Physik Sexl 6 RG, Schulbuch

5.3 Ströme erzeugen magnetische Felder Im Oersted-Versuch 105.1 haben wir gesehen: Ströme rufen Magnetfelder hervor. Ein gerader stromführender Draht ist von kreisförmigen Feldlinien umgeben. Im Versuch 106.1 mit der Leiterschaukel haben wir die Lorentzkraft als Kraft eines Magnetfelds auf einen Strom kennen gelernt. Wir haben gefunden: Ströme erzeu- gen Magnetfelder, Magnetfelder üben Kräfte auf Ströme aus. Üben daher auch Ströme aufeinander Kräfte aus? Diese Frage stellte sich A NDRÉ - M ARIE A MPÈRE (1775–1836) im Herbst 1820, als er von Oersteds Experiment erfuhr. Experiment: Kräfte zwischen Strömen 109.1 E 1 Du brauchst: 2 dünne Drähte (ca. 1m) oder Lamettafäden (Metall), Batterien, isolierende Stative, Kabel Spanne in geringem Abstand zwei parallele Drähte, eventuell Lamettafäden, und lass durch sie Strom fließen. Beschreibe und erkläre deine Beobachtungen. Be- nutze die UVW-Regel. Wir finden ( 109.2 ): Zwischen Strömen wirken magnetische Kräfte. Parallele Ströme ziehen einander an. Antiparallele Ströme stoßen einander ab. Genaue Messungen zeigen: Die Kraft zwischen zwei Strömen ist direkt proportio- nal zum Produkt ihrer Stromstärken I 1 · I 2 und zur Drahtlänge s , jedoch indirekt proportional zum Abstand r der Drähte. Wir können daher mit einem Proportionalitätsfaktor, der aus historischen Grün- den als µ 0 /(2π) gewählt wird, das Kraftgesetz schreiben: F = μ 0 _ 2 π · I 1 · I 2 _ r · s . Durch den Vergleich mit der Lorentzkraft F = I 2 · s · B , die auf den Strom I 2 wirkt, sehen wir, dass der Strom I im Abstand r ein Feld B hervorruft: B = μ 0 _ 2 π · I _ r . Die magnetische Feldkonstante µ 0 folgt aus der Definition der Einheit der Strom- stärke. Im SI-System ist die Einheit Ampere (A) folgendermaßen definiert: Durch zwei unendlich lange parallele Leiter im Abstand r = 1 m fließen Ströme der Stärke 1 A, wenn zwischen ihnen eine Kraft F = 2 · 10 –7 N pro Meter Leiterlänge wirkt. ( 109.3 ) Daraus lässt sich µ 0 berechnen: 2 · 10 –7 N = μ 0 _ 2 π · (1 A) 2 _ 1m · 1m , also μ 0 = 4 π · 10 –7 N _ A 2 Daher gilt für das B -Feld eines langen geradlinigen stromdurchflossenen Leiters: eine beträchtliche Anzahl von geladenen Teilchen gespeichert. Diese Bereiche hei- ßen Strahlungsgürtel bzw. nach ihrem Entdecker van Allen-Gürtel . Die Teilchen sind in einem inneren (in ca. 4000 km Höhe) und einem äußeren (in ca. 25000 km Höhe) Gürtel konzentriert. Das Erdmagnetfeld hindert die geladenen Teilchen, die Erdober- fläche zu erreichen und schützt dadurch die Lebewesen auf der Erde vor der ionisie- renden Strahlung aus dem Weltall. In den Polargegenden stoßen die gespeicherten Teilchen in über 100 km Höhe mit Molekülen aus der Atmosphäre zusammen und ionisieren sie. Bei der Rekombination von Ionen und Elektronen wird farbiges Licht ausgestrahlt – Grün und Blau stammt vom Sauerstoff, Rot und Violett vom Stickstoff. Je stärker die Sonnenaktivität ist, des- to intensiver werden die Polarlichter. 109.1 Lorentzkraft in Aktion: Die 15 m langen supraleitenden Magneten (–271 o C) des LHC am CERN führen zwei gegenläufige Protonen- strahlen auf einer Kreisbahn (r = 4,3 km). Schließlich kollidieren die Protonen in riesigen Detektoren mit einander und erzeugen zahl- reiche andere Teilchen. I I I I 109.2 Parallele Ströme durch Leiter ziehen einander an, antiparallele Ströme stoßen ein- ander ab. r = 1 m I ' = 1 A I = 1 A F = 2 · 10 N -7 s = 1 m 109.3 Idealisierungen bei der gesetzlichen Definition des Ampere: unendlich lange Leiter, genauer Abstand 1m, sehr kleine Kraft 109 | FELDER Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv