Eine Lektion in Entdecken
Während Ihr Handgepäck kontrolliert wird, müssen Sie durch eines dieser einschüchternden Tore gehen, die einen immer nervös machen und das Gefühl vermitteln, etwas verbrochen zu haben. Dabei handelt es sich um Metalldetektoren, die mit einer ähnlichen Technologie arbeiten wie die Handgeräte, die zur Schatzsuche im Gelände eingesetzt werden. Doch die Tore hier wurden entwickelt, um Sie nach Metall abzusuchen. Auch wenn es verschiedene Typen gibt, nutzen sie alle denselben grundlegenden Prozess: die Induktion. Falls Sie eine elektrische Zahnbürste besitzen, die sich laden lässt, indem man sie auf einen Plastiksporn ohne sichtbare Metallstecker stellt, befindet sich bereits ein weit verbreitetes Induktionsgerät bei Ihnen daheim.
Die Induktion war Teil einer grundlegenden Entdeckung des großen viktorianischen Wissenschaftlers Michael Faraday. Er fand heraus, dass Magnetismus erzeugt wird, wenn man einen stromdurchflossenen Leiter bewegt oder die Stromstärke verändert. Umgekehrt erzeugt das Bewegen oder Verändern von Magnetismus Strom. Nach diesem Prinzip arbeiten Elektromotoren sowie auch Generatoren.
Bei der Zahnbürste strahlt eine Drahtspule im Ladegerät ein wechselndes elektromagnetisches Feld aus, das Strom in Drähten in der Zahnbürste erzeugt. »Elektromagnetisch« bedeutet einfach elektrisch und/oder magnetisch – Elektrizität und Magnetismus sind beide Teil desselben Phänomens. Und das »Feld« ist ein Kraftfeld. Diese Betrachtungsweise hat sich Faraday ausgedacht. Er sah, wie sich Eisenspäne auf Papier ausrichteten, unter dem sich ein Magnet befand, und gekrümmte Linien bildeten, die die unsichtbare Kraft des Magneten abzubilden schienen. Faraday stellte sich vor, dass diese Linien den Raum um einen Magneten herum ausfüllen.
Bewegt man einen Draht durch ein Magnetfeld, trifft dieser nacheinander auf die einzelnen Linien des Feldes, etwa so wie ein Kind mit der Hand an die Stäbe eines Gitters schlägt. Dabei wird Magnetismus zu Strom transformiert. Ob man einen Magneten neben einem Draht bewegt oder einen Draht durch ein Magnetfeld, macht keinen Unterschied – in beiden Fällen handelt es sich um eine relative Bewegung zwischen Draht und Magnetfeld, die geladene Elektronen im Draht zu Bewegung anregt. Auf diese Weise funktioniert jeder Generator.
Im Ladeteil der Zahnbürste bewegt sich nichts, aber der Strom ändert ständig seine Richtung (Wechselstrom), was dazu führt, dass die Kraftlinien weg vom Ladegerät geschleudert und wieder angezogen werden. Positioniert man einen Draht innerhalb dieser sich bewegenden Kraftlinien, durchschneidet er sie – genau wie das der sich bewegende Draht in einem Generator tut. Zwischen den Drähten im Ladeteil und denen in der Zahnbürste besteht kein direkter Kontakt. Stattdessen transportiert der Magnetismus, der durch das wechselnde elektrische Feld produziert wird, die Energie von der Spule, um Strom in der Zahnbürste zu erzeugen. Ähnliche Vorrichtungen, die man als Transformatoren bezeichnet, werden eingesetzt, um die Stromspannung zu verkleinern. (Sie finden diverse davon in Ihrem Haushalt, etwa in Lade- oder Anschlussteilen für Mobiltelefone und andere elektronische Geräte.) Sie enthalten zwei Spulen unterschiedlicher Größe, bei denen der Wechselstrom in der einen mittels magnetischer Induktion in der anderen einen Strom induziert. (Zur Definition von Spannung siehe hier)
2. Ein Transformator verändert die elektrische Spannung mittels magnetischer Induktion.
Im Bogen eines Metalldetektors befinden sich mehrere Drahtspulen. Der Strom in ihnen bewirkt ein magnetisches Feld in allen Metallobjekten in der Nähe, und dieser Magnetismus erzeugt wiederum Strom in einer Empfangsspule. Bei den Metallobjekten kann es sich um Münzen in Ihrer Tasche, eine Gürtelschnalle oder eine Waffe in Ihrer Jacke handeln. Seit sich herausgestellt hat, dass auch Schuhe zum Schmuggeln gefährlicher Gegenstände verwendet werden, kommt es häufiger vor, dass Sie Ihre Schuhe ausziehen müssen, damit diese geröntgt werden können, weil die Detektoren auf Gegenstände in Bodenhöhe nicht ansprechen. Doch es gibt moderne Geräte, die auch Schuhe erfassen können, so dass die Prozedur dabei weniger lästig ist.