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Magnetfeld eines geraden, stromdurchflossenen Drahtes 05:33 min

Textversion des Videos

Transkript Magnetfeld eines geraden, stromdurchflossenen Drahtes

Hallo und herzlich willkommen zu Physik mit Kalle. Wir wollen uns heute aus dem Themengebiet Elektrizität und Magnetismus, mit dem Magnetfeld eines geraden, stromdurchflossenen Drahtes beschäftigen. Für dieses Video solltet ihr bereits das Video über das magnetische Feld gesehen haben. Wir lernen heute: Ob tatsächlich, wie im Video über das magnetische Feld angekündigt, auch durch Stromfluss ein magnetisches Feld erzeugt wird und wie man überprüfen kann. Wie das magnetische Feld eines geraden, stromdurchflossenes Drahtes genau aussieht und zum Schluss noch eine einfache Regel, mit der ihr die Richtung der Felder bestimmen könnt und die genaue Formel für die Feldstärke des Magnetfeldes. So, dann mal los. Wir basteln uns erst einmal ein Experiment, mit dem wir nachprüfen können, ob durch Stromfluss wirklich ein Magnetfeld entsteht. Dazu brauchen wir eigentlich nur einen Draht, eine Spannungsquelle und eine Kompassnadel. Nun bauen wir das Ganze so auf, dass der Draht gerade ist und senkrecht zu der Ebene, in der sich die Kompassnadel dreht oder anders gesagt, stellt euch vor ihr steht, der Draht geht von eurer Nase zu eurem Zeh und den Kompass haltet ihr daneben in der Hand. Sobald ich nun Spannung an den Draht anlege, also sobald Strom fließt, kann ich nun folgendes beobachten. Die Kompassnadel dreht sich und zeigt nun nicht mehr nach Norden, sondern in eine andere Richtung, in die sie vom Magnetfeld des Drahtes gedrängt wird. Außer natürlich die beiden Richtungen sind genau die gleichen. Wir sehen also, fließender Strom erzeugt ein Magnetfeld. Und wie dieses Magnetfeld genau aussieht, das wollen wir uns im nächsten Kapitel ansehen. So, Zeit zum Rumprobieren. Als 1. möchte ich testen, was passiert, wenn ich meine Spannungsquelle umpole. Also, wenn ich sie einfach andersherum an meinen Draht anschließe. Dadurch fließt der Strom in die entgegengesetzte Richtung und das Ergebnis ist, die Kompassnadel zeigt genau in die entgegensetzte Richtung. Die Stromrichtung scheint also etwas mit der Richtung des Magnetfeldes zu tun zu haben. Als nächstes wollen wir mithilfe der Kompassnadel, die Richtung der magnetischen Kraft an verschiedenen Stellen des Feldes ausprobieren, um eine Ahnung davon zu bekommen, wie die Feldlinien ungefähr aussehen könnten. Der Südpol der Kompassnadel wird ja vom Nordpol unseres äußeren Magnetfelds angezogen, d.h. der Nordpol der Kompassnadel zeigt in die Richtung der Feldlinie. Das merken wir uns und bewegen die Kompassnadel nun vor den Draht. Hier zeigt die Kompassnadel nun nach rechts, das notieren wir uns ebenfalls und dann schieben wir die Kompassnadel weiter auf einen Punkt links vom Draht. Dort zeigt der Nordpol unserer Kompassnadel und damit auch die Feldlinienrichtung nach vorne. D.h. es sieht so aus, als würde die magnetische Kraft einen Kreis um unseren stromdurchflossenen Draht beschreiben.  Und genau das ist auch der Fall. Wir merken uns also: Durch üÜberprüfen mit einer Kompassnadel haben wir herausgefunden, die Feldlinien des Magnetfeldes, links seht ihr ein Bild davon, sind konzentrische Kreise. D.h. Kreise die den gleichen Mittelpunkt haben. Und dieser Mittelpunkt ist der Draht. Wir haben vorhin gesehen, dass bei entgegengesetzter Stromrichtung, auch die Kraft in die entgegengesetzte Richtung zeigt. Welche Richtung das ist und wie man sie vorher sagen kann und auch die Formel für die genaue Feldstärke, werden wir nun im letzten Kapitel genauer ansehen. Fangen wir mal an mit der Richtung des Magnetfeldes. Diese kann ich Voraussagen, sobald ich die Richtung des Stromflusses kenne. Ich benutze den physikalischen Stromfluss, d.h. die Richtung in die die Elektronen fließen, also von - nach +. Für diese Stromrichtung gilt die Linke-Hand-Regel. D.h. ich halte meinen Daumen in Richtung der physikalischen Stromrichtung, balle die anderen Finger zur Faust und dann zeigen meine Fingerspitzen  in die Richtung der magnetischen Feldlinien. Benutzt ihr statt der physikalischen, die technische Stromrichtung, also von + nach -, müsst ihr einfach nur die Linke durch die rechte Hand austauschen. Wir merken uns also, zeigt der Daumen der linken Hand in die physikalische Stromrichtung, so zeigen die anderen Finger in die Richtung der Feldlinien. Zum Schluss wollen wir noch mal kurz die Formel zur Magnetfeldstärke aufführen, die wir ja schon im Video zum magnetischen Feld kurz angesprochen hatten. Die magnetische Feldstärke H ist die Stromstärke I geteilt durch 2πr, wobei r der Abstand vom Draht ist. Wir haben gelernt: Stromfluss erzeugt ein Magnetfeld, was wir mit einer Kompassnadel auch nachgewiesen haben. Die Feldlinien des Magnetfeldes eines geraden, stromdurchflossenen Drahtes sind konzentrische Kreise um den Draht. Die Richtung der Feldlinien wird von der Linke-Hand-Regel bestimmt. Wenn man die Hand locker zur Faust ballt, den Daumen ausstreckt und mit ihm in Richtung der physikalischen Stromrichtung zeigt, so zeigen die Fingerspitzen der anderen Finger in die Richtung der Feldlinien. Die magnetische Feldstärke H, des so erzeugten Feldes, ist H= Stromstärke I geteilt durch 2πr, wobei r der Abstand vom Draht ist. So, das war es schon wieder für heute. Ich hoffe, ich konnte euch helfen. Vielen Dank fürs Zuschauen, vielleicht bis zum nächsten Mal, euer Kalle.

3 Kommentare
  1. Scheißdreck alla

    Von Noe K., vor fast 3 Jahren
  2. Super!! ich schreibe nächste woche einen test und habe vorher nichts verstanden!! danke danke danke :)

    Von Klewesn, vor mehr als 5 Jahren
  3. Danke für die Erklärung von physikalischer und technischer Stromrichtung! ENDLICH! Ich wusste es vorher nie.

    Von Tim W., vor fast 6 Jahren

Magnetfeld eines geraden, stromdurchflossenen Drahtes Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Magnetfeld eines geraden, stromdurchflossenen Drahtes kannst du es wiederholen und üben.

  • Gib die Wirkung eines stromdurchflossenen Drahtes auf eine Kompassnadel wieder.

    Tipps

    Wenn kein Strom durch den Draht fließt, dann zeigt die Kompassnadel in Richtung des magnetischen Nordpols der Erde.

    Lösung

    Der Däne Hans Christian Oersted machte 1820 eine merkwürdige Entdeckung. Sobald Strom durch einen Draht auf seinem Experimentiertisch floss, spielte sein Kompass verrückt. Oersted machte einige Versuche und entdeckte so das magnetische Feld eines elektrischen Stromes. Er stellte eine Kompassnadel parallel zu einem geraden Draht auf. Solange kein Strom fließt, bewegt sich die Kompassnadel nicht und zeigt zum magnetischen Nordpol der Erde. Sobald Strom fließt, ensteht ein Magnetfeld und die Kompassnadel richtet sich senkrecht zum Draht aus. Wenn der Strom umgepolt wird, dann richtet sich auch die Kompassnadel genau in die andere Richtung aus.

  • Gib an, welche Aussagen über die Linke-Hand-Regel stimmen.

    Tipps

    Bei der Linken-Hand-Regel wird der Daumen ausgestreckt, während die übrigen Finger zur Faust geballt werden.

    Lösung

    Wenn die physikalische Stromrichtung verwendet wird, dann dient die Linke-Hand-Regel der Bestimmung der magnetischen Feldlinien. Der Daumen der linken Hand zeigt in Richtung des elektrischen Stroms. Die Finger simulieren nun die Feldlinien, die als konzentrische Kreise um den stromdurchflossenen Leiter verlaufen.

  • Beschreibe die magnetischen Feldlinien eines stromdurchflossenen Drahtes.

    Tipps

    Feldlinien veranschaulichen die von einem Feld auf einen Probekörper ausgeübte Kraft.

    Lösung

    Mit Hilfe einer Kompassnadel lässt sich das magnetische Feld um einen stromdurchflossenen Draht herausfinden. Die Kompassnadel richtet sich innerhalb des Magnetfeldes immer so aus, dass sie entlang der Feldlinien liegt. Es zeigt sich, dass der Draht Feldlinien in der Form von konzentrischen Kreisen ausbildet. Wenn der Strom im Draht umgepolt wird, dann zeigen auch die Feldlinien in die entgegengesetzte Richtung.

  • Berechne die erforderliche Stromstärke.

    Tipps

    Verwende die Formel der magnetischen Feldstärke um einen stromdurchflossenen Leiter.

    Die Formel zur Bestimmung der magnetischen Feldstärke lautet: $\begin{align} H=\frac{I}{2 \pi \cdot r} \end{align}$.

    Vergiss nicht die Einheit (kA) anzugeben.

    Lösung

    Die Formel zur Bestimmung der magnetischen Feldstärke lautet:

    $\begin{align} H=\frac{I}{2 \pi \cdot r} \end{align}$

    Umgestellt nach $I$ und die Werte eingesetzt ergibt sich:

    $\begin{align} I &=H \cdot 2 \pi \cdot r\\ &\Rightarrow 2000000 \, \frac{A}{m} \cdot 2 \pi \cdot 0,02 \, m \\ &= 251327 \,A \\ &\approx 251,33 \, kA\\ \end{align}$

    Wie du siehst, benötigt ein MRT einen sehr hohen Strom.

  • Bestimme die Richtung der Feldlinien.

    Tipps

    Es gilt die physikalische Stromrichtung. Die Elektronen bewegen sich vom Minus- zum Pluspol.

    In diesem Fall muss die Linke-Hand-Regel verwendet werden.

    Lösung

    Zu sehen ist eine rechteckige Leiterschleife, die an einer Stromquelle angeschlossen ist. Die Flussrichtung ist markiert und führt vom Minus- zum Pluspol. Da also die physikalische Stromrichtung verwendet wird, kann die Linke-Hand-Regel verwendet werden um die Richtung der magnetischen Feldlinien zu ermitteln. Dazu wird der Daumen der linken Hand in Stromrichtung gehalten, wobei die anderen Finger eingeklappt sind und zur Faust geballt sind. Die Fingerspitzen zeigen uns nun die magnetischen Feldlinien an.

  • Berechne die magnetische Feldstärke.

    Tipps

    Verwende die Formel zur Bestimmung der magnetischen Feldstärke um einen stromdurchflossenen Leiter.

    Die Formel lautet: $\begin{align} H=\frac{I}{2\pi \cdot r} \end{align}$.

    Lösung

    Die Formel zur Berechnung der Feldstärke $H$ um einen stromdurchflossenen Leiter lautet:

    $\begin{align} H=\frac{I}{2\pi \cdot r} \end{align}$

    $I$ ist dabei die Stromstärke und $r$ der Radius und somit der Abstand zum Draht. Wir setzen ein:

    $\begin{align} H &=\frac{2\,A}{2\pi \cdot 0,15\,m}\\ &\approx 2,12 \frac{A}{m} \end{align}$