Der Kran auf dem Schrottplatz
AFB I–IIAuf dem Schrottplatz hebt ein Kran Autoteile mit einem großen Elektromagneten. Die Klasse baut das im Kleinen nach: Draht um einen Nagel gewickelt, an eine Batterie angeschlossen, und dann wird gezählt, wie viele Büroklammern hängen bleiben (Material M1). Nach dem Versuch sagt Aylin: „Wenn wir den Eisennagel gegen einen Kupferstab tauschen, wird der Magnet noch stärker — Kupfer leitet ja besser als Eisen.“
| Versuch | Windungen | Stromstärke | Kern | Büroklammern |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 20 | 1 A | Eisennagel | 3 |
| 2 | 40 | 1 A | Eisennagel | 6 |
| 3 | 60 | 1 A | Eisennagel | 9 |
| 4 | 40 | 2 A | Eisennagel | 12 |
| 5 | 40 | 1 A | ohne Kern (nur Luft) | 1 |
Alle Versuche wurden mit demselben Draht und denselben Büroklammern durchgeführt.
- Beschreibe anhand der Versuche 1 bis 3, wie die Zahl der Windungen wirkt, und vergleiche dazu die Versuche 2 und 4.
- Begründe mit Versuch 5, wozu der Eisenkern dient, und bestimme, wie viele Büroklammern bei 60 Windungen und 2 A zu erwarten wären.
- Beurteile Aylins Vorschlag mit dem Kupferstab.
Tipp zu Aufgabe a)
Tipp zu Aufgabe b)
Tipp zu Aufgabe c)
Lösung zu Aufgabe a)
Versuche 1 bis 3: Bei gleicher Stromstärke und gleichem Kern steigt die Zahl der Klammern mit der Windungszahl — 20 Windungen tragen 3, 40 tragen 6, 60 tragen 9 Klammern. Je mehr Windungen, desto stärker der Magnet; hier verdreifacht die dreifache Windungszahl auch die Tragkraft.
Versuche 2 und 4: Nur die Stromstärke wurde von 1 A auf 2 A verdoppelt, die Klammernzahl stieg von 6 auf 12. Auch eine größere Stromstärke macht den Magneten stärker.
Lösung zu Aufgabe b)
Versuch 5 unterscheidet sich von Versuch 2 nur dadurch, dass der Eisennagel fehlt: statt 6 Klammern hält die Spule nur noch 1. Der Eisenkern verstärkt das Magnetfeld der Spule also ganz erheblich; ohne ihn ist die Wirkung sehr schwach.
Vorhersage für 60 Windungen und 2 A: 60 Windungen bei 1 A tragen 9 Klammern, die Verdopplung der Stromstärke verdoppelt die Tragkraft — zu erwarten sind also etwa 18 Büroklammern.
Lösung zu Aufgabe c)
Der Vorschlag funktioniert nicht. Aylin verwechselt zwei Eigenschaften: Der Kern muss den Strom gar nicht leiten — der fließt ja im Draht der Spule, und der Draht ist außerdem isoliert.
Entscheidend ist, dass der Kern magnetisierbar ist. Das sind nur Eisen, Nickel, Kobalt und deren Legierungen. Kupfer wird von einem Magneten nicht angezogen, ein Kupferstab verstärkt das Feld also nicht — das Ergebnis wäre ungefähr das von Versuch 5 mit Luftkern.
Stärker wird der Magnet stattdessen durch mehr Windungen, mehr Stromstärke oder einen dickeren Eisenkern.
Wie die Türklingel klingelt
AFB II–IIIEine elektrische Klingel enthält einen Elektromagneten, einen federnden Hammer aus Eisen und einen Kontakt (Material M2). Solange der Knopf gedrückt bleibt, schlägt der Hammer immer wieder gegen die Glocke — er rattert.
Ein Mitschüler fragt: „Warum nimmt man dafür nicht einfach einen normalen Magneten? Der braucht keinen Strom.“
Zieht die Spule den Hammer an, öffnet dieser zugleich den Unterbrecherkontakt.
- Beschreibe Schritt für Schritt, was nach dem Drücken des Knopfes geschieht.
- Erkläre, warum der Hammer immer wieder hin- und herschlägt, statt an der Spule kleben zu bleiben.
- Begründe, warum hier ein Elektromagnet und kein Dauermagnet verwendet wird, und nenne zwei weitere Geräte mit Elektromagnet.
Tipp zu Aufgabe a)
Tipp zu Aufgabe b)
Tipp zu Aufgabe c)
Lösung zu Aufgabe a)
1. Der Knopf schließt den Stromkreis, Strom fließt durch die Spule.
2. Die Spule mit Eisenkern wird zum Magneten und zieht den eisernen Hammer an.
3. Der Hammer schlägt gegen die Glocke — es klingelt.
4. Beim Anziehen öffnet der Hammer den Unterbrecherkontakt, der Stromkreis ist unterbrochen.
Lösung zu Aufgabe b)
Sobald der Kontakt geöffnet ist, fließt kein Strom mehr; das Magnetfeld verschwindet sofort, weil der Elektromagnet nur bei Stromfluss magnetisch ist. Die Feder zieht den Hammer zurück, dadurch schließt sich der Kontakt wieder.
Nun fließt erneut Strom, die Spule zieht den Hammer wieder an — und das Ganze beginnt von vorn. Dieser Ablauf wiederholt sich viele Male pro Sekunde, solange der Knopf gedrückt wird. Deshalb rattert die Klingel, statt dass der Hammer einmal anzieht und hängen bleibt.
Lösung zu Aufgabe c)
Ein Dauermagnet ist immer magnetisch — er ließe sich nicht ein- und ausschalten. Der Hammer würde von Anfang an an ihm kleben, und es gäbe kein einziges Klingelzeichen. Genau die schnelle Folge aus „Magnet an“ und „Magnet aus“ erzeugt den Klingelton, und diese Schaltbarkeit bietet nur der Elektromagnet.
Weitere Geräte mit Elektromagnet: der Schrottplatz-Kran (Strom an — das Auto hängt, Strom aus — es fällt ab), Lautsprecher und Kopfhörer, außerdem Elektromotoren, Relais und Magnetschwebebahnen.