Was ist Elektromagnetismus und was bedeutet er im Rahmen von Elektroinstallationen?

Weder elektrischer Strom noch Funkwellen wären ohne Elektromagnetismus denkbar – eine physikalische Grundvoraussetzung. Da allerdings dieses Schulwissen bei vielen nicht mehr taufrisch ist, liefert unser folgender Artikel einen Auffrischungskurs mit besonderem Fokus auf häuslichem Elektromagnetismus.

Abbildung: Elektromagnetismus ist überall und er kann enorme Kräfte entwickeln. Ebenso kann er jedoch völlig harmlos sein.

Was genau ist Elektromagnetismus?

Elektromagnetismus ist immer vorhanden, wo elektrischer Strom fließt. Denn fließender Strom bedeutet, dass sich Ladungsträger – entweder Elektronen oder Ionen – in eine bestimmte Richtung bewegen.

Durch diese Bewegung entsteht um jedes Ladungsteilchen herum ein magnetisches Feld. Das ist in konzentrischen Kreisen um den Leiter angeordnet – man kann es sich wie einen unsichtbaren, mehrschichtigen Mantel um ein Kabel vorstellen.

Dabei weist der Nordpol dieses Magnetfeldes immer in die Richtung, in die der Strom wandert. Dabei ist die Stärke des Magnetfeldes jedoch nicht fix. Sie kann sich abhängig von mehreren Faktoren unterscheiden:

  • Höhe der Spannung
  • Art der Leitung – gerade Einzelleitungen haben ein schwächeres Magnetfeld als eine Spule
  • Ob sich ein ferromagnetisches Element in der Mitte des Leiters befindet

Abbildung: Polarlichter sind die vielleicht imposanteste Erscheinungsform von Elektromagnetismus. Geladene Sonnenwindpartikel interferieren mit dem Erdmagnetfeld.

Was sind Ferromagneten?

Ferromagneten sind Materialien, die selbst ein Magnetfeld erzeugen – der klassische Dauermagnet. Sie sind von enormer Bedeutung, denn ohne sie würde weder die Erzeugung von elektrischem Strom funktionieren noch dessen Umwandlung in eine mechanische Bewegung. Hergestellt werden sie von einer Handvoll Spezialbetriebe, die meist auch andere magnetische Produkte anfertigen.

Alles basiert letztendlich auf einem Ferromagnet, der von einer dichtgewickelten Spule aus leitfähigem Material umwickelt ist – wie erwähnt beides Verstärker für Elektromagnetismus.

  • Bei der Stromerzeugung wird ein metallischer Rotor durch mechanische Energie angetrieben. Dieser Rotor kreist in einem magnetischen Stator. Durch die Wechselwirkung der schnell rotierenden Pole wird dabei Strom erzeugt.
  • Bei der Stromumwandlung hingegen sorgt der Strom dafür, dass der Rotor magnetisiert wird. Steht dann ein Pluspol des Rotors gegenüber dem Pluspol eines Stators, stoßen sie sich gegenseitig ab. Dadurch bleibt der Rotor so lange in (Dreh)Bewegung, wie Strom fließt.

Auf physikalischer Basis (allerdings auch bei vielen praktischen Anwendungen) bedeutet das, dass der Unterschied zwischen Generator und Motor nur darin besteht, ob dieser mit Strom oder Bewegungsenergie versorgt wird. Häufig wird dieselbe Maschine für beides verwendet.

Ein Praxisbeispiel dafür ist die Lichtmaschine/Anlasser in modernen Autos: Wird sie mit Strom versorgt, funktioniert sie als Anlasser, der den Motor dreht. Läuft der Motor danach, treibt er den Anlasser an, der dadurch als Lichtmaschine Strom erzeugt.

Was hat Elektromagnetismus mit Funk zu tun?

Auch dabei handelt es sich um zwei engverwandte Prinzipien. Funkwellen sind elektromagnetische Felder. Diese werden in einem Funkgerät in einer bestimmten Frequenz „erzeugt“ und ausgesendet. Das jeweilige Signal, etwa die Datenpakete eines schnurlosen Telefons, wird auf dieser Welle übertragen.

Abbildung: Genutzter Elektromagnetismus: Steuerstromkreis A1/A2 erzeugt in der Spule ein elektromagnetisches Feld. Das zieht Anker X an, dessen Hebel drückt Lastromkreis 3/4 zusammen und schaltet ihn.

Wo kommt Elektromagnetismus im Haus vor?

Durch die Natur von Elektromagnetismus ist es unmöglich, ihn aus einem elektrifizierten Haus herauszuhalten. In jedem Kabel, jedem Elektromotor, jedem Spannungswandler und Elektrogerät findet Elektromagnetismus statt.

Tatsächlich gibt es auch noch weitere Anwendungen, die sich die elektromagnetische Wirkweise gezielt zunutze machen. Namentlich Relais, die in der Haussteuerung verwendet werden.

Um Relais und ihre Funktionsweise zu erklären, kommt man nicht umhin, einen normalen Lichtschalter als Gegenbeispiel zu erklären.

Ein Lichtschalter ist direkt in den 230-Volt Kreislauf eingebunden, der zwischen einer Lampe und der Stromquelle besteht. Drückt man ihn, schließt sich der Kreis, der Strom fließt. Allerdings bedeutet das auch, dass man:

  1. Den gesamten Kreislauf mit 230 Volt beaufschlagen muss.
  2. Alle angeschlossenen Systeme diese Spannung aushalten müssen.

Hier kommt das Relais ins Spiel. Eine Art fernbedienter (Licht)Schalter. Auch durch das Relais läuft in der Hausinstallation ein 230-Volt-Kreislauf, der sogenannte Laststromkreis. Allerdings auch ein zweiter Kreislauf mit viel niedrigerer Spannung, der Steuerstromkreis.

Nur letzterer ist mit dem jeweiligen Schalter verbunden, den der Nutzer bedient. Hier kommt nun das elektromagnetische Prinzip zum Einsatz. Man drückt den Schalter. Dadurch läuft eine Niederspannung durch eine Spule im Relais. Der dadurch erzeugte Elektromagnetismus bewegt ein Hebelelement, welches wiederum nach Art des klassischen Lichtschalters den 230-Volt-Kreislauf schließt.

Der Sinn des Ganzen ist vor allem Ersparnis und Vereinfachung:

  • Die benötigte Menge der teureren Bauteile für 230 Volt ist geringer.
  • Es können große Spannungen mit sehr kleinen Schaltern geschaltet werden.

Das wiederum gibt bei vielen Anwendungen der Hauselektrik, allen voran Automatisierung, viel mehr Freiraum.

Kann Elektromagnetismus auch stören?

Ja, das kann er. Zwar sorgt eine normgerechte professionelle Ausführung der Elektroinstallation dafür, dass das Problem in Grenzen gehalten wird. Aber vieles erwächst daraus, dass in unserer heutigen Welt:

  1. viel Elektrik und Elektronik vorhanden ist.
  2. Elektromagnetismus ganz unterschiedlich abgeschirmt werden kann.
  3. es viele Quellen von Elektromagnetismus im Alltag gibt.
  4. etwas umso anfälliger wird, je schwächer seine Bauteile sind – besonders problematisch bei moderner Mikroelektronik.

Dadurch ergibt sich, dass in einem ganz normalen Haushalt, der völlig normgerecht ist, eine Menge Störungen durch Elektromagnetismus auftreten können. Einige Beispiele:

  • Die starken Magnete in den Lautsprechern eines Heimkinosystems können das Bild des gleich daneben installierten Fernsehgeräts stören, etwa durch Streifen oder einen Farbstich.
  • Schlecht abgeschirmte Verlängerungskabel können sich negativ auf die Reichweite eines WLAN-Signals auswirken – auch das ist schließlich ein Funksignal.
  • Sogenannte Powerline-Systeme, bei denen das LAN-Signal über die Leitungen des elektrischen Hausnetzes geschickt wird, kann über schlecht geschirmte Leitungen alle möglichen Funksignale stören.
  • Die Funkstrahlen, die ein WLAN-Router aussendet, können mit denen des gleich danebenstehenden Schnurlos-Festnetztelefons interferieren und beide Geräte sich so gegenseitig stören.
  • Hoch- und Höchstspannungsfreileitungen in der Nähe des Hauses können wiederum darin arbeitende Funkanwendungen stören.

Abbildung: Unüberlegter Einsatz billiger Mehrfachstecker ist ein häufiger Quell elektromagnetischer Probleme.

Wie verhindere ich solche Störfaktoren?

Indem man vor allem konsequent ist. Was die normierten Grundlagen anbelangt, müssen Stromleitungen einer häuslichen Elektroinstallation bestimmte Abstände haben und teilweise weiterreichende Abschirmungen aufweisen (etwa, wenn sie in der Nähe von Kommunikationsleitungen verlegt werden.

Allerdings gibt es jenseits davon vieles, das man im Alltag tun kann:

  1. So wenig wir möglich auf Mehrfachstecker setzen. Viele sind nur unzureichend abgeschirmt. Wenn, dann spezielle Modelle nutzen.
  2. Anschlussleitungen möglichst kurz wählen und niemals eng aufwickeln, sonst wirken diese wie eine Spule.
  3. Funkanwendungen räumlich von Elektrogeräten und -leitungen sowie anderen Funkanwendungen trennen. Beispielsweise kein „Cluster“ aus Fernsehgerät, WLAN-Router und Telefon.
  4. Bei Geräten, die nicht genutzt werden, Netzstecker ziehen.

Zudem empfiehlt es sich, bei Elektronik und smarten Geräten auf Qualität zu setzen. Bei vielen Billig-Gadgets wird auf Schirmungsmaßnahmen gänzlich verzichtet, sodass diese sehr anfällig sind.



Bildquellen:
a) pixabay.com © Life-of-Pix
b) pixabay.com © ColiN00B
c) pixabay.com © Jiricek
d) pixabay.com © Bru-nO