Hier erkläre ich zuerst in einem Versuch die magnetische Kraftwirkung auf einen stromdurchflossenen Leiter. Danach die magnetische Kraftwirkung zwischen stromdurchflossenen Leitern. Anschließend stelle ich das Amperesches Gesetz vor. Schließlich berechne ich in zwei Beispielen die magnetische Kraft zwischen Stromschienen.
Verhalten eines Leiters im Magnetfeld
Kraftwirkungen im Magnetfeld
Im Magnetfeld sind Kräfte wirksam., das heißt, gleichnamige Magnetpole stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an. Viele technische Anwendungen beruhen auf Magnetismus, Zum Beispiel Elektromotoren, Schütze, und Relais.
Magnetische Kraftwirkung auf einen stromdurchflossenen Leiter
Versuch
Wir bringen eine Leiterschleife in das Magnetfeld eines Hufeisenmagneten und lassen ihn von einem Stromstoß durchfließen.
Auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld wird eine Kraft ausgeübt, denn ein stromdurchflossener Leiter hat ein konzentrisches Magnetfeld, dessen Richtung wir mit Hilfe der rechten Faustregel (Rechtsschraubenregel) bestimmen können. Die Magnetfelder von Dauermagnet und Leiter überlagern sich, so dass links vom Leiter eine Feldschwächung und rechts vom Leiter eine Feldverstärkung auftritt. Links vom Leiter haben die Feldlinien beider Leiter entgegengesetzte Richtung, rechts vom Leiter dagegen gleiche Richtung (daher die Feldverstärkung). Der Leiter wird in Richtung der Feldschwächung abgedrängt. Im Feldlinienmodell haben Feldlinien das Bestreben, sich zu verkürzen. Eine Verkürzung der Feldlinien führt zu einer Leiterbewegung nach links.
Wenn die Feldlinien senkrecht zum Leiter verlaufen, ist die Kraft abhängig von:
– der Flussdichte B des Dauermagneten
– der Stromstärke I im Leiter
– der Leiterlänge L im Magnetfeld
Als Gleichung geschrieben:
Die magnetische Flussdichte B gibt Auskunft über die Stärke des magnetischen Feldes. Die Einheit der Flussdichte ist dabei Vs/m2.
Man schreibt: [B] = Vs/m2.
Für die Kraftwirkung gilt erneut eine Rechtsschraubenregel:
Wenn die Richtung des Stromes auf kürzestem Weg in Richtung der Feldlinien gedreht wird, gibt der Vorschub der Rechtsschraube die Kraftrichtung an.
Magnetische Kraftwirkung zwischen stromdurchflossenen Leitern
Versuch
Wir untersuchen zwei stromdurchflossene Leiter in Abhängigkeit von der Stromrichtung.
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Je nach Stromrichtung wirken zwischen stromdurchflossenen Leitern Anziehungs- oder Abstoßungskräfte. Für zwei im Abstand r parallel geführte Leiter gelten dabei folgende Gesetzmäßigkeiten:
Der Leiter 1 umgibt sich mit einem Magnetfeld der Flussdichte
B1 = Flussdichte von Leiter 1
magnetische Feldkonstante oder Permeabilität.
I1 = Strom im Leiter 1 r = Abstand vom Leiter 1
Für die magnetische Flussdichte B1 gilt im Mittelpunkt des Leiters 2, also im Abstand r vom Leiter 1 :
Wenn der zweite Leiter ebenfalls von einem Strom durchflossen wird, befindet sich ein stromdurchflossener Leiter (I2 ) in einem Magnetfeld B1.
Auf den Leiter 2 wird die Kraft
Damit ergibt sich die Gleichung
Die gleiche Kraft wird auf den Leiter 1 ausgeübt.
Amperesches Gesetz
Diese Gleichung wird als Amperesches Gesetz bezeichnet.
Die Kraftrichtung ist dabei abhängig von den Stromrichtungen in den Leitungen.
Bei parallelem Stromfluss ziehen beide Leiter sich gegenseitig an. Bei antiparallelem Stromfluss stoßen die beiden Leiter sich dagegen voneinander ab.
1. Rechenbeispiel magnetische Kraft zwischen Stromschienen
Zum Beispiel wirken in einen Schaltschrank folgende Kräfte:
Durch zwei 10 Meter lange Stromschienen fließt Strom mit I = 100 Ampere in entgegengesetzter Richtung.
Der Stromschienenabstand beträgt 10 cm.
Welche Kraft wird auf die Stromschienen ausgeübt?
2. Rechenbeispiel
Wenn die beiden Leiter nur von einem Strom der Stärke 1 Ampere durchflossen werden, ist die Kraft allerdings wesentlich geringer:
Hier findest du eine Übersicht über weitere Beiträge zum Thema Strahlenoptik, elektromagnetische Induktion, darin auch Links zu Aufgaben.