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Elektromagnete: Magnetkraft auf Knopfdruck
Strom an, Magnet an: Hier erfährst du, wie Spule und Eisenkern zusammenarbeiten, wo Elektromagnete überall stecken und wie du selbst einen baust.
Ein Dauermagnet ist immer an. Ein Elektromagnet dagegen hat einen Schalter: Fließt Strom, zieht er an, fließt keiner, lässt er los. Genau diese Eigenschaft macht ihn zu einem der wichtigsten Bauteile der Technik, vom kleinen Relais in deiner Waschmaschine bis zum riesigen Lasthebemagneten auf dem Schrottplatz.
In diesem Ratgeber erfährst du, was in einer Spule passiert, warum ein Eisenkern so viel ausmacht, wovon die Stärke abhängt und wo dir Elektromagnete im Alltag begegnen. Zum Schluss baust du mit wenigen Teilen deinen eigenen.
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Vom Draht zum Magneten: das Prinzip
Jeder Draht, durch den Strom fließt, ist von einem Magnetfeld umgeben. Bei einem geraden Draht ist dieses Feld schwach und verteilt sich ringförmig um den Leiter. Wickelst du den Draht zu einer Spule, addieren sich die Felder der einzelnen Windungen. Im Inneren der Spule entsteht so ein gebündeltes Feld, und die Spule verhält sich nach außen wie ein Stabmagnet mit Nord und Südpol.
Welches Ende der Nordpol wird, hängt von der Stromrichtung ab. Eine praktische Merkhilfe ist die Rechte-Hand-Regel: Krümmst du die Finger der rechten Hand in Richtung des Stromflusses durch die Windungen, zeigt der Daumen zum Nordpol. Polst du die Batterie um, tauschen auch die Pole.
Die Entdeckung ist fast 200 Jahre alt. Der Engländer William Sturgeon baute 1824 einen hufeisenförmigen Eisenkern mit Kupferdraht, der ein Vielfaches seines eigenen Gewichts heben konnte. Ab 1830 verbesserte der Amerikaner Joseph Henry das Konzept deutlich: Er isolierte den Draht mit Seide und konnte so viele Lagen übereinander wickeln. Seine Magnete trugen schon Lasten von mehreren hundert Kilogramm.
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Spule und Kern: das Duo hinter der Kraft
Eine Spule allein ist schon ein Magnet, aber ein recht schwacher. Richtig stark wird sie erst mit einem Kern aus ferromagnetischem Material, meist Weicheisen oder spezielles Elektroblech. In diesem Material gibt es winzige Bereiche, die Weiss-Bezirke, deren magnetische Ausrichtung zunächst ungeordnet ist. Das Feld der Spule richtet sie aus, und ihre Felder verstärken das Spulenfeld. Bei Eisen kann der Verstärkungsfaktor über 1000 liegen.
Wichtig ist das Wort „weich“. Weicheisen verliert seine Magnetisierung fast vollständig, sobald der Strom abgeschaltet wird. Ein Kern aus gehärtetem Stahl würde dagegen einen Teil der Magnetisierung behalten, und dein Elektromagnet würde nach dem Ausschalten noch nachkleben.
- Spule: isolierter Kupferdraht, oft Kupferlackdraht, damit sich die Windungen nicht kurzschließen
- Kern: Weicheisen oder Elektroblech, bündelt und verstärkt das Feld
- Stromquelle: bestimmt, wie viel Strom fließt, und damit die Stärke
- Anker: das bewegliche Eisenteil, das angezogen wird, etwa bei Relais und Klingeln
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Wovon hängt die Stärke ab?
Die entscheidende Größe heißt Durchflutung, oft einfach Amperewindungen genannt: Anzahl der Windungen mal Stromstärke. 100 Windungen mit 1 Ampere erzeugen rechnerisch dieselbe Durchflutung wie 1000 Windungen mit 0,1 Ampere. Verdoppelst du Windungen oder Strom, verdoppelt sich grob auch das Feld.
Diese Rechnung gilt aber nicht unbegrenzt. Ist ein Eisenkern einmal fast vollständig ausgerichtet, spricht man von Sättigung. Bei Eisen liegt sie ungefähr zwischen 1,6 und 2 Tesla. Darüber bringt mehr Strom kaum noch zusätzliche Kraft, sondern vor allem mehr Wärme. Weitere Faktoren sind:
- Luftspalt: Schon ein dünner Spalt zwischen Kern und Anker schwächt die Haltekraft deutlich. Deshalb liegen Haftflächen möglichst plan aufeinander.
- Form des Kerns: Eine Hufeisenform führt das Feld über beide Pole zurück und hält dadurch kräftiger als ein einzelner Stabpol.
- Wärme: Der Drahtwiderstand wandelt Strom in Wärme um. Bei Gleichstrom ist das der Hauptverlust. Bei Wechselstrom kommen Wirbelströme und Ummagnetisierungsverluste im Kern hinzu, deshalb bestehen solche Kerne aus dünnen, gegeneinander isolierten Blechen.
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Elektromagnete im Alltag und in der Industrie
Du benutzt vermutlich jeden Tag Dutzende Elektromagnete, ohne es zu merken. Hier sind einige typische Beispiele:
| Anwendung | Was der Elektromagnet macht |
|---|---|
| Türklingel | Zieht einen Anker mit Klöppel an, der gegen die Glocke schlägt. Bei klassischen Klingeln unterbricht die Bewegung den Stromkreis, der Anker federt zurück, und das Spiel beginnt von vorn. |
| Relais | Ein kleiner Steuerstrom bewegt einen Anker, der einen separaten Kontakt schließt oder öffnet. So kann ein schwacher Stromkreis einen starken schalten. |
| Lautsprecher | Eine leichte Schwingspule sitzt im Feld eines Dauermagneten. Das Musiksignal ändert ständig ihren Strom, sie bewegt sich vor und zurück und treibt die Membran an. |
| Lasthebemagnet | Hebt Stahlschrott oder Bleche am Kran. Wird der Strom abgeschaltet, fällt die Last genau dort ab, wo sie hin soll. |
| Türhaftmagnet und Türöffner | Hält Brandschutztüren offen oder entriegelt Haustüren auf Knopfdruck. |
| Motoren und Transformatoren | Erzeugen mit Spulen wechselnde Felder für Drehbewegung oder Spannungsumwandlung. |
Auch in der Medizin spielen Elektromagnete eine Hauptrolle: Ein Magnetresonanztomograph arbeitet mit einem supraleitenden Elektromagneten, dessen Spulen auf extrem tiefe Temperaturen gekühlt werden.
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Elektromagnet oder Dauermagnet?
Beide haben ihre Stärken. Ein Neodym-Magnet braucht keinen Strom und ist für seine Größe erstaunlich kräftig. Dafür kannst du ihn nicht abschalten. Ein Elektromagnet ist regelbar und schaltbar, braucht aber eine Stromquelle und erzeugt Wärme.
- Wähle einen Dauermagneten, wenn etwas dauerhaft halten soll: Pinnwand, Werkzeugleiste, Möbelverschluss.
- Wähle einen Elektromagneten, wenn du Haltekraft ein und ausschalten oder dosieren willst: Verriegelung, Sortieranlage, Hebetechnik.
Viele Geräte kombinieren beides, wie der Lautsprecher zeigt.
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Bau deinen eigenen Elektromagneten
Für einen einfachen Versuch brauchst du nur wenig Material, und das Ergebnis ist sofort sichtbar.
- ein großer Eisennagel oder eine Schraube aus Eisen, etwa 8 bis 10 cm lang
- ein bis zwei Meter isolierter, dünner Kupferdraht, ideal ist Kupferlackdraht
- eine 1,5-Volt-Batterie, zum Beispiel Größe AA oder D
- Klebeband, Büroklammern und etwas Schleifpapier
So geht es: Wickle den Draht eng und immer in dieselbe Richtung um den Nagel. Lass an beiden Enden ein Stück Draht überstehen. Bei Kupferlackdraht schleifst du die Enden mit Schleifpapier blank. Halte oder klebe die Enden kurz an die beiden Pole der Batterie, und schon hebt die Nagelspitze Büroklammern an. Unterbrichst du den Kontakt, fallen sie ab.
Experimentiere ruhig weiter: Mehr Windungen machen den Magneten stärker, ein Nagel aus Aluminium oder ein Holzstab funktionieren dagegen kaum. Mit einem Kompass kannst du prüfen, wo Nord und Südpol liegen und wie sie beim Umpolen wechseln.
Sicherheitshinweise: Du erzeugst hier bewusst einen Kurzschluss. Draht und Batterie werden dabei warm bis heiß, und die Batterie entleert sich schnell. Schließe den Strom deshalb nur für wenige Sekunden an. Verwende niemals Netzstrom aus der Steckdose, keine Autobatterie und keine Lithium-Akkus mit hohen Strömen. Kinder sollten den Versuch nur mit einem Erwachsenen machen.
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Häufige Fragen
Kann ein Elektromagnet stärker sein als ein Neodym-Magnet?
Ja. Große Elektromagnete, besonders supraleitende, erreichen Felder, die kein Dauermagnet schafft. Ein kleiner Batterie-Elektromagnet ist dagegen meist deutlich schwächer als ein gleich großer Neodym-Magnet.
Warum wird mein Elektromagnet warm?
Der Draht hat einen elektrischen Widerstand, und ein Teil der Energie wird zu Wärme. Je höher der Strom, desto mehr Wärme. Größere Geräte werden deshalb gekühlt oder nur zeitweise eingeschaltet.
Funktioniert es auch mit Wechselstrom?
Ja, der Magnet polt sich dann ständig um. Das nutzen Transformatoren und Motoren. Für Haltemagnete ist Gleichstrom meist praktischer, weil die Kraft gleichmäßig bleibt.
Bleibt der Nagel nach dem Versuch magnetisch?
Ein wenig, wenn er aus Stahl ist. Weicheisen verliert die Magnetisierung fast vollständig, gehärteter Stahl behält einen kleinen Rest.
Quellen:
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