Verhalten eines Leiters im Magnetfeld

Verhalten eines Leiters im Magnetfeld
Physik Klasse 9

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 Beispiele 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.

des_0267

Auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld wird eine Kraft ausgeübt. Die Erklärung dieses Sachverhalts ist folgende: 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:

f_0235

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:

des_0268

Wird die Richtung des Stromes auf kürzestem Weg in Richtung der Feldlinien gedreht, so gibt der Vorschub der Rechtsschraube die Kraftrichtung an.



Magnetische Kraftwirkung zwischen stromdurchflossenen Leitern

Versuch

Wir untersuchen zwei stromdurchflossene Leiter in Abhängigkeit von der Stromrichtung.

#des_0269

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

f_0236

B1 = Flussdichte von Leiter 1
f_0237
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 :

f_0238

Wird der zweite Leiter ebenfalls von einem Strom durchflossen, so befindet sich ein stromdurchflossener Leiter (I2 ) in einem Magnetfeld B1.
Auf den Leiter 2 wird die Kraft

f_0239

Damit ergibt sich die Gleichung

f_0240

Die gleiche Kraft wird auf den Leiter 1 ausgeübt.



Amperesches Gesetz

Diese Gleichung wird als Amperesches Gesetz bezeichnet.

Die Kraftrichtung ist abhängig von den Stromrichtungen in den Leitungen.

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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

Schauen wir uns zum Beispiel einen Schaltschrank an:
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?

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2. Rechenbeispiel

Wenn die beiden Leiter nur von einem Strom der Stärke 1 Ampere durchflossen werden, ist die Kraft allerdings wesentlich geringer:

f_0245

 


Hier finden Sie eine Übersicht über weitere Beiträge zum Thema Strahlenoptik, elektromagnetische Induktion, darin auch Links zu Aufgaben.



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