Magnetfeld Energie

Magnetische Energie beim Dauermagneten

Du lässt eine Schraube von einem Dauermagneten anziehen, nimmst sie wieder weg und wiederholst das mehrere Male. Dabei verrichtet das Magnetfeld genau so oft eine Arbeit an der Schraube, wie Du an der Schraube beim erschwerten Entfernen vom Magneten.

Für das Verrichten einer Arbeit wird Energie benötigt. Der Magnet, und somit die Energie des Magnetfeldes, scheint sich aber nicht zu verändern oder schwächer zu werden. Was passiert also mit der Energie des Magnetfeldes?

Gehst Du im Beispiel von idealen Verhältnissen aus, also keine Reibung oder andere Verluste, hast Du am Ende weder Energie „gewonnen“ noch „verloren“. In der Realität wird stattdessen aufgrund von Verlusten sogar Energie an die Umgebung abgegeben, die nicht so einfach weiter genutzt werden kann.

Somit hast Du durch diesen kleinen Versuch selbst bewiesen, dass Magneten keine unerschöpfliche Energiequelle darstellen.

Eine Frage stellst Du Dir an dieser Stelle vielleicht doch noch: woher kommt überhaupt die Energie eines Magnetfeldes? Beim Dauermagneten liegt die Antwort darauf in der speziellen Herstellung. Dem Material des Dauermagneten wird dabei eine große Energie zugeführt, um als Magnet zu funktionieren.

Elektromagnete hingegen besitzen nicht von vornherein ein Magnetfeld, sondern können gezielt eingestellt werden. Woher kommt dabei die Energie?

Magnetische Energie Spule: Formel und Einheit

Allgemein ausgedrückt ist ein Elektromagnet nichts anderes als eine Spule. Durch einen Stromfluss entsteht dann ein Magnetfeld.

Die Besonderheit am Elektromagneten im Vergleich zum Dauermagneten ist die Einstellbarkeit. Im Grunde genommen ist somit auch die magnetische Energie des Elektromagneten einstellbar und hängt von gewählten physikalischen Größen ab. Das ermöglicht eine Berechnung durch eine Formel, die Du auch etwas weiter unten experimentell nachweisen kannst.

Die Induktivität L gibt das magnetische Verhalten entsprechend der Bauweise der Spule wieder. Somit kannst Du die Energie des Magnetfeldes spezieller Spulen auch alternativ mit folgenden Formeln und Größen berechnen.

Betrachtest Du die erste Formel der Energie des magnetischen Feldes E_mag, kannst Du feststellen, dass die Energie nur vom Stromfluss I und der Induktivität L der verwendeten Spule abhängt.

$E_{mag}=\frac{1}{2}·L·I^2$

Das kannst Du auch über einen Versuch nachweisen.

Energie Magnetfeld Versuch Spule

Jede Spule ist auch ein Elektromagnet. Fließt ein Strom durch die Spule, bildet sich somit auch ein Magnetfeld aus. Im Umkehrschluss bedeutet das: kein Strom = kein Magnetfeld der Spule. Mithilfe dieser Überlegung könntest Du vielleicht schon erahnen, woher die Energie des Magnetfeldes einer Spule kommt – nämlich aus dem Stromfluss selbst.

Um das anschaulich zu beweisen, kannst Du einen Versuch durchführen.

Versuchsaufbau

Für den Versuch benötigst Du Folgendes:

• zwei kleine Widerstände R₁ und R₂ (gleich groß)
• mindestens zwei verschiedene Spulen der unterschiedlichen Induktivitäten L₁ und L₂
• ein Spannungsversorgungsgerät (SVG) der Spannung U mit einem Schalter S
• ein Strommessgerät A, um den Stromfluss zu messen

Strommessgerät, Spule und einen der Widerstände R₁ schaltest Du in Reihe hintereinander. Parallel dazu schaltest Du den zweiten Widerstand R₂. Das Spannungsversorgungsgerät und einen Schalter schließt Du auch parallel dazu an.

Zunächst verwendest Du die Spule hoher Induktivität L₁ und lässt den Schalter S offen, sodass kein Strom fließen kann.

Durchführung und Beobachtung

Der Hauptteil Deiner Durchführung besteht darin, den Stromfluss I beim Ein- und Ausschaltvorgang der Spule zu betrachten, dann die Spule zu wechseln, und den Versuch erneut durchzuführen. Als Erstes verbaust Du die Spule der deutlich höheren Induktivität L₁ im Vergleich zur anderen Spule der Induktivität L₂.

Einschaltvorgang

Zunächst schließt Du den Schalter. Durch das Schließen des Stromkreises kann nun ein Strom I fließen. Achte jetzt genau auf die Anzeige des Strommessgerätes: Die Stromstärke I steigt mit der Zeit an! Wenig später bleibt sie aber konstant. Die Begründung dafür liegt in der Energie des Magnetfeldes.

Wegen des Stromflusses I durch die Spule baut diese ein Magnetfeld auf. Ein Magnetfeld benötigt jedoch Energie. Die Energie des Magnetfeldes wird dabei dem Strom entnommen. Das resultiert in einem anfänglichen Ausbremsen des Stromflusses.

Erreicht der Stromfluss seine maximale Höhe – limitiert durch Spannungsversorgung und Widerstände – ist das Magnetfeld vollständig aufgebaut. Es benötigt jetzt (fast) keine zusätzliche Energie mehr, um zu existieren. Das heißt, dem Stromfluss wird auch keine Energie durch die Spule entnommen. Der Strom ist somit maximal und konstant.

Ausschaltvorgang

Im zweiten Schritt schaust Du Dir wieder den Stromfluss, dieses Mal aber beim Ausschaltvorgang, an. Dafür öffnest Du jetzt den Schalter S und unterbrichst somit die Versorgung durch die Spannungsquelle. Beobachtest Du dabei wieder das Strommessgerät, kannst Du feststellen, dass trotz fehlender Versorgung kurzzeitig ein Strom fließt! Dieser sinkt, bis er schließlich versiegt.

Diesen kurzzeitigen Stromfluss beim Ausschaltvorgang kannst Du Dir wieder mit der Energie des Magnetfeldes erklären.

Ein Magnetfeld eines Elektromagneten (Spule) benötigt stets einen Stromfluss. Wird der Stromfluss unterbrochen, bricht das Magnetfeld zusammen. Die Energie des Magnetfeldes kann dabei aber laut des Energieerhaltungssatzes nicht einfach verschwinden. Das tut sie auch nicht. Stattdessen geht die Energie wieder in den Stromfluss zurück. Das treibt den Strom für eine kurze Zeit weiterhin an.

Ein Stromfluss durch Widerstände bedeutet Abgabe von Wärme (Energie) an die Umgebung. Ist das Magnetfeld der Spule vollständig abgebaut, wurde dessen Energie somit über den Stromfluss an die Umgebung abgegeben.

Dadurch hast Du die Abhängigkeit der Energie des Magnetfeldes vom Stromfluss im Versuch nachgewiesen. Was ist aber mit dem Einfluss der Induktivität L, die auch in der Formel vorkommt?

Durchführung mit anderer Spule

Um den Einfluss der Induktivität auf die Energie des Magnetfeldes zu untersuchen, führst Du den gleichen Versuch nun noch einmal mit einer Spule deutlich geringerer Induktivität L₂ im Gegensatz zur Spule der hohen Induktivität L₁ durch. Beobachte dabei wieder den Stromfluss I jeweils beim Ein- und Ausschaltvorgang. Was ist Dir im Vergleich zur ersten Durchführung aufgefallen?

Beim Einschalten ist der Stromfluss auch jetzt verzögert, steigt jedoch deutlich schneller an, als bei der Spule hoher Induktivität. Dem Strom wird also insgesamt weniger Energie entnommen und das Magnetfeld der Spule baut sich schneller auf.

Direkt nach dem Ausschalten fließt auch bei kleiner Induktivität ein Strom. Der Stromfluss ist jetzt aber kleiner und kürzer. Das Magnetfeld der Spule kleiner Induktivität hat also weniger Energie gespeichert, als das der Spule hoher Induktivität.

Damit hast Du experimentell nachgewiesen, dass auch die Induktivität der Spule einen Einfluss auf die Energie des Magnetfeldes hat.

Beobachtungen zusammengefasst

Deine Beobachtungen kannst Du jetzt als Vergleich tabellarisch zusammenfassen.

Das bedeutet, je nach Induktivität und Stromfluss kannst Du die Energie des magnetischen Feldes eines Elektromagneten (einer Spule) einstellen und somit für verschiedene Anwendungen anpassen.

Magnetische Energie Beispiele

Allgemein ist es so, dass jede Anwendung von Magneten auch gleichzeitig die Energie des magnetischen Feldes benutzt. Jede magnetische Wirkung verändert das Magnetfeld und somit dessen Energie. Eine häufige Anwendung kannst Du auf manchen Baustellen beobachten.

Magnetische Energie Beispiele – Magnetkran

Magnetkräne nutzen Elektromagnete, etwa um Schrott zu sortieren. Magnetisierbare Materialien, wie Eisen, werden vom Magneten angezogen.

Abbildung 4: Elektromagnet am Kran für Transport und Sortierung von EisenschrottQuelle: pixabay.com⁴

Um die schweren Eisengegenstände anzuheben, ist eine große Energie erforderlich. Es werden also große Ströme und Spulen hoher Induktivität benötigt. Das Magnetfeld verrichtet dann eine mechanische Arbeit (das Hochheben) am Gegenstand, gibt also einen Teil der Energie an den Gegenstand ab.

Wird der Elektromagnet ausgeschaltet, fällt der Gegenstand herunter. Die potentielle Energie des Gegenstands wird dabei aber nicht zurück an das Magnetfeld übertragen. Um das Magnetfeld erneut aufzubauen (Magneten einschalten), muss ihm über einen starken Stromfluss neue Energie zugeführt werden.

Die Energie des Magnetfeldes wird beim Kran also direkt genutzt. Das ist bei Generator und Elektromotor anders.

Magnetische Energie Beispiele – Generator & Elektromotor

Das allgemeine Prinzip von Generatoren und Elektromotoren beruht auf einem Dauermagneten, der in eine Spule eingesetzt wird. Zu beiden technischen Geräten findest Du mehr Informationen in den Erklärungen Generator und Elektromotor.

Beim Generator wird der Dauermagnet gedreht. Dadurch verändert sich ständig das Magnetfeld in der Spule und somit die Energie des Magnetfeldes. Dies führt zur Induktion.

Aufgrund der Induktion kommt es zu einer Spannung und einem Stromfluss, also einer elektrischen Energie. Die Energie der Drehbewegung (mechanisch) wird also über das Magnetfeld kurzzeitig in magnetische Energie und kurz darauf in elektrische Energie umgewandelt. Die Energie des magnetischen Feldes findet hier also Anwendung in der Energieübertragung.

Der Elektromotor nimmt dieses Prinzip und dreht es um. Mithilfe einer Wechselspannung durch die Spule wird deren elektrische Energie über das Magnetfeld in eine Drehbewegung (mechanische Energie) des Dauermagneten umgewandelt. Die magnetische Energie wird somit auch hier zur verlustarmen Übertragung von Energien verwendet.