Anwendungen von Magneten

Sowohl Dauermagnete als auch Elektromagnete werden in vielfältiger Weise genutzt. Nachfolgend ist diese Nutzung an einigen ausgewählten Beispielen beschrieben.

Kompass
Im Erdmagnetfeld richtet sich eine Magnetnadel entlang der Feldlinien des Erdmagnetfeldes aus. Da die Lage der magnetischen Pole nur wenig von denen der geografischen Pole abweicht, stellt sich eine Magnetnadel näherungsweise in Nord-Süd-Richtung ein. Der Nordpol der Magnetnadel zeigt dabei nach Norden, weil sich in der Nähe des geografischen Nordpols der magnetische Südpol befindet und sich ungleichnamige Pole anziehen. Ein Kompass besteht aus einer frei beweglichen, leichtgängig gelagerten und magnetisierten Eisennadel, die sich meist in einem durchsichtigen Gehäuse befindet. Der äußere Rand des Gehäuses ist oft mit einem Vollkreis und einer Skaleneinteilung versehen. Auf diese Weise ermöglicht ein Kompass nicht nur die Auffindung der Nordrichtung, sondern auch die Orientierung im freien Gelände. Bei genauen Ortsbestimmungen ist die Missweisung (Deklination) zu beachten, also die Abweichung zwischen der Richtung zum geografischen und magnetischen Pol. Sie ist vom Ort abhängig und beträgt in Deutschland zwischen 2° und 3°.

Lasthebemagnete
Mithilfe eines Lastenhebemagneten (Bild 2) kann man schwere ferromagnetische Gegenstände anheben. Lastenhebemagnete sind Elektromagnete. Sie bestehen aus einer kräftigen, meist ringförmigen Spule, die sich in einem Eisengehäuse befindet. Das Gehäuse ist so konstruiert, dass es selbst einen Teil des Eisenkerns der Spule darstellt. Meist besitzt es eine glatte Unterseite, die als Haftfläche dient.
Schaltet man die Stromzuführung ein, dann baut sich um die Spule ein kräftiges Magnetfeld auf. Ferromagnetische Gegenstände, die in dieses Magnetfeld gelangen, werden selbst magnetisiert und dadurch vom Elektromagneten angezogen. Sie bleiben an seiner Oberfläche haften.
Lastenhebemagnete werden häufig bei metallverarbeitenden Prozessen eingesetzt. Anders als ein Bagger besitzen sie keine Greifzangen und halten die Gegenstände deshalb oberflächenschonender fest. Häufig finden sie auch auf Schrottplätzen Anwendung. Dort wirkt sich vorteilhaft aus, dass Kunststoffe oder Werkstoffe aus Holz und Glas nicht magnetisierbar sind. Beim Anheben einer Last, die aus einem lockeren Stoffgemisch besteht, erfolgt somit gleichzeitig ein Sortieren nach ferromagnetischen und nicht ferromagnetischen Werkstoffen.

Lautsprecher
Lautsprecher dienen der Umwandlung von Stromschwankungen in akustische Signale. Das Funktionsprinzip vieler Lautsprecher basiert auf der magnetischen Wirkung einer stromdurchflossenen Spule. Je nach den Anforderungen, die man an die Klangwiedergabe stellt, kommen unterschiedliche Lautsprechertypen zum Einsatz.
Dynamische Lautsprecher verfügen über Membranen, die ein sehr gutes Schwingverhalten aufweisen. Dies wird durch eine frei bewegliche Tauchspule ermöglicht, die am Ende der Membran befestigt ist. Die Tauchspule ragt in einen Elektromagneten hinein. Wird dieser Magnet von elektrischen Strömen durchflossen, dann zieht er die Tauchspule in Abhängigkeit von der Stromstärke unterschiedlich weit in sein Inneres hinein. Durch diese Bewegung wird die gesamte Membran in Schwingungen versetzt. Der Grundgedanke der dynamischen Lautsprecher geht auf WERNER VON SIEMENS (1816-1892) zurück.

Elektromagnetisches Relais
Relais sind elektromagnetische Schalter. Sie dienen zum Ein- und Ausschalten eines oder mehrerer Arbeitsstromkreise. Häufig werden Relais eingesetzt, wenn man einen starken Arbeitsstrom mithilfe eines schwachen Stromes steuern möchte. Ein Relais besteht aus einer Spule mit einem Eisenkern, einem beweglichen Anker und Kontaktfedern, auf denen sich elektrische Kontakte befinden. Schließt man den Stromkreis der Spule, der auch als Steuerstromkreis bezeichnet wird, dann entsteht ein durch den Eisenkern verstärktes Magnetfeld, das den Anker anzieht. Dabei werden die Kontaktfedern zueinandergedrückt und der Arbeitsstromkreis geschlossen. Öffnet man den Steuerstromkreis, kehrt der Anker in seine Ausgangslage zurück, wodurch sich die Kontakte öffnen und der Arbeitsstromkreis unterbrochen wird. Da nach dem einmaligen Einschalten des Relais der Eisenkern dauerhaft magnetisiert ist, könnte der Anker auch ohne Stromfluss an ihm haften bleiben. Um dies zu verhindern, befindet sich auf dem Anker ein Trennstift aus einem unmagnetischen Stoff, der einen kleinen Spalt zwischen Anker und Eisenkern erzeugt. Dadurch wird die Trennung beider Bauteile nach Stromabschaltung gewährleistet.

Elektrische Klingel
Eine Klingel erzeugt ein periodisches akustisches Signal, sofern man einen Gleichstromkreis schließt. Eine Klingel besteht aus einer meist hufeisenförmig gewickelten Eisenspule, einem Anker mit Klöppel und Kontaktfeder, einer Stellschraube und der Glocke.
Hausklingeln werden mit Gleichstrom geringer Spannung betrieben. Betätigt man den Klingelknopf, dann schließt sich der Spulenstromkreis. Durch das Magnetfeld der Spulen wird der Anker zum Spulenkern gezogen. Dieser Vorgang löst zwei Bewegungen aus: Der Klöppel schlägt gegen die Glocke und erzeugt den Signalton, gleichzeitig hebt die Kontaktfeder von der Stellschraube ab und unterbricht dadurch den Stromkreis. Das Spulenfeld bricht zusammen und Kontaktfeder sowie Klöppel kehren in ihre Ausgangslage zurück. Damit ist der Stromkreis wieder geschlossen. Der beschriebene Ablauf kann erneut einsetzen.
Mithilfe eines Gewindes an der Stellschraube kann man die Position zur Kontaktfeder justieren und so einen optimalen Kontakt zwischen beiden Bauteilen sicher stellen. Das Funktionsprinzip der Klingel besteht darin, dass ein Gleichstrom "zerhackt" wird. Ohne die Glocke wäre eine Klingel lediglich ein periodischer Stromunterbrecher. Ein solcher selbsttätiger Stromunterbrecher wuird als "wagnerscher Hammer" bezeichnet. Der wagnersche Hammer wurde 1837 von J. WAGNER (1799-1879) erfunden.

Telegrafie
Die gesellschaftliche Entwicklung im 18. und 19. Jahrhundert war gekennzeichnet durch eine zunehmende Industrialisierung und die Notwendigkeit eines schnelleren Informationsaustausches. Deshalb wurde nach Möglichkeiten gesucht, Informationen schneller zu übermitteln, als es durch Boten oder Reiter möglich war. Entwickelt wurden optische und später elektrische Telegrafen, die es ermöglichten, Informationen auch zwischen Europa und Amerika schnell auszutauschen.

Optische Zeigertelegrafen - die Vorläufer elektrischer Telegrafen: 1792 entwickelten die Gebrüder CHAPPE aus Frankreich ein optisches Telegrafensystem. Dazu wurden auf Gebäuden oder Bergen weithin sichtbare Signalarme aufgebaut, die in unterschiedliche Stellungen gebracht werden konnten (Bild 6). Jede Stellung bedeutete einen bestimmten Buchstaben oder eine bestimmte Zahl. Die Information wurde jeweils von einer Station zur nächsten weitergegeben, wobei sich die Stationen in Sichtweite befinden mussten.
Die erste Strecke wurde 1794 in Frankreich in Betrieb genommen. Für die 840 km zwischen Paris und Toulon brauchte ein Signal nicht mehr als 20 Minuten. 1795/96 gingen in Deutschland und in England die ersten Linien in Betrieb, darunter eine Verbindung zwischen Berlin und Frankfurt/Main. Noch heute erinnern Bezeichnungen an die optischen Telegrafen: Auf dem heutigen Telegrafenberg in Potsdam befand sich eine Station der Strecke Berlin-Frankfurt/Main.
Die optischen Telegrafen hatten einen entscheidenden Nachteil: Bei Nacht oder bei ungünstiger Witterung (Nebel) konnten sie nicht genutzt werden.

Elektrische Telegrafen: Zu Beginn des 19. Jahrhundert vollzogen sich bedeutsame Entwicklungen in der Elektrizitätslehre. ALESSANDRO VOLTA (1745-1827) schuf elektrische Quellen, die über längere Zeit funktionierten. ANDRÉ MARIE AMPÈRE (1775-1836) untersuchte die verschiedenen Wirkungen des elektrischen Stromes. HANS CHRISTIAN OERSTED (1777-1851) fand die magnetische Wirkung des elektrischen Stromes. Diese neuen Erkenntnisse versuchten verschiedene Wissenschaftler und Techniker auch zur Nachrichtenübertragung zu nutzen.
Einen der ersten elektrischen Telegrafen bauten 1838 in Göttingen der Mathematiker CARL FRIEDRICH GAUSS (1777-1855) und der Physiker WILHELM WEBER (1804-1891), um schneller Beobachtungs- und Messergebnisse austauschen zu können. Das Prinzip der Nachrichtenübertragung war relativ einfach (Bild 7). Bei Betätigung des Schalters in Raum 1 fließt ein Strom durch die Leitungen, die Magnetnadel in Raum 2 wird ausgelenkt. Bei mehrmaliger Betätigung des Schalters wird die Magnetnadel mehrmals ausgelenkt, bei Umpolung an der elektrischen Quelle verändert sich die Richtung der Auslenkung. Die beiden Wissenschaftler hatten ein Alphabet verabredet und konnten sich durch die Anzahl und Richtung der Auslenkungen verständigen. Das erste Telegramm, das so übertragen wurde, lautet: "Michelmann kommt". Michelman war der Labordiener in Göttingen.

Wesentliche Fortschritte wurden durch die Arbeiten des amerikanischen Malers und Bildhauers SAMUEL MORSE (1791-1872) erzielt. MORSE nutzte auf der Sendeseite eine Taste als Schalter, die sogenannte Morsetaste. Auf der Empfängerseite befand sich ein Elektromagnet mit Anker, an dem ein Schreibstift befestigt war. Bild 8 zeigt die gesamte Anordnung, den Morseapparat. MORSE meldete seinen Telegrafen 1837 zum Patent an.
Wurde die Morsetaste betätigt, so wurde der Schreibstift auf einen langsam vorbeigleitenden Papierstreifen gedrückt und hinterließ je nach Dauer der Betätigung der Morsetaste Punkte oder Striche als "Abdruck" für kurze bzw. lange Signale.
MORSE entwickelte auch ein entsprechendes Alphabet aus kurzen und langen Signalen, das sich allmählich auch international durchsetzte und als Morsealphabet auch heute noch verwendet wird.