Elektromagnetismus ist eine der fundamentalen Kräfte des Universums, die für alles verantwortlich ist, von elektrischen und magnetischen Feldern bis hin zu Licht. Ursprünglich glaubten Wissenschaftler, dass Magnetismus und Elektrizität getrennte Kräfte sind. Im späten 19. Jahrhundert änderte sich diese Ansicht jedoch, da die Forschung schlüssig zeigte, dass positive und negative elektrische Ladungen von einer Kraft (d. H. Magnetismus) bestimmt wurden.
Seit dieser Zeit haben Wissenschaftler versucht, elektromagnetische Felder zu testen, zu messen und neu zu erzeugen. Zu diesem Zweck schufen sie Elektromagnete, ein Gerät, das elektrischen Strom verwendet, um ein Magnetfeld zu induzieren. Und seit ihrer ersten Erfindung als wissenschaftliches Instrument sind Elektromagnete zu einem festen Bestandteil elektronischer Geräte und industrieller Prozesse geworden.
Elektromagnete unterscheiden sich von Permanentmagneten dadurch, dass sie nur dann eine magnetische Anziehungskraft auf andere metallische Objekte ausüben, wenn ein Strom durch sie fließt. Dies bietet zahlreiche Vorteile, da die Kraft seiner magnetischen Anziehung gesteuert und nach Belieben ein- und ausgeschaltet werden kann. Aus diesem Grund werden sie in Forschung und Industrie überall dort eingesetzt, wo magnetische Wechselwirkungen erforderlich sind.
Geschichte der Elektromagnete:
Die erste Entdeckung der Beziehung zwischen Elektrizität und Magnetismus erfolgte 1820, als der dänische Wissenschaftler Hans Christian Orsted bemerkte, dass die Nadel seines Kompasses vom magnetischen Norden weg zeigte, als eine nahe gelegene Batterie eingeschaltet wurde. Diese Ablenkung überzeugte ihn davon, dass Magnetfelder von allen Seiten eines Drahtes strahlen, der elektrischen Strom führt, genau wie Licht und Wärme.
Kurz danach veröffentlichte er seine Ergebnisse und zeigte mathematisch, dass ein elektrischer Strom ein Magnetfeld erzeugt, wenn er durch einen Draht fließt. Vier Jahre später entwickelte der englische Wissenschaftler William Sturgeon den ersten Elektromagneten, der aus einem hufeisenförmigen Stück Eisen bestand, das mit Kupferdraht umwickelt war. Wenn Strom durch den Draht floss, zog er andere Eisenstücke an, und wenn der Strom gestoppt wurde, verlor er die Magnetisierung.
Obwohl der Sturgeon-Elektromagnet für moderne Verhältnisse schwach ist, zeigt er seine potenzielle Nützlichkeit. Obwohl es nur 200 Gramm wiegt, kann es Objekte mit einem Gewicht von ungefähr 4 kg nur mit dem Strom einer Einzelzellenbatterie heben. Infolgedessen begann sich die Forschung sowohl mit Elektromagneten als auch mit der Natur der Elektrodynamik zu intensivieren.
In den 1930er Jahren verbesserte der amerikanische Wissenschaftler Joseph Henry das Design des Elektromagneten. Durch die Verwendung von isoliertem Draht konnte er Tausende von Drahtwindungen auf einem einzigen Kern platzieren. Infolgedessen konnte einer seiner Elektromagnete bis zu 936 kg Gewicht tragen. Dies sollte eine popularisierende Wirkung auf die Verwendung von Elektromagneten haben.
Arten von Elektromagneten:
Ein elektrischer Strom, der in einem Draht fließt, erzeugt aufgrund des Ampere-Gesetzes ein Magnetfeld um den Draht. Dieses Gesetz besagt, dass für jeden Pfad mit geschlossener Schleife die Summe der Längenelemente mal dem Magnetfeld in Richtung des Längenelements gleich der Permeabilität mal dem in der Schleife eingeschlossenen elektrischen Strom ist.
Um das Magnetfeld in einem Elektromagneten zu konzentrieren, wird der Draht viele Male in eine Spule gewickelt, um sicherzustellen, dass der Windungsdraht nebeneinander entlang der Kante verläuft. Das durch die Drahtwindungen erzeugte Magnetfeld geht durch die Mitte der Spule und erzeugt dort ein starkes Magnetfeld. Die Seite des Magneten, aus der die Feldlinien austreten, ist definiert als Nordpol.
Eine Drahtspule, die die Form einer Helix hat, wird als "Magnet" bezeichnet. Es können jedoch viel stärkere Magnetfelder erzeugt werden, wenn ein ferromagnetisches Material (d. H. Eisen) in die Spule eingebracht wird. Dies wird als "ferromagnetischer Kern" (oder "Eisenkern-Elektromagnet") bezeichnet, der allein ein Magnetfeld erzeugen kann, das tausendmal so stark ist wie eine Spule.
Dann handelt es sich um einen sogenannten "toirodalen Kern", bei dem der Draht um einen ferromagnetischen Kern gewickelt ist und die Form einer geschlossenen Schleife (auch als Magnetkreis bezeichnet) hat. In diesem Fall haben die Magnetfelder die Form einer geschlossenen Schleife, wodurch dem Magnetfeld viel weniger „Widerstand“ entgegengebracht wird als Luft. Infolgedessen kann ein stärkeres Feld erhalten werden, wenn sich der größte Teil des Magnetfeldweges im Kern befindet.
Und dann gibt es „supraleitende“ Elektromagnete, die aus gewickeltem Draht aus supraleitenden Materialien (wie Niob-Titan oder Magnesiumdiborid) bestehen. Diese Drähte werden auch bei kryogenen Temperaturen gehalten, um sicherzustellen, dass der elektrische Widerstand minimal ist. Solche Elektromagnete können viel größere Ströme als gewöhnliche Drähte leiten, wodurch die stärksten Magnetfelder aller Elektromagneten erzeugt werden, und sie sind auch billiger zu betreiben, da kein Energieverlust auftritt.
Moderne Anwendungen für Elektromagnete:
Heutzutage gibt es unzählige Anwendungen für Elektromagnete, von großen Industriemaschinen bis hin zu kleinen elektronischen Bauteilen. Darüber hinaus werden Elektromagnete in großem Umfang eingesetzt, um wissenschaftliche Forschungen und Experimente durchzuführen, insbesondere wenn Supraleitung und schnelle Beschleunigung erforderlich sind.
Im Fall von elektromagnetischen Magneten werden sie überall dort eingesetzt, wo ein gleichmäßiges (d. H. Kontrolliertes) Magnetfeld benötigt wird. Gleiches gilt für den Elektromagneten mit Eisenkern, bei dem ein Eisen oder ein anderer ferromagnetischer Kern eingesetzt oder entfernt werden kann, um die Feldstärke des Magneten zu verstärken. Infolgedessen sind Magnetmagnete üblicherweise in elektronischen Paintball-Markern, Flipperautomaten, Nadeldruckern und Kraftstoffinjektoren zu finden, bei denen Magnetismus angewendet und gesteuert wird, um die kontrollierte Bewegung bestimmter Komponenten sicherzustellen.
Aufgrund ihrer Fähigkeit, sehr starke Magnetfelder, einen geringen Widerstand und einen hohen Wirkungsgrad zu erzeugen, sind supraleitende Elektromagnete häufig in wissenschaftlichen und medizinischen Geräten zu finden. Dazu gehören Magnetresonanztomographen (MRT) in Krankenhäusern sowie wissenschaftliche Instrumente wie Kernspinresonanzspektrometer (NMR), Massenspektrometer und Teilchenbeschleuniger.
Elektromagnete werden auch häufig bei Musikgeräten eingesetzt. Dazu gehören Lautsprecher, Kopfhörer, elektrische Glocken sowie magnetische Aufzeichnungs- und Datenspeichergeräte wie Tonbandgeräte. Die Multimedia- und Unterhaltungsindustrie ist auf Elektromagnete angewiesen, um Geräte und Komponenten wie Videorecorder und Festplatten herzustellen.
Elektrische Aktuatoren, die für die Umwandlung elektrischer Energie in mechanisches Drehmoment verantwortlich sind, sind ebenfalls auf Elektromagnete angewiesen. Elektromagnetische Induktion ist auch das Mittel, mit dem Leistungstransformatoren funktionieren, die für das Erhöhen oder Verringern der Wechselspannungsspannungen entlang von Stromleitungen verantwortlich sind.
Die Induktionserwärmung, die zum Kochen, Herstellen und zur medizinischen Behandlung verwendet wird, stützte sich ebenfalls auf Elektromagnete, die elektrischen Strom in Wärmeenergie umwandeln. Elektromagnete werden auch für industrielle Anwendungen verwendet, beispielsweise für Magnetheber, die zum Anheben schwerer Gegenstände magnetische Anziehungskraft verwenden, oder für Magnetabscheider, die für das Sortieren von ferromagnetischen Metallen aus Altmetall verantwortlich sind.
Und zu guter Letzt gibt es die Anwendung von Magnetschwebebahnen. Supraleitende Elektromagnete nutzen nicht nur elektromagnetische Kräfte, um einen Zug über ein Gleis schweben zu lassen, sondern sind auch dafür verantwortlich, die Züge auf hohe Geschwindigkeiten zu beschleunigen.
Kurz gesagt, die Verwendungsmöglichkeiten für Elektromagnete sind praktisch unbegrenzt und versorgen alles von Verbrauchsgeräten über schwere Geräte bis hin zum Nahverkehr. In Zukunft könnten sie auch für die Raumfahrt verantwortlich sein, bei der Ionenantriebssysteme Magnetfelder verwenden, um geladene Teilchen (d. H. Ionen) zu beschleunigen und Schub zu erzielen.
Wir haben hier im Space Magazine viele interessante Artikel über Elektromagnete geschrieben. Wer hat Elektrizität entdeckt? Woraus bestehen Magnete? Wie funktionieren Magnete?, Erdmagnetfeld und Ionenantrieb.
Weitere Informationen finden Sie auf der Seite der NASA-Bildungsressourcen zum Experimentieren mit Elektromagneten und zur Rolle der Erde als Elektromagnet und zur Erzeugung von Auroren sowie auf der Seite der NASA-Wellenlänge zu Elektromagneten.
How Stuff Works hat auch eine großartige Seite mit dem Titel „Einführung in die Funktionsweise von Elektromagneten“, und das National High Magnetic Field Laboratory (MagLab) hat einige wunderbare Artikel über Elektromagnete, wie man sie herstellt und wie sie funktionieren.
Sie können sich auch Astronomy Cast ansehen. In Episode 103 geht es um elektromagnetische Kräfte.
