5.3 Ströme erzeugen magnetische Felder Der Oersted-Versuch (116.3) hat gezeigt: Ströme rufen Magnetfelder hervor. Ein gerader stromführender Draht ist von kreisförmigen Feldlinien umgeben. Aufgabe 117.1 stellt die Lorentzkraft als Kraft eines Magnetfelds auf einen stromdurchflossenen Leiter dar. Ströme erzeugen also Magnetfelder und Magnetfelder üben Kräfte auf Ströme aus. Üben daher auch Ströme aufeinander Kräfte aus? Diese Frage stellte sich André-Marie Ampère (1775–1836) im Herbst 1820, als er von Oersteds Experiment erfuhr. Experiment: Kräfte zwischen Strömen 121.1 E3 Du brauchst: dünne Drähte (ca. 1 m) oder Lamettafäden (Metall), Batterien, isolierende Stative, Kabel Spanne wie in 121.2 zwei parallele Drähte (Lamettafäden). Lass Strom durch sie fließen. Beschreibe und erkläre deine Beobachtungen. Benutze die UVW-Regel. Zwischen Strömen wirken magnetische Kräfte. Parallele Ströme ziehen einander an. Antiparallele Ströme stoßen einander ab. Genaue Messungen zeigen: Die Kraft zwischen zwei Strömen ist direkt proportional zum Produkt ihrer Stromstärken I 1·I 2 und zur Drahtlänge s, jedoch indirekt proportional zum Abstand r der Drähte. Wir können daher mit einem Proportionalitätsfaktor, der aus historischen Gründen als µ 0/(2π) gewählt wird, das Kraftgesetz schreiben: F = µ 0_ 2π · I 1·I 2 __ r ·s. Durch den Vergleich mit der Lorentzkraft F = I 2·s·B, die auf den Strom I 2 wirkt, sehen wir, dass der Strom I im Abstand r ein Feld B hervorruft: B = μ 0_ 2π · I _ r . Die magnetische Feldkonstante µ 0 folgt aus einer im SI-System festgelegten Definition. Wenn durch zwei unendlich lange parallele Leiter im Abstand r = 1 m Ströme der Stärke 1 A fließen, dann wirkt zwischen ihnen eine Kraft F = 2·10 −7 N pro Meter Leiterlänge (121.3). Daraus lässt sich µ 0 berechnen: 2·10 −7 N = μ 0_ 2π · (1A) 2 __ 1m ·1m, also μ 0 = 4π·10 −7 N_ A 2 Daher gilt für das B-Feld eines langen geradlinigen stromdurchflossenen Leiters: Ein langer gerader Leiter, durch den der Strom I fließt, ist von einem ringförmigen Magnetfeld umgeben. Die Stärke des B-Feldes beträgt im Abstand r: B = μ 0_ 2π · I _ r (μ 0 = 4π·10 −7 N_ A 2 ). Der Richtungssinn der Feldlinien wird durch die Rechts-Schraubenregel festgelegt. Untersuche, überlege, forsche: Magnetfeld eines Kreisstroms 121.1 E2 Untersuche das Magnetfeld einer stromführenden kreisförmigen Drahtschleife und zeige das Feldlinienbild mit Eisenfeilspänen. Versuche eine Erklärung. 121.1 Lorentzkraft in Aktion: Die 15 m langen supraleitenden Magneten (−271 °C) des LHC am CERN führen zwei gegenläufige Protonenstrahlen auf einer Kreisbahn (r = 4,3 km) (Technische Schnittzeichnung). I I I I 121.2 Parallele Ströme durch Leiter ziehen einander an, antiparallele Ströme stoßen einander ab. 121.3 Die Bedingungen für die Messung von μ 0 sind herausfordernd. Wie lassen sich unendlich lange Leiter mit genauem Abstand und einer sehr schwachen gegenseitigen Kraft realisieren? r = 1 m I' = 1 A I = 1 A F = 2 · 10 N -7 s = 1 m 121 Felder 5 Elektrischer Strom und Magnetfeld Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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