Stromdurchflossener Leiter


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Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters

Wenn man eine Kompassnadel in die Nähe eines stromdurchflossenen Leiter bringt, dann wird man bei genügend hohem Strom eine Ablenkung der Nadel bemerken. Dies liegt daran, dass ein stromdurchflossener Leiter ein Magnetfeld erzeugt, offenbar besteht ein Zusammenhang zwischen Elektrizität und Magnetismus.

Doch wie ist das Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters gerichtet?

In dem man einen Leiter in verschiedene Positionen ausrichtet und dabei die Ausrichtung einer Magnetnadel beobachtet kann man folgende Gesetzmäßigkeit beobachten:



Rechte-Hand-Regel

Um die Ausrichtung eines Magnetfeldes zu bestimmen, dass von einem stromdurchflossenen Leiter erzeugt wird, umfasst man den Leiter mit der rechten Hand. Dies macht man so, dass der ausgestreckte Daumen entlangt der technischen Stromrichtung (von \(+\) nach \(-\)) zeigt. Die übrigen vier Finger geben die Ausrichtung der magnetischen Feldlinien an.



Die magnetische Feldstärke im Abstand \(r\) eines stromdurchflossenen Leiters der Stromstärke \(I\) berechnet sich über

Magnetische Feldstärke eines Leiters

\(H_{Leiter}=\)\(\frac{I}{2\cdot \pi\cdot r}\)



Beispiel

Im Abstand \(r=5cm\) vom einem stromdurchflossenen Leiter der Stromstärke \(50A\) beträgt die Feldstärke:

\(H=\)\(\frac{I}{2\cdot \pi\cdot r}\)\(=\)\(\frac{50A}{2\cdot \pi\cdot 0,05m}\)\(=159,15\)\(\frac{A}{m}\)

Elektromagnet

Elektromagneten basieren auf der Fähigkeit magnetische Felder mittels Strom zu erzeugen. Ein stromdurchflossener Leiter ist im prinzip nichts weiter als ein Elektromagnet, durch an- und Ausschalten des Stroms kann man das Magnetfeld steuern.

Elektromagneten

Elekromagneten haben wesentliche Vorteile:

  • Man kann Elektromagnete ein- und ausschalten.

  • In dem man die Stromstärke reguliert kann man die Stärke des Magnetfeldes variieren.

  • Die Pole eines Elektromagneten kann man vertauschen indem man die Polung der Spannung vertauscht.

  • Elektromagnete verlieren im laufe der Zeit ihre Magnetfeldstärke nicht.



Weitere Einzelheiten

Um einen stromdurchflossenen leiter bildet sich ein Magnetfeld, dabei steht das Magnetfeld senkrecht zum Leiter. Die Feldlinien sind um den Leiter kreisförmig angeordnet, der mittelpunkt des Feldes bildet der Leiter selbst. Bei permanentmagneten existieren immer Pole, dies ist bei einem stromdurchflossenen Leiter nicht so. Das liegt daran, dass die Feldlinien um den Leiter in sich selbst geschlossen sind.

Die Feldlinien sind im bezug auf jeden Punkt des Leites kreisförmig angeordnet, drei dimensional betrachtet bilden sich damit ein Zylinder. Die Orientierung des Feldes ist wie bereits erwähnt mit der Rechten-Hand-Regel bestimmbar.

Das elektrische Leiter in der Lage sind Magnetfelder zu erzeugen wurde im Jahr 1820 von Hans Christian Ørsted entdeckt. Er beobachtete während seiner Vorlesung die Ablenkung einer Kompassnadel durch einen stromdurchflossenen Leiter. Damit war er aber nicht der erste der die magnetische Wirkung vom Strom entdeckte. Bereits einige Jahre zuvor hatte der Italiener Gian Domenico Romagnosi ähnliche Entdeckungen gemacht, diese fanden zu jener Zeit aber wenig Beachtung.

Kraft zwischen zwei stromdurchflossenen Leiter

Befinden sich zwei Leiter nebeneinander, so ziehen sie sich gegenseitig an wenn ihre Stromrichtung gleich ist. Haben die zwei Leiter unterschiedliche Stromrichtungen, so stoßen sie sich ab.

Im übrigen ist die Einheit der Stromstärke definiert über die Kraft welche zwei stromdurchflossene Leiter aufeinander ausüben.

Ein Ampere ist „die Stärke eines zeitlich unbegrenzt unveränderlichen elektrischen Stroms, der durch zwei parallel im Abstand von 1 m im Vakuum angeordnete geradlinige, unendlich lange Leiter mit vernachlässigbar kleinem, kreisförmigen Querschnitt fließend, elektrodynamisch die Kraft von
\(2\cdot 10^{-7}\) \(N\) je \(m\) Leiterlänge zwischen diesen Leitern hervorrufen würde.“

Wikipedia


Der Betrag der Kraft zwischen zwei elektrischen Leitern berechnet sich über:

\(F_{12}=\)\(\frac{\mu_0}{2\cdot \pi}\)\(\frac{I_1\cdot I_2}{r_{12}}\)

Dabei ist:

  • \(r_{12}\) der Abstand zwischen den zwei Leitern,

  • \(I_{1}\) und \(I_{2}\) die Stromstärke durch den ersten bzw. zweiten Leiter.

Befinden sich zwei Leiter im Abstand \(r_{12}=1m\) und sind die Ströme \(I_1=I_2=1A\), so ergibt sich eine Kraft von \(2\cdot 10^{-7}N\) pro Meter Leiterlänge.