Der stromdurchflossene Leiter

Als Elektromagnetismus bezeichnet man die Bildung eines Magnetfeldes um stromdurchflossene Leiter. Die Ursache hierfür sind bewegte Ladungen. Die Feldlinien liegen sich wie Kreise um den Leiter dessen Richtung von der Stromrichtung bestimmt wird.

Feldlinienbild eines stromdurchflossenen Leiters

stromdurchflossener_leiter_feldlinienmodellDie Feldlinien eines stromdurchflossenen Leiters lassen sich am einfachsten wie folgt zeigen: Die Richtung kann man mit der menschlichen Hand ganz einfach darstellen. Man nehme die rechte Hand, der Daumen zeigt nach oben die Finger krümmen sich, als ob Mann ein Werkzeug zum Beispiel einen Hammer (oder was auch immer) hält und für die Frauen: diese können ja der Einfachheit halber einen Besenstiel halten. Der Daumen zeigt nun die Richtung der Elektronen und die gekrümmten Finger die Richtung der Feldlinien.

Feldlinien einer Stromdurchflossenen Spule

Wickelt man einen Leiter zu einer Spule und lässt einen konstanten Strom fliessen, entsteht ein Magnetfeld ähnlich eines Stabmagneten mit Nord und Südpol. Im inneren einer Spule herrscht annähernd ein homogenes Magnetfeld.

Kraft zwischen zwei stromdurchflossenen Leitern

Die Kraft zwischen zwei stromdurchflossenen Leitern definiert man mit der Stromstärke.

E-Feld – elektrisches Feld

B-Feld – magnetisches Feld

Die stärke des Magnetfeldes – die magnetische Flussdichte B

Messung der Kraft auf ein stromdurchflossenes Leiterstück der Länge l. Zur Bestimmung der Kraftrichtung gilt die U-V-W-Regel (Ursache-Vermittlung-Wirkung wobei I=Ursache, B=Vermittler und F=Wirkung ist).

Nun  kommt wieder die menschliche Hand ins Spiel … die drei Finger Regel. Die rechte Hand für Positive und die linke Hand für Negative Ladungen. Der Daumen zeigt die Stromrichtung, der Zeigefinger den Vermittler und der Mittelfinger die Wirkung.

Berechnung der Kraft auf stromdurchflossene Leiter

Kraft auf einzelne Elektronen im Leiter (mit der Länge l)

Kraft auf ein einzelnes Elektron (Lorentzkraft)

Die Lorentzkraft wirkt nur wenn sich das Elektron senkrecht zu den Feldlinien bewegt. Keine Kraft wirkt hingegen wenn die Bewegung parallel zu den magnetischen Feldlinien verläuft.

Bahnkurve der Elektronen … Kreisbahn

Das Elektron bekommt kinetische Energie im elektrischen Feld zwischen Kathode und Anode. Eine Kraft die Senkrecht zur Bewegungsrichtung steht beschreibt immer eine Kreisbahn. Diese bezeichnet man auch als die Lorentzkraft eine Radialkraft FR.

Praktische Anwendungen, dass Ladungen im magnetischen Feld abgelenkt werden, finden wir zum Beispiel im Fadenstrahlrohr, im Massenspektrometer usw.

Magnetfeld einer Spule

Die Stärke des Magnetfeldes einer (Langen) Spule ist Abhängig von: der Windungszahl N, der Länge der Spule l und der Stromstärke I. Ein Eisenkern in der Spule verstärkt das Magnetfeld um ein Vielfaches.

Für die Berechnung des Magnetfeldes einer langen Spule ohne Kern finden wir in der Berechnungsformel die Naturkonstante: µ0 – die magnetische Feldkonstante. Ein Eisenkern verstärkt das Magnetfeld um den Faktor µr. Diese zweite Naturkonstante kommt hinzu, sobald man das Magnetfeld einer langen Spule mit Kern berechnen möchte: µr – Permeabilitätszahl.

[Beispielaufgabe]

Gegeben ist eine Spule mit 1500 Windungen, einer Länge von 8cm und einer Stromaufnahme von 1,5A. Berechne das Magnetfeld!