Ein Physiker muss immer genau beobachten, was um ihn herum passiert, denn manchmal gibt die Natur Antworten auf Fragen, die man eigentlich gar nicht bewusst gestellt hatte. So ist es dem .... Physiker Hans Christian Oersted ergangen. Er hatte zufällig eine Kompassnadel in der Nähe eines stromdurchflossenen Leiters.
Kompasse um senkrechten Draht anordnen. Opa läßt viel Strom fliessen
Die Kompassnadeln orientieren sich kreisförmig um den Leiter! Obwohl hier nur ein elektrischer Strom fliesst, der eigentlich (so dachte man damals!) nichts mit Magnetismus zu tun hat, werden die Magnetnadeln abgelenkt. Das war eine bahnbrechende neue Entdeckung -- auf der heute die ganze Elektrotechnik basiert.
Die Physiker stellen sich vor, dass unsichtbare magnetische Feldlinien um den Leiter herumgehen. solange er vom Strom durchflossen ist. Je mehr Strom fliesst, umso mehr Feldlinien gibt es. Diese Feldlinien sind die gleichen, die auch aus einem Dauermagneten herauskommen, daher lenken sie die Kompassnadel ab.
Die Kraft ist aber, wie wir gesehen haben, recht schwach. Aber die Physiker und die Ingenieure haben nicht aufgegeben. Wenn man zwei Drähte nimmt, bekommt man doppelt so viele Feldlinien, zumindest wenn der Strom in die gleiche Richtung fliesst. Und bei 100 Drähten ist die Kraft 100x so groß. Was haben die Leute gemacht? Sie haben Draht aufgewickelt!
Wir schliessen die Drahtspule an.
Der Kompass schlägt nun auf eine grössere Entfernung an. Aber es geht noch besser: Eisen hat eine besondere Eigenschaft, genannt Ferromagnetismus. Das Eisen (genaugenommen sogenanntes Weicheisen) verstärkt im Magnetfeld dieses indem es die Feldlinien bündelt! Die Feldlinien gehen lieber durch das Eisen als durch die Luft. Eisen ist also eine Art Leiter für Magnetismus (so wie Metalle Leiter für Elektrizität sind).
Wir führen den Weicheisenkern in die Drahtspule ein.
Jetzt ist das Magnetfeld nochmal viel stärker! Wir haben einen Elektromagneten gebaut! Der Eisenkern wird von den Magnetkräften ins Innere der Spule hineingezogen, weil dort mehr Feldlinien sind.Wir führen den Eisenkern in die bestromte Spule ein.
Wir machen mit dem Elektromagneten und dem Pendel ein Reaktionsspiel.
Wir halten ein Stück Eisenblech nahe an den Eisenkern (ohne Berührung!) und schalten den Strom ein und aus
Wir hören ein Kratzen im Blech! Wir haben einen Lautsprecher gebaut!
Im Wassermodell gibt es eine ähnliche Trägheit bei einem langen Schlauch, z.B. wenn er auf der Schlauchtrommel aufgewickelt ist.
Wir schliessen die Drahtspule ohne Eisenkern an eine kleine Spannung von ca. 1V. Ein Kind fasst mit zwei Fingern einer Hand an die Spule, ein anderes schaltet den Strom ab. Was passiert?
Die Induktivität der Spule setzt sich dem Abschalten des Stroms entgegen und schiebt die Elektronen alle in eine Richtung (so, wie der Strom vorher geflossen ist). Da können sie aber nicht weiter, es kommt zu einem Stau und damit steigt der "Druck", die elektrische Spannung. Die Spannung kann ein Vielfaches der ursprünglichen Spannung erreichen. Daher bei Spulen immer vorsichtig sein, auch wenn die Spannungen eigentlich klein und ungefährlich sind.
Die beiden Striche auf der Seite symbolisieren den Eisenkern. Wenn es eine Spule ohne Kern (Luftspule) ist, fallen die Striche einfach weg.
Die Einheit der Induktivität ist das Henry, benannt nach dem ..... Physiker (langsam wird es langweilig, es sind immer Physiker, oder?) Joseph Henry.
Wir schieben jetzt den Eisenkern durch zwei Spulen. An eine Spule schliessen wir das Oszi an, die andere verbinden wir mit dem Netzgerät und schalten ein und aus.
Wir sehen auf dem Oszi sehr hohe Spannungen, obwohl die beiden Spulen elektrisch nicht miteinander verbunden sind. Das magnetische Feld wird durch den Eisenkern von einer Spule in die andere geleitet und wenn sich das magnetische Feld ändert, dann wird auch in dieser Spule eine Spannung induziert!
Wir schalten jetzt zwei anti-parallele (wir wissen ja erst mal nicht, wie die Polarität hier sein wird) LEDs an die Sekundärseite unseres Trafos.
Die LEDs (jeweils eine) leuchten tatsächlich auf! Wir können also mit einem Trafo Energie übertragen. Transformatoren sind heute sehr wichtig. Sie können riesige Mengen an Energie übertragen. Und wenn wir die beiden Spulen mit unterschiedlich vielen Windungen bewickeln, dann können wir Spannung und Strom abwechselnd vergrössern und verkleinern.
Jetzt verwenden wir einen Dauermagneten und nähern ihn schnell dem Eisenkern. Was passiert?
Vorsicht! Dieser Magnet ist wahnsinnig stark!! Nicht die Finger einklemmen!! Betreuer aufpassen!
Auch der sich nähernde Magent ändert das Magnetfeld in der Spule, wogegen sich diese wehrt, indem sie eine Spannung (und Strom) induziert, die unsere LEDs leuchten lässt.
Erst durch den Generator, der aus mechanischer Energie (z.B. Wasserkraft) elektrische Energie erzeugt ist der Siegeszug der Elektrik und Elektronik überhaupt erst möglich geworden. Werner von Siemens war ein .... Ingenieur (!), der im Generator die Dauermagnete durch Elektromagnete ersetzte, die vom Generator selbst gespeist wurden. Da Elektromagnete viel stärker als Dauermagnete sein können, können so viel größere Mengen an Elektrizität erzeugt werden. Er gründete die Firma Siemens, die mit dem Bau von Generatoren groß wurde und heute ein Weltkonzern ist.