Physik Sexl 6 RG, Schulbuch

Ein langer gerader Leiter, durch den der Strom I fließt, ist von einem ringförmigen Magnetfeld umgeben. Die Stärke des B -Feldes beträgt im Abstand r : B = μ 0 _ 2 π · I _ r ( μ 0 = 4 π · 10 –7 N _ A 2 ). Der Richtungssinn der Feldlinien wird durch die Rechts-Schraubenregel festgelegt. Untersuche, überlege, forsche: Magnetfeld eines Kreisstroms 110.1 E 1 Untersuche das Magnetfeld einer stromführenden kreisförmigen Draht- schleife und zeige das Feldlinienbild mit Eisenfeilspänen. Versuche eine Erklä- rung. Zur Erklärung des Feldverlaufs denken wir uns die Drahtschleife aus kleinen ge- radlinigen Drahtstücken zusammengesetzt. Im Inneren der Schleife verlaufen die Feldlinien aller Drahtstücke in der gleichen Richtung und verstärken einander, au- ßerhalb der Schleife haben die Feldlinien gegenüberliegender Drahtstücke entge- gengesetzte Richtungen und schwächen einander. Das entstehende Feldlinienbild entspricht dem Feld einer kleinen Magnetnadel. Auch die Kräfte zwischen frei drehbaren Stromschleifen entsprechen den Kräften zwischen Magnetnadeln. Durch die Abstoßung antiparalleler Ströme stellen sich die Schleifen parallel zueinander ein. Im Erdmagnetfeld verhält sich eine Strom- schleife wie eine Magnetnadel. Kreisströme verhalten sich wie Magnetnadeln. Das analoge Verhalten von Kreisströmen und Magnetnadeln führte A MPÈRE zu fol- gender Hypothese: Magnetfelder werden stets durch Ströme hervorgerufen. In Permanentmagneten rufen „atomare Kreisströme“ das Magnetfeld hervor. Untersuche, überlege, forsche: Ampère’sche Kreisströme 110.1 W 1 Aus dieser (damals nicht überprüfbaren) Hypothese folgt, dass man beim Zerteilen eines Magneten nie einen einzelnen magnetischen Pol, sondern immer nur Dipole mit Nord- und Südpol erhält. Begründe dieses Resultat. Demo-Experiment: Magnetfeld einer langen Spule 110.1 E 1 Das Magnetfeld wird verstärkt, wenn man mehrere Stromschleifen zu einer Spule aneinander fügt. So wie eine einzelne Stromschleife einer Magnetnadel entspricht, entspricht das Feld einer Spule dem Feld, das man beim Zusammenfü- gen vieler kleiner Magnete zu einem Stabmagneten erhält. Die Beobachtung zeigt, dass sich eine einfache Feldverteilung ergibt, wenn die Spule viel länger als ihr Durchmesser ist. Die Feldstärke ist umso größer, je dichter die Spule gewickelt ist, je mehr Windungen sie bei gleicher Länge enthält. Das magnetische B -Feld im Inneren einer langen Spule, die vom Strom I durchflossen wird, ist nahezu homogen und hat den Betrag B = μ 0 · I · N _ l . N ist die Anzahl der Windungen der Spule und l die Spulenlänge. Demo-Experiment: Magnetfeld einer Spule mit Eisenkern 110.2 E 1 Bringt man einen Eisenkern ins Innere einer langen stromdurchflossenen Spule, so zeigt die Ablenkung einer außen angebrachten Magnetnadel eine Ver- stärkung des Magnetfelds um einen Faktor 100 bis 1000 an. ohne Eisenkern mit Eisenkern Remanenz Feldstärke B Stromstärke I Neukurve 110.4 Steigert man den Strom I durch eine Spule mit Eisenkern, so steigt das Magnet- feld B zunächst viel schneller als ohne Eisen- kern (Verstärkungsfaktor µ ≈ 100–1000), bis alle atomaren Kreisströme parallel gerichtet sind. Schaltet man den Strom langsam aus, bleibt eine Restmagnetisierung (Remanenz) zurück. 110.3 Im Inneren einer langen Spule herrscht ein nahezu homogenes Magnetfeld N N S S I 110.2 Das Magnetfeld in der Umgebung eines Kreisstroms entspricht jenem einer kleinen Magnetnadel. I B S N 110.1 Der Richtungssinn der kreisförmigen Feldlinien um einen Strom entspricht dem Drehsinn einer Rechts-Schraube, die man in Stromrichtung einschraubt. 110 FELDER Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv