Zur Erklärung des Feldverlaufs denken wir uns die Drahtschleife aus kleinen geradlinigen Drahtstücken zusammengesetzt. Im Inneren der Schleife verlaufen die Feldlinien aller Drahtstücke in der gleichen Richtung und verstärken einander, außerhalb der Schleife haben die Feldlinien gegenüberliegender Drahtstücke entgegengesetzte Richtungen und schwächen einander. Das entstehende Feldlinienbild entspricht dem Feld einer kleinen Magnetnadel. Auch die Kräfte zwischen frei drehbaren Stromschleifen entsprechen den Kräften zwischen Magnetnadeln. Durch die Abstoßung antiparalleler Ströme stellen sich die Schleifen parallel zueinander ein. Im Erdmagnetfeld verhält sich eine Stromschleife wie eine Magnetnadel. Kreisströme verhalten sich wie Magnetnadeln. Das analoge Verhalten von Kreisströmen und Magnetnadeln führte Ampère zu folgender Hypothese: Magnetfelder werden stets durch Ströme hervorgerufen. In Permanentmagneten rufen „atomare Kreisströme“ das Magnetfeld hervor. Untersuche, überlege, forsche: Ampère’sche Kreisströme 122.1 W1 Aus dieser (damals nicht überprüfbaren) Hypothese folgt, dass man beim Zerteilen eines Magneten nie einen einzelnen magnetischen Pol, sondern immer nur Dipole mit Nord- und Südpol erhält. Begründe dieses Resultat. Demoexperiment: Magnetfeld einer langen Spule 122.1 Das Magnetfeld wird verstärkt, wenn man mehrere Stromschleifen zu einer Spule aneinander fügt. So wie eine einzelne Stromschleife einer Magnetnadel entspricht, entspricht das Feld einer Spule dem Feld, das man beim Zusammenfügen vieler kleiner Magnete zu einem Stabmagneten erhält. Die Beobachtung zeigt, dass sich eine einfache Feldverteilung ergibt, wenn die Spule viel länger als ihr Durchmesser ist. Die Feldstärke ist umso größer, je enger die Spule gewickelt ist, d. h. je mehr Windungen sie bei gleicher Länge enthält. Das magnetische B-Feld im Inneren einer langen Spule, die vom Strom I durchflossen wird, ist nahezu homogen und hat den Betrag B = μ 0·I· N _ l . N ist die Anzahl der Windungen der Spule und l die Spulenlänge. Experiment: Magnetfeld einer Spule mit Eisenkern 122.2 Du brauchst: Spule mit vielen Windungen, regelbare Spannungsquelle, Weicheisenkern, Handy, App PhyPhox, Millimeterpapier Mittels deines Handys und der App PhyPhox kannst du Magnetfelder messen. Miss die Stärke, d.h. den Betrag, des Magnetfelds an mehreren Orten nahe der stromdurchflossenen Spule, abwechselnd ohne bzw. mit Eisenkern. Erstelle eine Tabelle mit Orten (Millimeterpapier!) und den entsprechenden beiden Messwerten. E3 a) Beschreibe, wie sich die beiden Messwerte am selben Ort unterscheiden. Lässt sich eine Gesetzmäßigkeit finden? Wie könnte sie ungefähr lauten. E3 b) Finde heraus, wo das Magnetfeld außerhalb der Spule am stärksten ist. Fasse deine Resultate in einem kurzen Text schriftlich zusammen. 122.1 Der Richtungssinn der kreisförmigen Feldlinien um einen Strom entspricht dem Drehsinn einer Rechts-Schraube, die man in Stromrichtung einschraubt. I B S N 122.2 Das Magnetfeld in der Umgebung eines Kreisstroms entspricht jenem einer kleinen Magnetnadel. N N S S I 122.3 Wenn Strom durch eine lange Spule fließt, entsteht in ihrem Inneren ein nahezu homogenes Magnetfeld. 122.4 Steigert man den Strom I durch eine Spule mit Eisenkern, so steigt das Magnetfeld B zunächst viel schneller als ohne Eisenkern (Verstärkungsfaktor µ ≈ 100 − 1000), bis alle atomaren Kreisströme parallel gerichtet sind. Wenn man die Stromstärke danach wieder auf null verringert, bleibt eine Restmagnetisierung (Remanenz) zurück. ohne Eisenkern mit Eisenkern Remanenz Feldstärke B Stromstärke I Neukurve 122 Felder 5 Elektrischer Strom und Magnetfeld Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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