Da die Kraftwirkung im gesamten Raum um den Draht vorhanden ist, spricht man von einem Magnetfeld, das den Draht umgibt. Stab- und Hufeisenmagnete zeigen eine ähnliche Wirkung – auch der Raum um Permanentmagnete ist von einem Magnetfeld erfüllt (117.1). Grafisch werden Magnetfelder durch Feldlinien dargestellt. Ihre Richtung wird durch den Nordpol von kleinen Magnetnadeln bestimmt. Wie beim elektrischen Feld wird die Stärke des Magnetfelds in einem Raumbereich durch die Dichte der Feldlinien veranschaulicht. Magnetische Feldlinien sind im Gegensatz zu elektrischen Feldlinien immer in sich geschlossen, sie haben weder Anfang noch Ende. Alle Feldlinien in der Umgebung eines Magneten schließen sich im Magneten. Daher sind im Inneren eines Magneten die Dichte der Feldlinien und das Magnetfeld viel größer als außerhalb des Magneten. 5.2 Ströme im Magnetfeld Oersteds Entdeckung zeigt, dass Ströme auf Magnete Kräfte ausüben. Gilt auch, dass Magnetfelder auf Ströme Kräfte ausüben? Untersuche, überlege, forsche: Strom im Magnetfeld 117.1 E2 Setze die Prinzipskizze (117.2) in ein qualitatives Experiment um. Untersuche das Verhalten eines stromführenden Leiters im Magnetfeld. Variiere die Stromstärke und die Richtung des Magnetfelds relativ zum Leiter. Beschreibe deine Beobachtungen. Der Draht wird stark ausgelenkt, wenn er zu den Feldlinien normal steht, parallel zu den Feldlinien wirkt auf ihn keine Kraft. Ein Vergleich mit der Elektrostatik zeigt: Elektrische Felder wirken auf Ladungen. Magnetfelder wirken auf Ströme. Experimente zeigen: Die Kraft F auf den Draht ist proportional zur Stromstärke I, zur Länge s des Drahtstückes, das sich im Magnetfeld befindet, und zur Stärke des Magnetfeldes. Mittels der Kraft auf den stromführenden Draht kann das Magnetfeld als Vektorfeld B beschrieben werden: Magnetfelder sind Vektorfelder. Die Feldrichtung wird durch den Nordpol einer kleinen Magnetnadel angezeigt. Die Stärke des Feldes ist B = F _ I·s , wobei F die Kraft auf einen Leiter der Länge s ist, der vom Strom I durchflossen wird und normal zur Feldrichtung steht. Einheit: Tesla (T) 1 T = 1 N/(A·m) 117.1 Das Magnetfeld eines Stabmagneten, sichtbar gemacht durch kleine Magnetnadeln 117.2 Schaltet man den Strom ein, wird die Leiterschaukel ausgelenkt. Auf einen stromführenden Leiter wirkt im Magnetfeld eine Kraft. F + – N S 117.3 Stärken von Magnetfeldern Magnetfeld Tesla Gehirnströme 10 −13 Milchstraße 10 −10 Erde (außen) ≈ 4·10 −5 Sonne 10 −4 Erde (innen) 10 −2 Sterne bis zu 1 Permanentmagnete bis zu 1,4 Elektromagnete bis zu 10 Elektromagnet (für 10−4 s) 500 Neutronensterne 10 8 Elektrisches und magnetisches Feld Im internationalen Einheitensystem (SI) wird das Feld B magnetische Flussdichte genannt. Im Folgenden wird es kurz B-Feld genannt. Eine hohe Feldliniendichte entspricht einer hohen Stärke des Magnetfelds. Das elektrische Feld E und das magnetische Feld B sind die fundamentalen Felder der elektromagnetischen Erscheinungen und bilden die Grundlage für die elektromagnetischen Wellen. Hallsonden Magnetfelder misst man mittels Hallsonden, das sind dünne stromdurchflossene Halbleiterplättchen: Die im Magnetfeld auf den Strom ausgeübte Kraft führt zu einer Ablenkung der Ladungen quer zu Strom- und Feldrichtung. Die Ränder der Hallsonde tragen nun entgegengesetzte Ladungen, quer zur Stromrichtung besteht eine Spannung („Hallspannung“) proportional zur Stärke des B-Feldes (117.4). 117.4 Die Hallspannung U H an einem dünnen Halbleiterplättchen im Magnetfeld ist proportional zum Produkt aus Strom I und Magnetfeld B. B I I 117 Felder 5 Elektrischer Strom und Magnetfeld Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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