Elektromagnetismus

1820 bemerkte Hans Christian Ørsted, dass eine Kompassnadel ausschlägt, sobald neben ihr ein Strom fließt. Damit war klar: Elektrizität und Magnetismus sind zwei Seiten derselben Sache. Jeder Strom erzeugt ein Magnetfeld, und ein Magnetfeld übt Kräfte auf bewegte Ladungen aus. Auf diesem Zusammenspiel beruhen Relais, Motoren, Lautsprecher, Transformatoren und jede Spule auf deiner Platine.

Das Magnetfeld eines geraden Leiters

Um einen stromdurchflossenen Draht bildet sich ein Magnetfeld aus konzentrischen, geschlossenen Feldlinien. Ihre Richtung bestimmst du mit der Rechte-Hand-Regel: Umfasse den Leiter mit der rechten Hand so, dass der Daumen in die technische Stromrichtung zeigt – dann zeigen die gekrümmten Finger die Richtung der Feldlinien. Diese Regel heißt auch Schrauben- oder Korkenzieherregel: Drehst du eine Schraube mit Rechtsgewinde in Stromrichtung ein, gibt die Drehrichtung den Umlaufsinn des Felds an. Kehrst du den Strom um, kehrt sich auch das Feld um.

Die Flussdichte nimmt mit dem Abstand r vom Leiter ab:

In Zeichnungen stellt man einen Strom, der in die Zeichenebene hineinfließt, mit einem Kreuz (⊗) dar, einen herausfließenden mit einem Punkt (⊙) – wie das Ende und die Spitze eines Pfeils.

Die Spule

Wickelst du den Draht zu einer Spule, überlagern sich die Felder der einzelnen Windungen. Im Inneren entsteht ein starkes, nahezu homogenes Feld, außen ähnelt das Feld dem eines Stabmagneten. Auch hier hilft die rechte Hand: Krümme die Finger in Stromrichtung durch die Windungen, dann zeigt der Daumen zum Nordpol der Spule.

Für eine lange, schlanke Spule mit N Windungen und der Länge l gilt:

Das Produkt N · I heißt Durchflutung – doppelte Windungszahl wirkt genauso wie doppelter Strom. Die genauen Größen und Einheiten erklärt Magnetische Größen und Einheiten.

Der Elektromagnet

Steckst du einen Eisenkern in die Spule, richten sich dessen Weiss'sche Bezirke im Feld aus und verstärken es um die Permeabilitätszahl μ_r – bei Eisen um das Hundert- bis Tausendfache. Das Ergebnis ist ein Elektromagnet, den du ein- und ausschalten und in der Stärke regeln kannst. Bei sehr großen Feldern stößt das Eisen allerdings an die Sättigung: Wenn alle Bezirke ausgerichtet sind, wächst die Flussdichte nur noch so langsam wie ohne Kern.

Elektromagnete findest du in Relais, Schützen, Türöffnern, Magnetventilen, Hubmagneten und Lasthebemagneten.

Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter

Bringst du einen Leiter, durch den Strom fließt, in ein äußeres Magnetfeld, wirkt auf ihn eine Kraft. Sie steht senkrecht auf Stromrichtung und Feldrichtung. Für einen geraden Leiter der Länge l senkrecht zum Feld gilt:

Anschaulich erklären lässt sich das mit den Feldlinien: Das Ringfeld des Leiters und das äußere Feld überlagern sich. Auf der einen Seite des Leiters laufen beide in dieselbe Richtung und verstärken sich, auf der anderen laufen sie gegeneinander und schwächen sich. Der Leiter wird zur Seite der geringeren Feldliniendichte gedrängt.

Dahinter steckt die Lorentzkraft auf die einzelnen bewegten Ladungsträger. Die Richtung findest du mit der Drei-Finger-Regel der rechten Hand: Daumen in technische Stromrichtung, Zeigefinger in Feldrichtung (N nach S), dann zeigt der Mittelfinger die Kraftrichtung.

Genau diese Kraft treibt Elektromotoren, Lautsprecher und die Zeiger von Drehspulmesswerken an. Auch zwei parallele Leiter beeinflussen sich: Fließen die Ströme gleichsinnig, heben sich ihre Felder zwischen den Leitern teilweise auf und verstärken sich außen – die Leiter ziehen sich an. Fließen sie gegensinnig, ist das Feld zwischen ihnen verstärkt, und sie stoßen sich ab. Bei Kurzschlussströmen von einigen kA können diese Kräfte Stromschienen verbiegen.

Die Lorentzkraft wirkt nicht nur auf Drähte, sondern auf jede bewegte Ladung, auch im Vakuum. Damit lenkt man Elektronenstrahlen ab – früher in Röhrenfernsehern, heute in Elektronenmikroskopen mit magnetischen Linsen und in Teilchenbeschleunigern. Auch der Hall-Effekt beruht auf ihr: Die Ladungsträger in einem stromdurchflossenen Plättchen werden seitlich abgedrängt, und es entsteht eine messbare Querspannung.

Anwendungen in der Elektronik

• Relais schalten mit einem kleinen Spulenstrom einen galvanisch getrennten Laststromkreis.
• Spulen und Drosseln speichern Energie im Magnetfeld, etwa in Schaltreglern und Filtern.
• Transformatoren übertragen Energie über ein gemeinsames Magnetfeld – das funktioniert nur mit Wechselstrom, wie Induktion zeigt.
• Hall-Sensoren messen Magnetfelder und damit berührungslos Ströme, Positionen oder Drehzahlen.

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