Magnetfelder und Magnetfeldlinien
Online Rechner mit Rechenweg
Der Online Rechner von Simplexy kann dir beim berechnen vieler Aufgaben helfen. Probiere den Rechner mit Rechenweg aus.
Magnetfeld
Die Karft mit der ein Magnet einen anderen Magneten oder einen magnetischen Körper anzieht hängt vom Abstand der zwei zu einander. Am Stärksten ist die Kraft zwischen Magneten an den jeweiligen Magnetpolen.
Magnetisierbare Körper werden von beiden Polen gleichermaßen angezogen.
Zwei Magnete erfahren bei einer Annäherung je nach Ausrichtung eine unterschiedliche Kraft. Gegenseitige Pole ziehen sich an und gleiche Pole stoßen sich ab.
Die Kraft die ein Magnet ausübt ist in der Nähe der Pole am stärkst und nimmt mit wachsendem Abstand ab.
Die Form eines Magneten spielt bei der Auswirkung der Kraft die er ausübt eine entscheidene Rolle. Am besten wird dies bei einem Stabmagneten und Eisenspänen deutlich.
Die Eisenspäne werden an unterschiedlichen Stellen um den Magneten herum unterschiedlich stark ausgerichtet und angezogen. Je nach Magneten bilden die Eisenspäne unterschiedlich Muster. Die Eisenspäne richten sich entlang der magnetischen Feldlinien aus.
Eisenspäne erfahren je nach Entfernung und Ausrichtung zum Magneten eine unterschiedlich starke Kraft, sie bilden um den Magneten geschlossene Linien. Das Muster das sich ergibt hängt von der räumlichen Verteilung der magnetischen Kraft ab, man bezeichnet dieses Muster als Magnetfeld.
In Skizzen wird ein Magnetfeld meist durch Pfeile dargestellt, die Pfeile zeigen vom Nordpol zum Südpol. Als beispiel folgt eine Skizze in denen die magnetischen Feldlinien eines Hufeisens dargestellt sind.
Man sieht, dass sich das Magnetfeld eines Hufeisenmagneten von dem Magnetfeld eines Stabmagneten unterscheiden. Werden Eisenspäne um einen Hufeisenmagneten gestreut, richten sie sich anders aus als wenn sie um einen Stabmagneten gestreut werden.
Mit Hilfe der Magnetfeldlinien lassen sich die Wechselwirkungen zwischen Magneten und magnetisierbaren Stoffen abschätzen und verdeutlichen.
Magnetische Feldstärke & magnetische Flussdichte
Die magnetische Flussdichte ist die Messgröße mit der die Kraftwirkung von Magneten definiert wird. Das ähnelt der elektrischen Feldstärke, die hatten wir wie folgt definiert:
Das elektrische Feld ist definiert als Kraft por Ladung:
\(E=\)\(\frac{F}{Q}\)
In einem elektrischen Feld wirken Kräfte auf Ladungen, in einem magnetischen Feld wirken die Kräfte hingegen auf
Magnete,
magnetisierbare Stoffe,
und bewegte Ladung.
Die Kraftwirkung eines Magnetfeldes kann mittels magnetischer Feldstärke \(\vec{H}\) beschrieben werden sie steht im direkten Zusammenhang zur magnetischen Flussdichte \(\vec{B}\).
Zusammenhang zwischen magnetischer Flussdichte & magnetischer Feldstärke
\(\vec{B}=\mu_0\cdot\mu_r\cdot \vec{H}\)
Dabei ist
\(\mu_0\) eine Naturkonstante mit dem Wert
\(1,2566\cdot10^{-6}\)\(\frac{Vs}{Am}\)\(\mu_r\) ist eine materialabhängige Größe (mehr dazu später)
Im Vacuum ist \(\mu_r=1\).
Die Vektorpfeile über \(H\) und \(B\) deuten daraufhin, dass die Felder immer eine Richtung haben. Rechnen wird man in der Schule aber meist mit den Beträgen.
\(\vec{B}\) hat die einheit \([B]=1\cdot\)\(\frac{V\cdot s}{m^2}\)
\(\vec{H}\) hat die einheit \([H]=1\cdot\)\(\frac{V}{m}\)
Die Größen \(\mu_0\) und \(\mu_r\) sind analog zu den Größen \(\epsilon_0\) und \(\epsilon_r\) aus der Elektrizitätslehre.
Die magnetische Feldstärke ist je nach magneten unterschiedlich und hängt stark von der Form des Magneten ab. Im 19. Jahrhundert entdeckte man das auch stromdurchflossene Leiter Magnetfelder erzeugen, je nach Leiteranordung entstehen dabei unterschiedlich magnetische Feldstärken.
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
\(H_{Leiter}=\)\(\frac{I}{2\cdot \pi\cdot r}\)
Wie bereits erwähnt ist die Richtung des Magnetfeldes stark von der Leiteranordnung abhängig. Bei einer Spule ist das Magnetfeld anders aufgebaut als bei einem geraden Stromleiter. Das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule ähnelt dem eines Stabmagneten sehr, auch hier kann man die Rechnte-Hand-Regel anwenden. Dadurch kann man rausfinden wo sich der Nordpol bzw. Südpol des Magnetfeldes befindet.
Rechte-Hand-Regel für Spulen
Um die Pole des Magnetfeldes einer Spule zu ermitteln, umfasst man sie so, dass der Daumen entlangt der technischen Stromrichtung (von \(+\) nach \(-\)) zeigt. Der Norpol der Spule liegt dann in Richtung des ausgestreckten Daumens.
Das Magnetfeld innerhalb der Spule ist homogen, die magnetischen Feldlinien haben im Inneren der Spule alle den gleichen Abstand zu einander und zeigen in die gleiche Richtung.
Die magnetische Feldstärke im Inneren einer Spule mit der Windungszahl N, der Länge \(L\) und der Stromstärke \(I\) berechnet sich über
Magnetische Feldstärke Innerhalb einer Spule
\(H_{Spule}=\)\(\frac{N\cdot I}{l}\)
Man kann die Särke des Magnetfeldes einer Spule erhöhen, indem man einen Eisenstab innerhalb der Spulenwindungen platziert. Durch die magnetische Influenz wird so der Eisenstab (Eisenkern) selbst magnetisiert und verstärkt dadurch das Magnetfeld der Spule.
Elektromagneten basieren auf der Fähigkeit magnetische Felder mittels Strom zu erzeugen. Eine Spule 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.