draht mit 25 A, in Einheiten von 10⁻⁴ T? (μ₀ = 4π × 10⁻⁷)
- Experimentierspule: 200 Windungen, 0.10 m lang, 2 A. Wie groß ist das Feld im Inneren in mT? (Zwei Nachkommastellen)
- Wie viele Windungen pro Meter ergeben 2000 Windungen auf 2.00 m?
- Durch diese Spule fließen 1600 A. Wie groß ist das Feld im Inneren in Tesla? (Zwei Nachkommastellen)
- Du verdoppelst bei gleichbleibender Spulenlänge sowohl die Windungszahl als auch die Stromstärke. Das Feld wird:
- 4-mal so stark
- 2-mal so stark
- Gleich stark
- 8-mal so stark
- Du kehrst den Strom in einem Elektromagneten um. Was geschieht?
- Die N- und S-Enden tauschen die Plätze
- Er hört auf, ein Magnet zu sein
- Er wird doppelt so stark
- Nichts ändert sich
- Warum nutzen Schrottplatzkräne Elektromagnete statt Dauermagneten?
- Sie lassen sich abschalten, um die Last fallen zu lassen
- Sie sind leichter als Luft
- Sie ziehen Aluminium an
- Sie benötigen keinen Strom
- Ein Eisenkern in einer Spule:
- Verstärkt das Feld erheblich
- Hebt das Feld auf
- Kehrt die Pole um
- Stoppt den Strom
Quellen zu diesem Kurs (16)
- OpenStax College Physics 2e (openstax.org/books/college-physics-2e): 22.1 Magnets (all magnets have N and S poles, north-seeking and south-seeking, like poles repel and unlike attract, poles cannot be separated, the magnetic pole near the geographic North Pole is a south magnetic pole, sunspots come in N/S pairs)
- 22.2 Ferromagnets and electromagnets (iron, cobalt, nickel, gadolinium; neodymium alloys; domains grow to millimetre size; Curie temperature of iron 1043 K (770 °C); Oersted saw a compass needle deflected by a current; electromagnets in scrapyard cranes, particle accelerators and MRI; electric current is the source of all magnetism; no monopoles observed)
- 22.3 Magnetic fields and field lines (direction = where a compass north end points; four rules: tangent, density = strength, never cross, closed loops from N to S outside)
- 22.7 Magnetic force on a current-carrying conductor (F = I l B sin θ, 1 T = 1 N/(A·m), example 20.0 A, 5.00 cm, 1.50 T gives 1.50 N; motors)
- 22.9 Magnetic fields produced by currents (Oersted 1820, right hand rule 2, B = μ0 I ÷ (2π r), μ0 = 4π × 10⁻⁷ T·m/A, Earth's field about 5.0 × 10⁻⁵ T, 25 A at 5.0 cm gives twice that; loop centre B = N μ0 I ÷ 2R; solenoid B = μ0 n I, 2000 loops over 2.00 m with 1600 A gives 2.01 T, MRI; ferromagnetic cores)
- 23.1 Induced emf and magnetic flux (Faraday's iron-ring apparatus, emf only while the field changes, magnet pushed into a coil, faster motion gives more emf, generators, Φ = B A cos θ)
- NIST CODATA 2022 vacuum magnetic permeability μ0 = 1.25663706127(20) × 10⁻⁶ N/A² (physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?mu0)
- NOAA NCEI Geomagnetism Frequently Asked Questions (ncei.noaa.gov/products/geomagnetism-frequently-asked-questions): field like a dipole at Earth's centre, over 90% from the outer core, intensity roughly 25,000 to 65,000 nT (0.25 to 0.65 gauss)
- 1 gauss = 100,000 nT, declination = angle between magnetic north and true north (east positive)
- inclination, dip poles, dipole axis 9.41° from the rotation axis (WMM2020, 2020.0)
- north magnetic pole moving about 55 km per year north-northwest (2001 and 2007 surveys)
- last reversal about 750,000 to 780,000 years ago, reversals spaced 5 thousand to 50 million years, a reversal would take several thousand years, models renewed every five years, blackout zones where H < 2000 nT, compass balance weights differ by hemisphere, true bearing = magnetic bearing + declination
- NOAA NCEI news "World Magnetic Model 2025 Released" (17 December 2024)
- NOAA NCEI "December 2025 State of the Geomagnetic Field" (north dip pole 36 km/yr and south dip pole 9 km/yr since 1 January 2025)
- USGS, "Pre-gilbertian conceptions of terrestrial magnetism" (pubs.usgs.gov/publication/70009843): Gilbert's De Magnete (1600) first suggested that Earth behaves as a great magnet. Royal Institution, Michael Faraday's ring-coil apparatus (rigb.org): made August 1831, success on 29 August 1831, the first electric transformer
- APS News "This Month in Physics History" (Aug 2001): Faraday's electromagnetic rotation experiments of September 1821, the principle behind the electric motor.
Abgerufen: 2026-10-17