Big Bang HTL 3, Schulbuch

Elektrische Ströme und Magnetfelder 5 Ausgewählte Kapitel der klassischen Physik (III. Jg., 5. Sem.) 47 In der Gleichung für die Lorentz-Kraft kommt die magneti- sche Induktion B vor. Sie ist ein Maß für die Stärke des Magnetfeldes und somit das Gegenstück zur elektrischen Feldstärke E . Dass man B nicht als magnetische Feldstärke bezeichnet, hat historische Gründe und ist zugegeben etwas verwirrend. Die Einheit der magnetischen Induktion ist nach dem kroatischen Physiker N ICOLA T ESLA benannt. Beim Huf- eisenmagneten kann man B bestimmen, wenn man die Kraft auf den Leiter bei bekanntem Stromfluss misst. In der Praxis verwendet man eine andere, handlichere Technik (Abb. 5.12), aber das Prinzip bleibt dasselbe: Im Magnetfeld bewegte Ladungen werden durch die Lorentz-Kraft abge- lenkt. Die Stärke der Ablenkung ist ein Maß für die Stärke des magnetischen Feldes. In Tab. 5.1 siehst du einen Vergleich der Stärke von verschie- denen Magnetfeldern. Das Erdmagnetfeld ist im Vergleich mit einem Permanentmagneten unglaublich schwach ( F6 ). Dass es wesentlich schwächer sein muss, kann man aber ganz einfach belegen: Das Feld eines Permanentma- gneten kann man sehr schön mit Eisenspänen darstellen. Wäre das Erdmagnetfeld vergleichbar groß, dann müsste man dieses ja ebenfalls durch das Ausstreuen von Eisen- spänen sichtbar machen können. Obwohl das Erdmagnet- feld so schwach ist, können es zum Beispiel Zugvögel spüren und zur Orientierung nutzen. B in Tesla Gehirnströme 10 –15 äußeres Erdmagnetfeld ≈ 5 · 10 –5 Hufeisenmagnet 10 –3 Sonnenoberfläche 0,01 Schreib-/Lesekopf einer Festplatte 0,15–0,3 Sonnenflecken 0,3 Supermagnete (Neodymmagnete); Maximalwert 1,5 Elektromagnete im Dauerbetrieb 45 Neutronensterne 10 8 Tab. 5.1: Einige Magnetfelder im Vergleich Abb. 5.12: In der Praxis misst man die Magnetfeldstärke mit einer Hall-Sonde . Durch die Ablenkung der Elektronen entsteht zwischen Ober- und Unterkante der Sonde eine Spannung, die Aufschluss über die Stärke des Magnetfeldes gibt. Überprüfe die Ablenkung mit der Drei-Finger-Regel. Abb. 5.13: Die Sonne hat eine Oberflächentemperatur von etwa 5500 °C. Die Sonnen- flecken sind etwa 1500 °C kühler und somit auch dunkler. An diesen Stellen ist das Magnetfeld wesentlich stärker. Zum Größenvergleich ist auch die Erde dargestellt. Du siehst in der Tabelle auch, dass das Magnetfeld in den Sonnenflecken (Abb. 5.13) etwa 30-mal so stark ist wie au- ßerhalb. Neutronensterne haben die mit Abstand stärksten Magnetfelder. Sie sind einige Billionen Mal stärker als das Erdmagnetfeld! Neutronensterne sind ausgebrannte Sterne, die sich auf Grund ihrer eigenen Masse extrem verdichtet haben (siehe Kap. 23). Dabei werden die Elektronen in die Kerne gedrückt und verbinden sich mit den Protonen zu Neutronen (und Elektron-Neutrinos werden frei). Dichter gepackt sind nur noch Schwarze Löcher. Experiment: Stehende Wellen auf einem Draht Zusammenfassung Im Magnetfeld bewegte Ladungen werden durch die Lorentz-Kraft abgelenkt. Diese Ablenkung ist ein Maß für die magnetische Induktion. Die Lorentz-Kraft wird z. B. in Teilchenbeschleunigern ausgenutzt. Stehende Wellen auf einem Draht Die Lorentz-Kraft wird mit einem stromdurchflossenen Lei- ter demonstriert, der durch ein Magnetfeld verläuft (siehe Abb. 5.14) und durch die Lorentz-Kraft zu Eigenschwingun- gen angeregt wird. Material: – Wechselstromquelle (bis 10 A) – Kupferdraht (Durchmesser: 0,2mm; Länge: 2m) – Hufeisenmagnet – 2 isolierte Klemmen (Holtz’sche Klemmen) – 2 Kabel Aufbau und Durchführung Ein Kupferdraht wird zwischen zwei Holtz’sche Klemmen gespannt und an eine Wechselstromquelle angeschlossen. Stellt man einen Hufeisenmagneten unter den Draht, be- ginnt dieser bei Stromfluss zu schwingen. Die Verbindungs- linie der beiden Magnetpolenden sollte senkrecht zum Draht stehen und der Draht etwa 1 cm oberhalb des Magne- ten verlaufen. Die Anzahl der Schwingungsknoten (siehe auch Abb. 3.9, S. 28) hängt nur von der mechanischen Span- nung des Drahtes ab. Eventuell muss man den Draht mehr oder weniger spannen, um eine Schwingung oder eine der Oberschwingungen zu erhalten. Bei längerem Betrieb oder bei höherer Leistung beginnen die Knoten zu glühen. Das ist besonders gut im Dunkeln gut zu beobachten. Überlege mit Hilfe der Drei-Finger-Regel, bei welcher Stromrichtung der Draht in den Hufeisenmagneten hineingezogen wird und bei welcher er nach oben gedrückt wird. e Abb. 5.14 Z Nur z Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv