Physik · Klasse 7–10 · aktualisiert
Spule: Aufbau, Magnetfeld und Elektromagnet
So wird ein gewickelter Draht zum Elektromagneten: Aufbau, Feld, Eisenkern und Reaktion beim Schalten.
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Kurz gesagt
Eine Spule ist ein vielfach gewickelter, isolierter Leiter. Fließt Strom, überlagern sich die Magnetfelder der Windungen; mehr Windungen, mehr Strom oder ein geeigneter Eisenkern verstärken die Wirkung. Eine Stromänderung erzeugt in derselben Spule eine Gegenspannung.
Eine Spule ist ein vielfach gewickelter, isolierter Draht. Fließt Strom durch ihn, überlagern sich die Magnetfelder der einzelnen Windungen zu einem stärkeren Gesamtfeld. Mit der Stromstärke, der Windungszahl und einem Eisenkern lässt sich dieses Feld beeinflussen. Auf dieser Seite untersuchst du den Aufbau einer Spule, ihr Magnetfeld und ihre Verwendung als steuerbaren Elektromagneten.
Deine Lernziele
Hake ab, was du schon kannst. Löst du alle Aufgaben eines Abschnitts, hakt Mela das Ziel für dich ab.
4 Abschnitte
Eine Spule besteht aus einem langen Leitungsdraht, der in vielen Schleifen aufgewickelt ist. Jede vollständige Schleife heißt Windung. Häufig liegen die Windungen dicht nebeneinander und bilden einen Zylinder.
Der Draht muss elektrisch isoliert sein. Dafür wird oft Kupferlackdraht verwendet: Eine dünne Lackschicht trennt benachbarte Windungen voneinander. Ohne diese Schicht könnte der Strom direkt zwischen Windungen abkürzen. Mit der Isolierung muss er dem gesamten gewickelten Draht folgen.
Definition
Windung
Eine Windung ist eine vollständige Drahtschleife einer Spule. Eine Spule enthält viele solcher Windungen hintereinander.
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Ein stromdurchflossener Leiter erzeugt ein Magnetfeld. Deshalb erzeugt auch jede einzelne Windung ein Magnetfeld und wirkt ähnlich wie ein kleiner Stabmagnet. In einer Spule liegen viele Windungen hintereinander. Ihre Magnetfelder überlagern sich: Im Inneren wirken viele Feldanteile in dieselbe Richtung und verstärken sich zu einem gemeinsamen Spulenfeld.
Eine lange, eng gewickelte Zylinderspule besitzt im Inneren ein annähernd homogenes Magnetfeld. Annähernd homogen bedeutet: Stärke und Richtung des Feldes sind dort in weiten Bereichen nahezu gleich. An den Enden und außerhalb der Spule ist diese Vereinfachung weniger genau.
Die Spule hat wie ein Stabmagnet einen Nord- und einen Südpol. Im Inneren verlaufen die Feldlinien vom Südpol zum Nordpol, außerhalb zurück vom Nordpol zum Südpol.
Merke: Ohne Strom entsteht kein strombedingtes Spulenfeld. Ein Eisenkern kann nach dem Ausschalten jedoch Restmagnetismus behalten.
Beispiel: Was passiert beim Einschalten?
- 1Bei ausgeschaltetem Strom erzeugt die Spule kein eigenes Magnetfeld.
- 2Nach dem Einschalten fließt Strom durch jede Windung.
- 3Die Magnetfelder der Windungen überlagern sich.
- 4Die Spule wirkt nun als Magnet mit Nord- und Südpol.
- 5Nach dem Ausschalten verschwindet das strombedingte Magnetfeld wieder.
- 6Der entscheidende Unterschied liegt also nicht in der Form der Spule, sondern darin, ob Strom fließt.
Teste dich
Bei sonst gleichen Bedingungen verstärkt eine größere Stromstärke das Feld einer Spule. Mehr Windungen lassen weitere einzelne Windungsfelder zusammenwirken. Ein geeigneter ferromagnetischer Eisenkern verstärkt das Gesamtfeld zusätzlich.
Ferromagnetische Stoffe lassen sich stark magnetisieren. Im zunächst unmagnetisierten Eisenkern sind magnetische Bereiche ungeordnet. Das Spulenfeld richtet viele Bereiche aus; das Kernfeld ergänzt dann das Feld der Windungen.
Eine stromdurchflossene Spule ist ein Elektromagnet. Anders als ein Permanentmagnet lässt sich ihre strombedingte Wirkung durch Schalten des Stroms steuern. Relais, Türklingeln, Lautsprecher und Lastenhebemagnete nutzen dieses Prinzip. Ein Lastenhebemagnet kann Eisenteile anheben und freigeben. Kupfer, Aluminium und Kunststoff werden nicht wie Eisen angezogen.
Beispiel: Eine Spule zieht eine Büroklammer nur schwach an. Was kann helfen?
- 1Erhöhst du bei unveränderter Spule die Stromstärke, wird ihr Feld stärker.
- 2Verwendest du bei sonst gleichen Bedingungen mehr Windungen, wird ihr Feld ebenfalls stärker.
- 3Schiebst du einen geeigneten Eisenkern in die Spule, verstärkt der magnetisierte Kern die Feldwirkung.
- 4Alle drei Änderungen zielen auf dasselbe Ergebnis, beruhen aber auf unterschiedlichen Ursachen.
Definition
Elektromagnet
Ein Elektromagnet erzeugt seine magnetische Wirkung mithilfe von elektrischem Strom. Er lässt sich daher ein- und ausschalten und seine Stärke lässt sich beeinflussen.
| Merkmal | Elektromagnet | Permanentmagnet |
|---|---|---|
| Ursache der nutzbaren Magnetwirkung | elektrischer Strom | dauerhafte Magnetisierung |
| Ein- und ausschaltbar | ja, über den Strom | nicht auf diese Weise |
| Stärke beeinflussbar | etwa durch Stromstärke, Windungszahl und Kern | nicht durch einfaches Regeln eines Spulenstroms |
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Beim Einschalten wächst der Strom nicht sofort ungehindert an. Der Grund ist die Selbstinduktion: Ändert sich der Strom, ändert sich auch das Magnetfeld der Spule. Diese Änderung erzeugt in derselben Spule eine induzierte Spannung.
Nach der Lenzschen Regel ist diese Spannung so gerichtet, dass ihre Wirkung der verursachenden Änderung entgegenwirkt. Sie richtet sich also gegen die Veränderung des Stroms. Beim Einschalten bremst sie den Stromanstieg.
Beim Ausschalten wirkt sie dem Stromabfall entgegen. Nur wenn ein geschlossener Stromweg bleibt, kann der bisherige Strom zunächst weiterfließen. Ohne solchen Weg kann eine hohe Spannung entstehen; das ist kein Versuch für zu Hause.
Bei einem unveränderten Gleichstrom ändert sich das Magnetfeld nicht mehr. Dann entsteht durch diesen Vorgang keine weitere Induktionsspannung. Im Magnetfeld der Spule ist Energie gespeichert. Das erklärt ihre elektrische Wirkung beim Abschalten.
Merke: Selbstinduktion wirkt der Änderung des Stroms entgegen, nicht einfach dem Strom selbst.
Teste dich
Alles auf einen Blick
Spule
Aufbau
isolierter Draht und viele Windungen
Magnetfeld
überlagerte Felder der Windungen
Verstärkung
mehr Strom, mehr Windungen oder Eisenkern
Elektromagnet
steuerbar durch den Strom
Selbstinduktion
wirkt einer Stromänderung entgegen
Musteraufgabe · Schritt für Schritt
Ein schaltbarer Magnet
- 1Eine Spule aus isoliertem Draht wird mit einer 8-V-Batterie, einem geeigneten Vorwiderstand und einem Schalter verbunden. Neben ihr liegen einige Büroklammern aus Eisen.
- 2Bei offenem Schalter fließt kein Strom; die Spule erzeugt kein eigenes strombedingtes Magnetfeld.
- 3Bei geschlossenem Schalter fließt Strom. Die Felder der Windungen überlagern sich, und die Spule zieht eine Büroklammer an.
- 4Ein geeigneter Eisenkern verstärkt die Wirkung, weil das Spulenfeld magnetische Bereiche im Eisen ausrichtet.
- 5Beim Öffnen des Schalters klingt das strombedingte Feld ab; der Kern kann je nach Material Restmagnetismus behalten.
Fehler finden
Was bewirken zwölf Windungen? In einer Zeile steckt ein Fehler. Tippe sie an.
Fehler in Zeile 3Die zwölf Windungen allein erzeugen kein strombedingtes Magnetfeld. Erst wenn nach dem Schließen Strom fließt, wirkt die Spule als Elektromagnet.
Lückentext
Wähl in jeder Lücke das passende Wort und prüf dann deine Antworten.
Bei sonst gleichen Bedingungen wird das Spulenfeld durch eine Stromstärke und durch Windungen stärker. Ein geeigneter kann das Feld zusätzlich verstärken.
Karteikasten
Erst selbst überlegen, dann umdrehen.
Übung mit Feedback