Elektromagnetismus

Der Naturwissenschaftler Hans Christian Ørsted beobachtete in Experimenten, dass ein vom elektrischen Strom durchflossener Leiter in der Nähe angeordnete Magnetnadeln ablenkt. Der Stromfluss im elektrischen Leiter beruht auf frei bewegliche Elektronen. Eine angelegte Spannung führt zur gerichteten Bewegung der Elektronen, dem elektrischen Strom. Er erzeugt um den Leiter herum ein konzentrisches Magnetfeld mit in sich geschlossenen Magnetfeldlinien. A. M. Ampère konstruierte wenige Jahre später eine elektromagnetische Spule und postulierte 1825, dass die Quelle der magnetischen Kräfte der elektrische Strom ist.

Das Magnetfeld eines vom Strom durchflossenen geraden Leiters

Fließt kein Strom durch einen senkrecht stehenden Leiterstab, so sind die um ihn herum angeordneten Magnetnadeln nach dem Erdmagnetfeld ausgerichtet. Beim Einschalten eines elektrischen Gleichstroms orientieren sich die Magnetnadeln neu. Die Richtung ihrer Ablenkung ist von der Stromrichtung abhängig. Die Magnetnadeln weisen in eine Richtung, die sich aus der additiven Überlagerung des Erdmagnetfelds und des Leitermagnetfelds ergibt.

Ausschalten     Strom einschalten     Strom umpolen

Nach dem Umpolen der Stromrichtung sind die Magnetnadeln entgegengesetzt ausgerichtet. Ist der Strom ausreichend hoch, kann in der Nähe des Leiters der Einfluss des Erdmagnetfelds vernachlässigt werden. Stehen die Nadeln auf einer drehbaren Platte durch dessen Mitte der Leiter geht, so ist zu erkennen, dass sich das Magnetfeld konzentrisch um den Leiter ausbreitet. Die Ausrichtung der Magnetnadeln erfolgt tangential zum Feld mit den gedachten elektromagnetischen Feldlinien.

Ist der vom Strom durchflossene Leiterstab wie in der Skizze ausgerichtet, dann werden Magnetnadeln, die zu beiden Seiten parallel auf gleicher Höhe des Leiters stehen nicht ausgelenkt. Stehen die Magnetnadeln oberhalb und unterhalb dieses Leiters, werden sie in zueinander entgegengesetzte Richtungen ausgelenkt. Die Beobachtungen unterstützen die Vermutung, dass der vom Strom durchflossene Leiter zylindrisch vom Magnetfeld umgeben ist. Die auf der Höhe des Leiters seitlich stehenden Magnetnadeln werden vom Elektromagnetfeld senkrecht getroffen. In diese Richtung können sie sich nicht drehen.

Das elektromagnetische Feld eines Leiters hat keinen ausgeprägten Nord- oder Südpol, wie er vom Stabmagneten her bekannt ist. Auch bei jedem Permanentmagnet enden die Feldlinien nicht auf den Polen, sondern setzen sich im Magneten fort. Die Magnetfeldlinien sind immer in sich geschlossen. Magnetfelder sind Wirbelfelder ohne Quelle und Senke. Der Umlaufsinn des Magnetfelds ist von der Stromrichtung abhängig.

Rechte-Faust-Regel

Der Strom fließt in der sogenannten technische Stromrichtung vom Pluspol (Quelle) zum Minuspol (Senke). Die Stromrichtung folgt damit der Feldrichtung des statischen E-Felds. Sie verläuft von der positiven Ladung zur negativen Ladung. Der Drehsinn des Magnetfelds wird mit der rechten Hand bestimmt indem der abgespreizte Daumen in die Stromrichtung zeigt. Die den Leiter umfassenden Finger zeigen die Umlaufrichtung des Magnetfelds an. Das gleiche Ergebnis wird mit der sogenannten Korkenzieher-Regel erreicht, der gedanklich in technischer Plus-Minus-Stromrichtung in die Stromflussrichtung gedreht wird. Der Umlaufsinn ist identisch mit dem Hineindrehen, also im Uhrzeigersinn.

Linke-Faust-Regel

Der Elektronen-Stromfluss, als physikalische Stromrichtung bezeichnet, ist die Bewegungsrichtung der Elektronen vom Minuspol (Quelle) zum Pluspol(Senke). Der Drehsinn des Magnetfelds wird mit der linken Hand bestimmt indem der abgespreizte Daumen in die Flussrichtung der Elektronen zeigt. Die den Leiter umfassenden Finger geben den Umlaufsinn des Magnetfelds an.

Jeder elektrische Strom in Form bewegter Ladungen erzeugt ein magnetisches Feld.
Die Stromstärke und Magnetfeldstärke ändern sich proportional.
Entlang der Wegstrecke bewegter Ladungen entsteht ein konzentrisches Magnetfeld mit in sich geschlossenen Magnetfeldlinien.
Die Stromrichtung und sein Magnetfeld stehen senkrecht zueinander. Für die Stromrichtung von Plus nach Minus rotiert das Magnetfeld im Uhrzeigersinn nach rechts.

Spätere Versuche zeigten, dass jede bewegte Ladung, also auch Elektronenstrahlen im Vakuum, wie sie bei Elektronenstrahl- und Gasentladungsröhren vorkommen, um sich herum ein Magnetfeld erzeugen. Damit ergab sich eine Möglichkeit, die Existenz von Molekulardipolen in der Materie zu erklären. Die Elektronen der Atome und Moleküle stellen bewegte Ladungen dar und erzeugen proportional sehr kleine Ströme, die ihrerseits Magnetfelder generieren. Die Summe aller nicht kompensierten Magnetfelder eines Werkstoffs bestimmt seine nach außen hin wirksame para-, dia- oder ferromagnetische Eigenschaft.

Kraftwirkung auf einen Strom durchflossene Leiter

Zwischen den Magnetfeldern wirken Kräfte. In einem äußeren homogen angenommenen Magnetfeld befindet sich ein Leiter der Länge s, der vom Strom I durchflossen wird. Die Stromrichtung soll senkrecht zur äußeren Magnetfeldrichtung ausgerichtet sein. Beide Magnetfelder überlagern sich, wobei das Feld auf der einen Seite geschwächt und auf der anderen Seite verstärkt wird. Im Bild ist die Feldliniendichte rechts im Permanentmagnetfeld höher und links niedriger. Jedes Feld ist bestrebt seinen kleinsten Energieinhalt anzunehmen. Auf den Stromleiter wirkt eine Kraft F, die den Leiter zur geschwächten Seite des Feldes auslenkt. Diese Kraft ist direkt abhängig vom Permanentmagnetfeld, vom Strom I im Leiter und der im Magnetfeld verlaufenden Leiterlänge. Das folgende interaktive Bild verdeutlicht diese Aussagen.

Strom ausschalten     Strom einschalten

Stromfluss durch mechanische Leiterbewegung

Beim animierten Versuch ist der Leiter an eine Spannungsquelle angeschlossen. Sie verursacht den Strom durch den Leiter und um ihn herum ein konzentrisches Magnetfeld. Stromrichtung und Leiterbewegung stehen senkrecht zueinander. Was passiert falls keine Spannungsquelle angeschlossen ist und der Leiter mechanisch bewegt wird? Im metallischen Leiterwerkstoff gibt es genügend frei bewegliche Elektronen. Die Skizze zeigt ein Gedankenexperiment bei dem der Leiter mechanisch senkrecht zur Leiterlänge und dem äußeren homogenen B-Feld bewegt wird. Die dadurch in eine Richtung mechanisch bewegten freien Leiterelektronen entsprechen einem Elektronenstrom. Konzentrisch um den Weg (blau) dieser Elektronen entsteht ein Magnetfeld. Da es sich um einen Elektronenstrom handelt, wird die Feldrichtung mit der Linken-Faust-Regel bestimmt. Das innere Magnetfeld der mechanisch mit dem Leiter bewegten Elektronen rotiert im Uhrzeigersinn.

Das äußere und das innere Magnetfeld überlagern sich so, dass die Elektronen eine gerichtete Kraft erfahren. Es ist die Lorentzkraft (rot), die diese Elektronen längs durch den Leiter bewegt. Sind die Leiterenden offen, denn erhält das vordere linke Leiterende einen Elektronenüberschuss und am hinteren rechten Ende entsteht ein Elektronenmangel. Das entspricht einer Potenzialdifferenz und der offene Leiter wirkt als Spannungsquelle. Im Leiter entsteht ein elektrisches Feld, das abhängig ist von der Geschwindigkeit mit der das äußere B-Feld geschnitten wird. Es bildet sich ein Ladungsgleichgewicht und solange der Leiter im B-Feld gleichmäßig die Feldlinien schneidet, bleibt die Spannung an den Leiterenden konstant. Weitere Informationen zur Lorentzkraft und Induktionsspannung sind bei dieser internen Linkadresse zu finden.

Ist der im B-Feld bewegte Leiter Teil einer extern geschlossenen Leiterschleife, dann fließt ein elektrischer Strom. Der untere Teil der Skizze zeigt die zentrale Blickrichtung auf das linke untere Leiterende. Im Teil (A) fließt der Elektronenstrom nach vorne heraus. Mit der Linken-Faust-Regel wird die Drehrichtung des konzentrischen Magnetfeldes für diese physikalische Stromrichtung im geschlossenen Stromkreis bestimmt. Wird Stromrichtung von Plus nach Minus betrachtet, dann fließt der Strom von vorne in die Ebene hinein. Die Drehrichtung des Magnetfelds ist nach der Rechten-Faust-Regel zu bestimmen. Beide Betrachtungsweisen ergeben einen Drehsinn des konzentrischen Magnetfelds nach rechts. Dieses von Strom generierte Magnetfeld überlagert sich mit dem äußeren B-Feld. Der Leiter erfährt eine Bewegungskraft nach links (violett), die ebenso groß ist wie die mechanische Bewegungskraft nach rechts (schwarz). Der Energieerhaltungssatz ist erfüllt.

Kraftwirkung zwischen stromdurchflossenen Leitern

Ein weiterer Versuch zeigt die Existenz und die Kraftwirkung des Magnetfelds. Zwei Metallbänder sind an isolierten Klemmen locker und parallel verlaufend aufgehängt. Fließt durch die Bänder der elektrische Strom parallel in gleicher Richtung, so ist jeder Leiter von seinem Magnetfeld umgeben. Bei der Überlagerung beider Felder wollen sich die Magnetfeldlinien zwischen den Bändern verkürzen. Das bewirkt die Anziehung wie zwischen ungleichnamigen Magnetpolen. Sind die Bänder in Reihe geschaltet, dann fließt durch sie der Strom in entgegengesetzte Richtungen. Die Magnetfeldlinien zwischen den Bändern verlaufen in gleicher Richtung. Das entspricht einem Gegenüberstehen gleichnamiger Magnetpole. Die Bänder stoßen sich ab.

Ausschalten     Strom gleichsinnig     Strom gegensinnig

Die Magnetfelder beider Leiter überlagern sich. Auf jeden Leiter wirkt eine Kraft, die proportional zur Leiterlänge s und zur Stromstärke I ist. Die Kraft ist umgekehrt proportional zum Leiterabstand a. Je weiter man sich von der Quelle des Magnetfeldes entfernt, desto schwächer wird die Feldwirkung. Nähere Beschreibungen dazu sind im Artikel zu den physikalischen Größen eines Magnetfelds im Absatz Magnetische Feldstärke zu finden.

In der Gleichung zur Berechnung der Kraft ist μo die magnetische Feldkonstante des Vakuums. Ihr Wert gilt mit guter Genauigkeit auch für den lufterfüllten Raum. Der Kreisumfang mit 2 · π · a entspricht der mittleren Feldlinienlänge. Hier soll die Kraft nur als skalarer Wert und von der Stromrichtung unabhängig betrachtet werden. Bei gleichsinnig fließenden Strömen ist das Ergebnis positiv, es herrscht Anziehungskraft. Für gegensinnige Ströme ist das Ergebnis negativ, die Leiter stoßen sich ab.

Nach der alten Definition der Stromstärke ist die Kraft, die auf einen 1 m langen Abschnitt eines (unendlich) langen parallelen Leiterpaars, die zueinander im Abstand von 1 m verlaufen und vom Strom 1 A durchflossen werden, genau 2·10exp−7 N.

Bei sehr großen Strömen ist die Kraftwirkung eng verlaufender Leitersysteme nicht zu vernachlässigen. In Bleiakkumulatoren liegt jede positive Platte zwischen zwei negativen Platten. Nur so heben sich die bei hoher Stromlast wirkenden Kräfte zwischen den Anoden- und Kathodenplatten gegenseitig auf. Ohne diese bauliche Vorkehrung würde die mechanische Beanspruchung das in den Platten eingepresste Bleidioxid lockern und herausfallen. Die Folge wäre ein Kurzschluss zwischen den Platten, der den Akku zerstört.