Sexl Physik 7, Schulbuch

67 | 67.1 Das Magnetfeld eines Stabmagneten, sichtbar gemacht durch kleine Magnetnadeln F + – N S 67.2 Schaltet man den Strom ein, wird die Leiterschaukel ausgelenkt. Auf einen Strom durchflossenen Leiter wirkt im Magnetfeld eine Kraft. 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 67.3 Stärken von Magnetfeldern B I I 67.4 Die Hallspannung U H an einem dünnen Halbleiterplättchen im Magnetfeld ist proportional zum Produkt aus Strom I und Magnetfeld B . Da diese 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. ( 67.1 ) Grafisch werden Magnetfelder durch Feldlinien dargestellt. Ihre Richtung wird durch den nach Norden weisenden Pol einer kleinen Magnetnadel (Nordpol) be- stimmt. 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. Trotz intensiver Suche konnten bisher keine einzelnen Magnetpole gefunden werden – es gibt keine magnetischen Ladungen, von denen Feldlinien ausgehen. 2.2 Ströme im Magnetfeld Die Ablenkung einer Magnetnadel in der Nähe eines stromführenden Drahtes zeigt, dass Ströme auf Magnete Kräfte ausüben. Gilt auch, dass Magnetfelder auf Ströme Kräfte ausüben? Untersuche, überlege, forsche: Strom im Magnetfeld 67.1 Setze die Prinzipskizze ( 67.2 ) 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 ausgelenkt, wenn er zu den Feldlinien normal steht. Liegt er paral- lel zu den Feldlinien, wirkt keine Kraft. Ein Vergleich mit der Elektrostatik zeigt: Elektrische Felder wirken auf Ladungen. Magnetfelder wirken auf Ströme. Genaue Experimente zeigen, dass die Kraft F auf den Draht proportional zur Stromstärke I und zur Länge s des Drahtstückes ist, das sich im Magnetfeld befin- det. Auch nimmt die Kraft mit der Stärke des Magnetfeldes zu. Damit können wir die Stärke des Magnetfeldes durch die Kraft auf den Strom durchflossenen Draht bestimmen: Die Magnetfeld ist ein Vektorfeld. Die Feldrichtung wird durch den nach Norden weisenden Pol (Nordpol) einer kleinen Magnetnadel festgelegt. Die Stärke des Magnetfeldes ist , wobei F die Kraft auf einen Leiter der Länge s ist, der vom Strom I durchflossen wird, und der normal zur Feldrichtung steht. w Im internationalen Einheitensystem (SI) wird das Magnetfeld B als magnetische Flussdichte B bezeichnet. Die elektrische Feldstärke E und das Magnetfeld B sind die fundamentalen Felder der elektromagnetischen Erscheinungen und bilden die Grundlage für die elektromagnetischen Wellen (s. S. 105 ff.).  Die Einheit des Magnetfelds B ist nach dem serbo-kroatischen Physiker und Erfinder n ikola t eSla (1856–1943) benannt. Ein Magnetfeld hat die Stärke B = 1 Tesla = 1 T , wenn ein 1 m langer Draht, durch den ein Strom I = 1 A fließt, die Kraft F = 1 N er- fährt. Die Einheit Tesla kann auf die SI-Basiseinheiten oder andere bekannte Ein- heiten zurückgeführt werden, z. B. gilt: 1 T = 1 N/(A m) = 1 V s/m 2 . w Magnetfelder misst man mittels Hallsonden , das sind dünne Strom durchflosse- ne 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. Zwischen ihnen besteht durch Ladungstrennung eine Spannung („Hallspannung“) proportional zur Stärke des Magnetfeldes ( 67.4 ). Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv