Magnetfelder

Lernziele

  • Sie wissen, dass stromdurchflossene Leiter von einem Magnetfeld umgeben sind und können bei einfachen Anordnungen die Stärke dieses Feldes korrekt berechnen

Ein langer, stromdurchflossener Leiter

Wenn durch einen geraden und sehr langen Leiter ein elektrischer Strom fliesst, dann haben die Feldlinien des magnetischen Feldes die Form von Kreisen, die in Ebenen senkrecht zu dem Leiter verlaufen und ihren Mittelpunkt im Leiter haben (sog. Wirbelfeld).

Nebenan ist ein Leiter dargestellt, der von unten nach oben stromdurchflossen ist. Von oben betrachtet, zeigt das Magnetfeld im Gegenuhrzeigersinn.

Um diese Richtung zu bestimmen, wird die sog. Rechte-Hand-Regel, wie in der Abbildung ganz rechts gezeigt, angewendet. Der Daumen gibt die Stromrichtung an. Die anderen Finger der Hand geben die Richtung des Magnetfeldes an.

Die Stärke des Magnetfeldes (die sog. magnetische Flussdichte B) im Abstand r zum Leiter ist von der Stromstärke I im Leiter abhängig:

μ0 ist die sogenannte magnetische Feldkonstante und hat den Wert 1.2566·10⁻⁶ N/A²

Die Einheit der magnetischen Flussdichte ist das Tesla (T).

Frage

Wieso misst man praktisch kein Magnetfeld in der Nähe des Stromkabels, der zu einem Wasserkocher führt? Die Stromstärke wäre bei gut 6 A ja gross genug?

Ein Stromkabel führt immer mindestens 2 Stromleiter: im ersten Leiter fliesst der Strom zum Gerät (hier der Wasserkocher) hin, im zweiten fliesst er zurück. Daneben könnte noch ein Erdleiter sein, der hier aber keine Rolle spielt, da durch ihn im Normalfall kein Strom fliesst.

Die Stromrichtung in den beiden Leitern ist also stets entgegengesetzt (gilt auch bei Wechselstrom unserer Steckdose). Da die stromführenden Leiter sehr nahe beieinander liegen. heben sich die Magnetfelder beider Leiter auf und es kann kein resultierendes Magnetfeld gemessen werden.

Eine stromdurchflossene, schlanke Spule

Wenn ein langer Leiter aufgewickelt wird und zwar so, dass die einzelnen Wicklungen nur nebeneinander und nicht übereinander zu liegen kommen, spricht man von einer schlanken Spule.

Im Innern der Spule ist das Magnetfeld praktisch homogen. Das äussere Feld der Spule entspricht dem Magnetfeld eines Stabmagneten. In den unteren Bildern ist das Magnetfeld einer Spule angedeutet:

Das Bild links ist perspektivisch gezeichnet. Das Bild rechts zeigt die Aufsicht, wobei die einzelnen Drähte geschnitten wurden. In den «hinteren» Drähten fliesst der Strom in beiden Bildern nach oben (im Bild rechts durch ⊙ symbolisiert), vorne fliesst er nach unten (durch ⊗ symbolisiert).

Die Richtung des Magnetfeldes kann wieder mit der Rechte-Hand-Regel bestimmt werden. Um die «hinteren» Drähten zeigt das Magnetfeld im Gegenuhrzeigersinn, da der Daumen nach oben zeigt. Vorne zeigt das Magnetfeld im Uhrzeigersinn, da der Daumen der Stromrichtung folgt, die nach unten zeigt.

Sofortübung

Versuchen Sie die Richtung des Magnetfeldes anhand der Rechte-Hand-Regel nachzuvollziehen.

Die Stärke des Magnetfeldes im Innern der Spule ist abhängig von der Windungsdichte (also von der Anzahl Windungen N pro Länge l) und von der Stromstärke I. Sie lässt sich mit folgender Formel abschätzen:

(https://de.universaldenker.org/illustrationen/626)

Hausaufgabe

Lösen Sie auf Freitag, 16.4.2021 12.00 Uhr die Aufgaben 110 und 114 aus dem Physikaufgabenbuch (Seite 254 f). Bei Aufgabe 114 zeigt die Kompassnadel stets die Richtung des resultierenden Magnetfeldes an. Es lohnt sich einen Additionsplan mit den einzelnen Magnetfeldstärken zu zeichnen.