4. Wirkungen des elektrischen Stroms
a) Wärmewirkung
Haben wir in einem Draht elektrischen Strom, dann erwärmt er sich. Dieser Effekt wird besonders augenfällig in den elektrischen Glühlampen ausgenutzt: Der dünne Draht in der Wendel erwärmt sich so stark, dass er hellglühend wird und damit hell leuchtet (ausführlicher dazu: Aufbau und Funktion der Glühlampe). Tauchsieder, Herdplatten, Bügeleisen und elektrische Heizöfen sind weitere Beispiele, in denen die Wärmewirkung technisch genutzt wird. Fasst man das Zuleitungskabel für eine Waschmaschine an, wenn diese schon eine Weile gelaufen ist, ist es deutlich wärmer geworden.
Eine Möglichkeit, den Erwärmungseffekt in Zuleitungen möglichst klein zu halten (ansonsten besteht durch Überhitzung Brandgefahr), ist die Verwendung dickerer Zuleitungsdrähte.
b) Magnetische Wirkung
Um einen Draht herum, in dem Elektrizität fließt, kann eine magnetische Wirkung festgestellt werden: Eine in die Nähe dieses Drahtes gebrachte Magnetnadel wird abgelenkt.
Abb. 2a: Die Magnetnadel wird so unter den Draht gestellt, dass sie parallel zum Draht gerichtet ist (eines der Drahtenden ist noch nicht an die Batterie angeschlossen).
Abb. 2b: In den Drähten ist elektrischer Strom - die Kompassnadel wird ausgelenkt.
Das Drehen eines Elektromotors beruht ebenfalls auf der magnetischen Wirkung (siehe die Erklärung der Funktionsweise später im Text).
Wie sieht das magnetische Feld um einen Draht aus, in dem Elektrizität fließt? Zur Beantwortung dieser Frage benutzen wir, dass eine Magnetnadel in Richtung der Feldlinien gedreht wird (ausführlicher dazu in der Sachinformation zum Magnetismus). Genauer muss dabei beachtet werden, dass auch das Magnetfeld der Erde auf die Magnetnadel wirkt. Das Erdmagnetfeld allein dreht die Magnetnadel so, dass ihr Nordpol nach Norden zeigt. Das zusätzliche Magnetfeld um den Draht (die Nadel ist zunächst parallel zum Draht orientiert, wenn kein Strom vorhanden ist) würde die Nadel senkrecht zum Draht ablenken. Je nachdem, ob das Feld der Erde oder das um den Draht stärker ist, wird die Nadel mehr oder weniger stark abgelenkt.
Dominiert das Magnetfeld durch den elektrischen Strom (dazu muss dieser nur ausreichend stark sein), dann zeigt das Abtasten mit kleinen Magnetnadeln dass es ringförmig um den Draht herum verläuft (Abb. 3b).
Abb. 3a: Um den stromdurchflossenen Draht ist ein ringförmiges Magnetfeld entstanden.
Abb. 3b: Um den stromdurchflossenen Draht aufgestellte Magnetnadeln zeigen durch ihre Orientierung, dass das Magnetfeld ringförmig um den Draht verläuft.
Die magnetische Wirkung des elektrischen Stroms hat im Vergleich zur Wärmewirkung eine Besonderheit: Sie ändert sich, wenn die Batterieanschlüsse vertauscht werden. Ein angeschlossener Motor dreht sich dann anders herum und eine Magnetnadel wird jetzt in die andere Richtung ausgelenkt.
Aber: Die Größe des Ablenkwinkels der Magnetnadel ändert sich nicht, und ein Motor dreht sich zwar anders herum, aber gleich schnell wie vorher.
Abb. 4: Werden die Batterieanschlüsse in der Anordnung von Abb. 2b vertauscht, dreht sich jetzt der Nordpol der Magnetnadel nach hinten: Die Feldlinien verlaufen jetzt um den Draht anders herum.
Die Wärmewirkung ist dagegen unabhängig von der Wahl der Batterieanschlüsse: Vertauscht man die Anschlüsse eines Lämpchens an der Batterie, ändert sich die Helligkeit des Lämpchens nicht.
Man kann die Wirkungen des elektrischen Stromes etwas differenzierter unterscheiden: Als primäre magnetische Wirkung kann man z.B. das um einen stromdurchflossenen Leiter entstandene Magnetfeld ansehen. Die Bewegung eines Elektromotors kann dagegen als sekundäre magnetische Wirkung angesehen werden. In ähnlicher Weise kann die Erwärmung eines stromdurchflossenen Leiters als primäre Wärmewirkung bezeichnet werden. Die Lichtwirkung bei einem Glühlämpchen ist dann als sekundäre Wärmewirkung anzusehen.