Informations- und Kommunikationstechnik

Elektromagnetismus

Der Naturwissenschaftler Hans Christian Ørsted beobachtete in Experimenten, dass ein vom elektrischen Strom durchflossener Leiter eine Magnetnadel ablenkt. Der Stromfluss im metallischen Leiterdraht beruht auf frei bewegliche Elektronen als Ladungsträger. Bei angelegter Spannung ergeben sie in gerichteter Bewegung den elektrischen Strom und erzeugen dabei um den Leiter herum ein Magnetfeld. A. M. Ampère konstruierte wenige Jahre später eine elektromagnetische Spule und postulierte 1825, dass die Quelle der magnetischen Kräfte im elektrischen Strom zu finden ist.

Das Magnetfeld eines vom Strom durchflossenen geraden Leiters

Die um einen senkrecht stehenden Leiterstab angeordneten Magnetnadeln sich nach dem Erdmagnetfeld ausgerichtet, solange kein Strom durch den Leiter fließt. Sobald elektrischer Strom fließt, orientieren sie sich neu, wobei ihre Ablenkungsrichtung von der Stromrichtung abhängig ist. Der elektrische Strom baut um den Leiter herum ein Magnetfeld auf. Die Magnetnadeln weisen in die Richtung, die sich aus der additiven Überlagerung des Erdmagnetfelds und des Leitermagnetfelds ergibt.

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Leitermagnetfeld

Mit dem Umpolen der Stromrichtung orientieren sich die Nadeln in die entgegengesetzte Richtung. Ist der Strom stark genug, kann in der Nähe des Leiters der Einfluss des Erdmagnetfelds vernachlässigt werden. Stehen die Nadeln auf einer drehbaren Platte und geht der Leiter durch ihren Mittelpunkt, so kann gezeigt werden, dass sich das Magnetfeld um den Leiter konzentrisch ausbreitet. Die Ausrichtung der Magnetnadeln erfolgt tangential zu den elektromagnetischen Feldlinien.

In einem anderen Versuch soll der vom Strom durchflossene Leiterstab horizontal in Richtung des Erdmagnetfelds ausgerichtet sein. Zu beiden Seiten auf gleicher Höhe des Leiters parallel stehende Magnetnadeln erfahren keine Auslenkung. Oberhalb und unterhalb des Leiters stehende Magnetnadeln werden in zueinander entgegengesetzte Richtungen ausgelenkt. Beide Versuche zeigen, dass die Feldlinien um den Leiter herum in sich geschlossene Kreise bilden.

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, sodass jede Feldlinie in sich geschlossen ist. Magnetfelder sind Wirbelfelder ohne Quelle und Senke. Der Umlaufsinn des Magnetfelds ist von der Stromrichtung abhängig. Wird die technische Stromrichtung von Plus nach Minus zugrunde gelegt, dann kann mit der rechten Hand der Drehsinn bestimmt werden. Der Daumen der rechten Hand zeigt in die Stromrichtung und die den Leiter umfassenden Finger zeigen den Umlaufsinn an. Das gleiche Ergebnis wird mit der sogenannten Korkenzieher-Regel erreicht, wenn er gedanklich in Plus-Minus-Stromrichtung in den Leiter gedreht wird. Der Umlaufsinn ist identisch zum Uhrzeigersinn. Liegt die physikalische Stomrichtung von Minus nach Plus zugrunde, dann gibt der Daumen der linken Hand die Stromrichtung an und die den Leiter umfassenden Finger zeigen den Umlaufsinn des Magnetfelds. In diesem Fall weist der Umlaufsinn des Magnetfelds entgegen dem Uhrzeigersinn.

Einige Zeit später erkannte man, 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 aufbauen. Die Summe aller nicht kompensierten Magnetfelder eines Werkstoffs bestimmt seine nach außen hin wirksame para-, dia- oder ferromagnetische Eigenschaft.

Jeder elektrische Strom in Form bewegter Ladungen erzeugt ein magnetisches Feld.
Je höher die Stromstärke ist, desto stärker ist das Magnetfeld.
Die Magnetfeldlinien bilden um den Leiter konzentrische geschlossene Kreise.
Die Magnetfeldebene liegt senkrecht zum Stromfluss.
Mit Blick in die technische Stromrichtung von Plus nach Minus ist der Drehsinn des Magnetfeldes nach rechts gerichtet.

Kraftwirkung auf einen Strom durchflossene Leiter

Befindet sich ein vom Strom durchflossener Leiter in einem äußeren Magnetfeld, dann überlagert sich sein Magnetfeld mit diesem. Zwischen den Magnetfeldern wirken Kräfte. Ein Leiter der Länge l wird vom Strom I durchflossen und befindet sich in einem äußeren homogenen Magnetfeld. Die Stromrichtung verläuft senkrecht zur äußeren Magnetfeldrichtung. Beide Magnetfelder überlagern sich, wobei das Feld auf der einen Seite geschwächt und auf der anderen Seite verstärkt wird. Jedes Feld ist bestrebt seinen kleinsten Energieinhalt anzunehmen, daher wollen sich die Feldlinien verkürzen. Auf den Stromleiter wirkt eine Kraft F ein, die den Leiter zur schwächeren Seite des Feldes auslenkt. Diese Kraft ist direkt abhängig vom Permanentmagnetfeld, vom Leiterstromfluss und der im Magnetfeld verlaufenden Leiterlänge. Das folgende interaktive Bild verdeutlicht diese Aussagen.

Strom ausschalten     Strom einschalten

Leiterschaukel

Kraftwirkung zwischen stromdurchflossenen Leitern

Ein weiterer Versuch zeigt die Existenz und die Kraftwirkung des Magnetfelds. Zwei Metallbänder sind an isolierten Klemmen parallel zueinander locker aufgehängt. Fließt elektrischer Strom parallel in gleicher Richtung durch beide Leiter, so ziehen sich die Bänder an. Sind die beiden Leiter in Reihe geschaltet, dann fließt der Strom entgegengesetzt durch die Bänder und sie stoßen sich ab.

Ausschalten     Strom gleichsinnig     Strom gegensinnig

Leiterbänder

Im ersten Fall wollen sich die Magnetfeldlinien zwischen den Bändern verkürzen. Das bewirkt die Anziehung wie zwischen ungleichnamigen Magnetpolen. Im zweiten Versuch verlaufen die Magnetfeldlinien zwischen den Bändern in gleicher Richtung. Das entspricht einer Parallelstellung gleichnamiger Pole, die sich abstoßen.

Die Magnetfelder beider Leiter überlagern sich. Auf jeden Leiter wirkt eine Kraft, die proportional zur Leiterlänge l 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.

Magnetfeld

Die Gleichung zur Berechnung der Kraft enthält in der Proportionalitätskonstante den Wert μo. Es ist die magnetische Feldkonstante des Vakuums deren Wert mit großer Genauigkeit auch für den lufterfüllten Raum gilt. Der Kreisumfang mit 2 · π · a entspricht der mittleren Feldlinienlänge. Die Größe der Kraft ist als skalarer Wert von der Stromrichtung unabhängig. Bei gleichsinnig fließenden Strömen ist das Ergebnis positiv, es herrscht Anziehungskraft. Für gegensinnige Strömen ist das Ergebnis negativ, die Leiter stoßen sich ab.

Die Kraft auf einen Abschnitt eines 1 m langen Leiterpaars mit dem Abstand von 1 m zueinander errechnet sich zu 2·10exp−7 N. Das entsprach der alten Definition für die Stromstärke 1 A.

Bei sehr großen Strömen ist die Kraftwirkung naher beieinander verlaufender Leitersysteme nicht zu vernachlässigen. In Bleiakkumulatoren liegt jede positive Platte zwischen zwei negativen Platten. So können sich die abstoßenden Kräfte in der Anode aufheben und sie wird mechanisch nicht beansprucht. Ohne diese Vorkehrung würde sich das eingepresste Bleidioxid lockern und herausfallen. Die Folge ist ein innerer Kurzschluss zwischen den Platten, der den Akku zerstört.