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Oersted-Versuch und Magnetfelder: Einfach erklärt

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Oersted-Versuch und Magnetfelder: Einfach erklärt
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Luana

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Der Oersted-Versuch demonstriert die Erzeugung von Magnetfeldern durch elektrische Ströme. Stromdurchflossene Leiter erzeugen Magnetfelder, die mit der Linken-Hand-Regel beschrieben werden können. Die Lorentzkraft wirkt auf stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld. Die magnetische Flussdichte B wird als Maß für die Stärke des Magnetfeldes verwendet. Spulen erzeugen homogene Magnetfelder, deren Stärke von Windungszahl, Stromstärke und Spulengeometrie abhängt. Das Erdmagnetfeld ähnelt dem eines Stabmagneten und wird durch Deklination und Inklination charakterisiert.

• Magnetfelder werden von Magneten und stromdurchflossenen Leitern erzeugt
• Der Oersted-Versuch zeigt den Zusammenhang zwischen Strom und Magnetfeld
• Die Lorentzkraft wirkt auf bewegte Ladungsträger im Magnetfeld
• Die magnetische Flussdichte B beschreibt die Stärke von Magnetfeldern
• Spulen erzeugen homogene Magnetfelder, deren Stärke berechnet werden kann
• Das Erdmagnetfeld wird durch Deklination und Inklination charakterisiert

19.2.2021

1660

MAGNETISCHE FELDER Exp.: zwei parallele Leiter U Sobald der Stromkreis (kurzzeitig) geschlossen ist, stoßen sich die beiden Leiter ab. ⇒ Mag

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Das Erdmagnetfeld

Dieser Abschnitt behandelt das Erdmagnetfeld. Die Erde besitzt ein schwaches Magnetfeld, das dem eines Stabmagneten ähnelt.

Definition: Das Erdmagnetfeld wird durch den sich bewegenden flüssigen äußeren Erdkern erzeugt.

Wichtige Begriffe im Zusammenhang mit dem Erdmagnetfeld sind:

  1. Deklination (Missweisung): Der Winkel zwischen dem magnetischen und dem geografischen Nordpol.

Definition: Die Deklination ist die Abweichung zwischen magnetischem und geografischem Nordpol.

  1. Inklination: Der Winkel, mit dem die Feldlinien auf den Erdboden treffen.

Definition: Die Inklination ist der Winkel, unter dem die Erdmagnetfeldlinien auf die Erdoberfläche treffen.

Das Erdmagnetfeld wird durch den Vektor BE beschrieben, der in Richtung der Feldlinien zeigt. Dieser Vektor kann in einen horizontalen Anteil BH und einen vertikalen Anteil BV zerlegt werden.

Highlight: Die magnetischen Pole der Erde wandern leicht, da das Magnetfeld vom beweglichen flüssigen äußeren Erdkern erzeugt wird.

Die Messung des Erdmagnetfelds erfolgt mithilfe des horizontalen Anteils BH.

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Erzeugung von Magnetfeldern

Dieser Abschnitt behandelt die Erzeugung von Magnetfeldern durch elektrische Ströme, basierend auf dem Oersted-Versuch von 1820.

Example: Der Oersted-Versuch zeigt, dass um einen stromdurchflossenen Leiter ein Magnetfeld entsteht, das senkrecht zum Leiter steht.

Die Richtung des Magnetfeldes kann mit der Linken-Hand-Regel bestimmt werden:

  • Daumen zeigt in Stromrichtung
  • Finger zeigen in Magnetfeldrichtung

Bei einer stromdurchflossenen Spule überlagern sich die Magnetfelder der einzelnen Windungen zu einem großen Magnetfeld.

Highlight: Im Inneren einer Spule entsteht ein homogenes Magnetfeld, außen und am Rand ein inhomogenes Magnetfeld.

Die Polarität einer Spule entspricht der eines Stabmagneten, wobei der Nordpol dort ist, wo die Magnetfeldlinien aus der Spule austreten.

Definition: Ein homogenes Magnetfeld hat parallele, gleichmäßig verteilte Feldlinien, während ein inhomogenes Magnetfeld ungleichmäßig verteilte Feldlinien aufweist.

MAGNETISCHE FELDER Exp.: zwei parallele Leiter U Sobald der Stromkreis (kurzzeitig) geschlossen ist, stoßen sich die beiden Leiter ab. ⇒ Mag

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Magnetfeld einer schlanken Spule

Dieser Abschnitt behandelt das Magnetfeld einer schlanken Spule. Experimente zeigen, dass die magnetische Flussdichte B proportional zur Windungszahl n, zur Stromstärke I und umgekehrt proportional zur Spulenlänge l ist:

B ~ (n * I) / l

Definition: In einer schlanken Spule (lang gestreckt und gerade) ist die magnetische Flussdichte annähernd konstant und das Magnetfeld homogen.

Die magnetische Flussdichte in einer schlanken Spule wird durch folgende Formel beschrieben:

B = μ0 * (n / l) * I

Dabei ist μ0 die magnetische Feldkonstante, eine Naturkonstante mit dem Wert:

μ0 = 1,257 * 10^-6 Tm/A = 1,257 * 10^-6 Vs/(Am)

Highlight: Magnetisierbare Stoffe (Eisen, Nickel, Cobalt) in der Spule verstärken das Magnetfeld um den Faktor μr, die Permeabilitätszahl.

Die allgemeine Formel für die magnetische Flussdichte in einer Spule mit Kern lautet:

B = μ0 * μr * (n / l) * I

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Magnetische Felder und Elektromagnetismus

Dieser Abschnitt führt in die Grundlagen magnetischer Felder und des Elektromagnetismus ein. Es wird gezeigt, dass zwei parallele stromdurchflossene Leiter sich abstoßen, was den Zusammenhang zwischen Elektrizität und Magnetismus verdeutlicht.

Definition: Ein Magnetfeld ist ein Raum, in dem auf magnetische Körper Kräfte wirken.

Magnetfelder werden von Magneten erzeugt, wie Stabmagneten, Hufeisenmagneten oder Elektromagneten. Jeder Magnet besitzt einen Nord- und einen Südpol, wobei sich gleichnamige Pole abstoßen und ungleichnamige anziehen.

Highlight: Es gibt keine magnetischen Monopole, was in der zweiten Maxwell-Gleichung ausgedrückt wird.

Magnetische Feldlinien verlaufen vom Nord- zum Südpol und sind immer geschlossen. Sie visualisieren die Struktur des Magnetfeldes.

Vocabulary: Homogenes Magnetfeld - Ein Magnetfeld mit parallelen, gleichmäßig verteilten Feldlinien.

Vocabulary: Inhomogenes Magnetfeld - Ein Magnetfeld mit ungleichmäßig verteilten Feldlinien.

Permanentmagnete können durch Hitze oder Erschütterung entmagnetisiert werden. Ferromagnetische Materialien wie Eisen, Nickel und Kobalt können magnetisiert werden.

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Stärke von Magnetfeldern und Lorentzkraft

In diesem Abschnitt wird die Stärke von Magnetfeldern und die Lorentzkraft behandelt. Ein Experiment zeigt, dass ein stromdurchflossener Leiter im Magnetfeld eine Kraft erfährt - die Lorentzkraft.

Definition: Die Lorentzkraft ist die Kraft, die auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld wirkt.

Die Richtung der Lorentzkraft kann mit der Drei-Finger-Regel der linken Hand bestimmt werden:

  • Daumen: Stromrichtung
  • Zeigefinger: Magnetfeldrichtung
  • Mittelfinger: Lorentzkraft

Highlight: Sind Stromrichtung und Magnetfeldrichtung parallel, wirkt keine Kraft.

Experimente zeigen, dass die Lorentzkraft proportional zur Stromstärke (Ip) und zur Leiterlänge (s) ist:

FL ~ Ip * s

Definition: Die magnetische Flussdichte B wird definiert als:

B = FL / (Ip * s * sin(φ))

Einheit: 1 Tesla = 1 T = 1 N/(A*m)

Die allgemeine Formel für die Lorentzkraft lautet:

FL = Ip * B * s * sin(φ)

wobei φ der Winkel zwischen Leiter und Magnetfeldlinien ist.

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Das Erdmagnetfeld

Dieser Abschnitt behandelt das Erdmagnetfeld. Die Erde besitzt ein schwaches Magnetfeld, das dem eines Stabmagneten ähnelt.

Definition: Das Erdmagnetfeld wird durch den sich bewegenden flüssigen äußeren Erdkern erzeugt.

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Definition: Die Deklination ist die Abweichung zwischen magnetischem und geografischem Nordpol.

  1. Inklination: Der Winkel, mit dem die Feldlinien auf den Erdboden treffen.

Definition: Die Inklination ist der Winkel, unter dem die Erdmagnetfeldlinien auf die Erdoberfläche treffen.

Das Erdmagnetfeld wird durch den Vektor BE beschrieben, der in Richtung der Feldlinien zeigt. Dieser Vektor kann in einen horizontalen Anteil BH und einen vertikalen Anteil BV zerlegt werden.

Highlight: Die magnetischen Pole der Erde wandern leicht, da das Magnetfeld vom beweglichen flüssigen äußeren Erdkern erzeugt wird.

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Erzeugung von Magnetfeldern

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  • Daumen zeigt in Stromrichtung
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Bei einer stromdurchflossenen Spule überlagern sich die Magnetfelder der einzelnen Windungen zu einem großen Magnetfeld.

Highlight: Im Inneren einer Spule entsteht ein homogenes Magnetfeld, außen und am Rand ein inhomogenes Magnetfeld.

Die Polarität einer Spule entspricht der eines Stabmagneten, wobei der Nordpol dort ist, wo die Magnetfeldlinien aus der Spule austreten.

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FL = Ip * B * s * sin(φ)

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