Im Jahr 1820 beobachtete der dänische Physiker Hans Christian Oersted etwas Unerwartetes. Eine Magnetnadel zeigt im Erdmagnetfeld nach Norden. Über ihr wird ein Draht parallel zur Nadel gespannt. Ohne Strom passiert nichts. Schaltet man den Strom ein, dreht sich die Nadel aus ihrer Richtung heraus. Schaltet man aus, kehrt sie zurück. Polt man die Stromquelle um, schlägt die Nadel in die andere Richtung aus. Bei größerer Stromstärke schlägt sie stärker aus.

Die Nadel dreht sich nur, wenn eine magnetische Kraft auf sie wirkt. Also gibt es um den Draht ein Magnetfeld, aber nur, solange Strom fließt. Diesen Versuch machst du nur mit der Lehrkraft, denn ein Draht direkt an einer Batterie wird heiß.

Ein Magnetfeld ist der Raum, in dem auf Magnete und magnetisierbare Körper Kräfte wirken. Man zeichnet es mit Feldlinien (Modell aus Klasse 5 und 6): An jeder Stelle zeigt die Linie dorthin, wohin der Nordpol einer kleinen Kompassnadel zeigt. Wo die Linien dicht liegen, ist das Feld stark.

Streut man Eisenfeilspäne auf ein Blatt, durch das ein gerader Draht senkrecht gesteckt ist, bilden sie Kreise um den Draht. Das Feldlinienbild des geraden Leiters besteht aus konzentrischen Kreisen (Kreisen mit gemeinsamem Mittelpunkt) in Ebenen senkrecht zum Draht. Nahe am Draht liegen sie dicht, nach außen wird das Feld schwächer. Die Linien sind geschlossen, sie haben weder Anfang noch Ende.

Die Richtung gibt die Rechte-Faust-Regel an: Zeigt der Daumen der rechten Hand in die technische Stromrichtung (von Plus nach Minus), zeigen die gekrümmten Finger in Richtung der Feldlinien.

Eine Spule ist ein Draht, der in vielen Windungen aufgewickelt ist. Biegt man den Draht zu einem Ring, laufen die Feldlinien im Inneren des Rings alle in dieselbe Richtung und liegen dicht. Bei vielen Windungen addieren sich die Felder aller Windungen.

Das Feldlinienbild der Spule: Im Inneren verlaufen die Feldlinien parallel zur Achse und gleich dicht. Dort ist das Feld homogen, also überall gleich stark und gleich gerichtet. Außen laufen sie in großen Bögen von einem Ende zum anderen. Das gleicht dem Bild eines Stabmagneten: Die Spule hat einen Nordpol, an dem die Feldlinien austreten, und einen Südpol, an dem sie eintreten. Im Inneren laufen sie vom Süd- zum Nordpol zurück und schließen sich so.

Die Pole findest du mit der Rechte-Hand-Regel der Spule: Die gekrümmten Finger der rechten Hand zeigen in die technische Stromrichtung der Windungen. Dann zeigt der Daumen zum Nordpol.

Das Feld im Inneren einer Spule wird stärker, wenn

• die Stromstärke $I$ wächst,
• die Windungszahl $N$ wächst (bei gleicher Länge),
• die Länge $l$ bei gleicher Windungszahl kleiner wird, die Windungen also enger liegen,
• ein Eisenkern in der Spule steckt.

Für eine lange, schlanke Spule ohne Eisenkern gilt als Näherung: Die Stärke des Feldes ist proportional zu $\frac{N \cdot I}{l}$. Verdoppelst du $N$ oder $I$, wird das Feld doppelt so stark. Halbierst du $l$, wird es ebenfalls doppelt so stark.

Der Eisenkern verstärkt das Feld um ein Vielfaches: Das Feld der Spule richtet die Elementarmagnete im Eisen aus, und ihr Feld kommt hinzu. Man nimmt Weicheisen. Es lässt sich leicht magnetisieren und verliert den Magnetismus fast ganz wieder, sobald der Strom aus ist. Gehärteter Stahl bliebe dagegen magnetisch.

Ein Elektromagnet ist eine Spule mit Weicheisenkern. Er ist nur ein Magnet, solange Strom fließt. Das macht ihn nützlich:

• Man schaltet ihn ein und aus. Beim Ausschalten fällt die Last ab.
• Man regelt seine Stärke über die Stromstärke.
• Man vertauscht seine Pole, indem man den Strom umpolt.

Er hebt nur magnetisierbare Stoffe wie Eisen und Stahl, keine Gegenstände aus Aluminium oder Kupfer. Du findest Elektromagnete im Schrottkran, in der Türklingel und im Relais. Ein Relais ist ein Schalter, den ein Elektromagnet betätigt: Ein schwacher Strom in der Spule zieht einen Eisenanker an, der einen Kontakt in einem zweiten Stromkreis schließt. In ihm kann ein starker Strom fließen, zum Beispiel für einen Motor.