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Magnetfeld von Spulen 07:00 min

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Transkript Magnetfeld von Spulen

Hallo. Ich bin Georg. Und heute schauen wir uns einmal das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule an. Die Darstellung des Magnetfeldes der Spule gelingt uns dabei mithilfe des Feldlinienmodells. Für ein besseres Verständnis, starten wir mit dem Magnetfeld eines Permanentmagneten, gehen dann weiter zum Magnetfeld eines geraden Leiters und kommen über das Magnetfeld eines Ringes schließlich zum Magnetfeld einer Spule. Ein Permanentmagnet hat einen Nordpol und Südpol. Dabei verlaufen die Feldlinien außerhalb des Magneten per Definition vom Nordpol zum Südpol. Über das Feldlinienmodell können wir nun beschreiben, wie sich zum Beispiel eine Magnetnadel im Magnetfeld ausrichten würde. Sie richtet sich immer tangential zu den Feldlinien aus. Das Besondere an den magnetischen Feldlinien ist, dass diese immer geschlossen sind, also nie irgendwo enden. Das sieht hier auf den ersten Blick zwar nicht so aus, aber könnten wir in den Magneten hineinschauen, stellen wir fest, dass die Feldlinien in seinem Inneren vom Südpol zum Nordpol verlaufen. Weiterhin schneiden sich Feldlinien nie. Und ihre Dichte ist proportional zur Stärke des Feldes. Bevor wir zum Magnetfeld einer Spule kommen, schauen wir uns zunächst das Magnetfeld eines geraden Leiters an. In der Schule hast Du vielleicht schon solche Stromkreise behandelt. Dabei fließt aus technischer Sicht der Strom durch ein Kabel oder einen Draht vom Pluspol über einen Verbraucher zum Minuspol. Wenn wir uns die Stromrichtung jedoch aus physikalischer Sichtweise anschauen, so bewegen sich in einem metallischen Leiter, ja nur die negativ geladenen Elektronen. Wenn wir nun eine Spannung anlegen, so bewegen sich die Elektronen immer vom Minuspol zum Pluspol. Bei unseren weiteren Betrachtungen wollen wir diese physikalische Stromrichtung beibehalten. Es fließt also ein Elektronenstrom von Minus nach Plus. Nun ist es so, dass elektrisch geladene Teilchen in unserem Draht bei Bewegung ebenfalls ein magnetisches Feld erzeugen. Dieses Feld baut sich ringförmig um den Draht auf. Wir zeichnen auch hier wieder unsere Feldlinien ein. Doch in welche Richtung zeigen sie? Es gibt hier weder Nordpol noch Südpol. Die Antwort auf diese Frage führt uns zur „Linken-Faust-Regel“. Mithilfe der Linken-Faust-Regel kannst Du ganz schnell angeben, in welche Richtung das Magnetfeld orientiert ist, wenn Du die physikalischen Stromrichtungen kennst. Dabei zeigt Dein Daumen in Richtung des physikalischen Stroms, also in die Bewegungsrichtung der Elektronen im Draht. Das Magnetfeld ist nun in der gleichen Richtung orientiert, in die Deine Fingerspitzen zeigen, wenn Du Deine Faust etwas öffnest. Doch Vorsicht: In der Technik ist die Stromrichtung entgegengesetzt definiert. Das heißt, der Pfeil für den Strom weist vom Plus- zum Minuspol. Willst Du bezüglich dieses Pfeils die Richtung des Feldes angeben, so musst Du anstatt der linken Hand, die rechte Hand nehmen, denn dann bleibt die Orientierung des Magnetfeldes gleich. Ich merke mir dies mit der Eselsbrücke „Physik“ also „Links“. Kommen wir nun zum Magnetfeld eines Ringes. Wir haben einen stromdurchflossenen Draht, mit dem dazugehörigen Magnetfeld. Diesen Draht biegen wir jetzt einmal zu einem Ring. Was passiert mit unserem Magnetfeld? Es bleibt für jedes einzelne Drahtstück nahe des Drahtes unverändert. In der Mitte jedoch, werden die Feldlinien zusammengedrückt. Warum ist das so? In unserem Feldlinienmodell zur Beschreibung der magnetischen Wechselwirkung haben wir gesagt, Feldlinien schneiden sich nie. Vom Modell her können die Feldlinien also gar nicht anders, als immer dichter zusammenzurücken. Weiterhin ist die Dichte der Feldlinien proportional zur Stärke des Feldes. Eine große Dichte an Feldlinien bedeutet also auch immer ein starkes Magnetfeld. Nun drehen wir den Draht weiter zusammen und formen daraus eine Spule. Wie sehen jetzt die Feldlinien im Inneren dieser Spule aus? In der Nähe des Drahtes haben wir wieder ringförmige Linien. Hier an diesen Stellen fangen die Feldlinien an, sich zu verbinden und in der Mitte laufen sie nahezu parallel zueinander. Solche Felder, bei denen die Feldlinien parallel verlaufen, werden „homogene Felder“ genannt. Die Stärke dieses Feldes kannst Du übrigens über die Stärke des Stroms I, die Länge der Spule L und über die Anzahl der Windungen berechnen. B = My((NI)/l). Das Formelzeichen „B“ ist die magnetische Flussdichte. Manchmal wird es auch fälschlich als magnetische Feldstärke bezeichnet, was jedoch nicht richtig ist. Die magnetische Feldstärke hat eigentlich das Formelzeichen „H“. „My“ ist hierbei die Permeabilität. Wir sehen auch, je größer die Anzahl der Windungen ist oder je höher der Strom ist, desto stärker ist das dadurch erzeugte magnetische Feld B. Und je länger die Spule ist, desto schwächer ist das dadurch erzeugte magnetische Feld B. Wenn wir jetzt etwas weiter weggehen und uns das Feld außerhalb der Spule anschauen, dann erkennst Du vielleicht etwas wieder. Das Feld einer Spule ähnelt genau dem Feld, wie Du es von einem Permanentmagneten kennst. Insbesondere können wir jetzt auch bei der Spule einen Nordpol und Südpol einzeichnen. Damit sage ich Tschüss und bis zum nächsten Mal.

7 Kommentare
  1. Hallo Swetlana C,
    die magnetische Feldstärke besitzt das Formelzeichen H. Für die Feldstärke spielt zudem der Durchmesser der Spule eine Rolle. In der Schule wird aber häufig nur die Flussdichte B berechnet und diese als magnetische Feldstärke bezeichnet.

    Liebe Grüße aus der Redaktion

    Von Karsten Schedemann, vor 7 Monaten
  2. 6:00 Oben steht als Überschrift Feldstärke, darunter die Formel für die Flussdichte, also B und der Sprecher sagt auch noch, dass das nicht die Feldstärke, sondern Flussdichte ist. ???

    Von Swetlana C., vor 7 Monaten
  3. Sehr gut erklärt, nur die Permeabilität bleibt etwas im Unklaren.

    Von Krifka, vor mehr als einem Jahr
  4. Aha! Jetzt bin ich ein bisschen schlauer . Danke!!!

    Von Jeremias Bolanos Mamani, vor mehr als 2 Jahren
  5. 3:40 Stromleitung

    Von Nadjaulms, vor mehr als 3 Jahren
  1. super erklärt!

    Von Al Chouli 1, vor mehr als 3 Jahren
  2. Sehr schön!!! :)

    Von Angelikaklemm, vor fast 5 Jahren
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Magnetfeld von Spulen Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Magnetfeld von Spulen kannst du es wiederholen und üben.

  • Bestimme die physikalische und technische Stromrichtung.

    Tipps

    Überlege dir die Unterschiede zwischen der technischen und physikalischen Stromrichtung.

    Die physikalische Stromrichtung hat mit der Bewegungsrichtung der Elektronen zu tun.

    Lösung

    In der physikalischen Stromrichtung bewegen sich die Elektronen von Minus nach Plus. Damit ist die physikalische Stromrichtung ein Massenstrom, der die Bewegungsrichtung der Ladungsträger beschreibt. Der Begriff der technischen Stromrichtung ist historisch bedingt und beschreibt entsprechend der Feldlinienrichtung des elektrischen Feldes die Stromrichtung von Plus nach Minus.

  • Beschrifte die einzelnen Größen der Formel.

    Tipps

    Von welchen Größen hängt die magnetische Flussdichte in einer Spule ab?

    Welche Rolle spielen die Windungen?

    Lösung

    B: magnetische Flussdichte µ: Permeabilität I: Stromstärke N: Anzahl der Windungen l: Länge der Spule

    Die magnetische Flussdichte B (und damit das Magnetfeld) wird also stärker, je größer die Stromstärke I ist und je mehr Windungen N die Spule besitzt (denn diese physikalischen Größen stehen im Zähler). Das Magnetfeld wird auch stärker, je kürzer die Spule ist (denn die Länge l steht im Nenner).

  • Entscheide, in welche Richtung sich die Kompassnadel bewegen wird.

    Tipps

    Achte auf die Stromrichtung!

    Wie verhält sich das Magnetfeld einer Spule?

    Das Magnetfeld einer Spule verhält sich außerhalb wie das Magnetfeld eines Permanentmagneten.

    Lösung

    Bei diesen Entscheidungen liegt der Ørsted-Versuch zugrunde. Hans Christian Ørsted war ein dänischer Physiker und Chemiker und entdeckte 1820 die magnetische Wirkung eines stromdurchflossenen Leiters. Hierbei stellte er fest, dass sich die Kompassnadel stets nach dem Magnetfeld des stromdurchflossenen Leiters ausrichtet. Er verwendete für den Versuch keine Spule, sondern einen einzelnen Draht. Dort entsteht ein ringförmiges Magnetfeld um den Leiter nach der linken bzw. rechten Faust-Regel.

  • Gib die Eigenschaften des Feldlinienmodells an.

    Tipps

    In welche Richtung zeigen die magnetischen Feldlinien?

    Welche Eigenschaften besitzen magnetische Feldlinien?

    Wie sehen die magnetischen Feldlinien eines Permanentmagneten aus?

    Lösung

    Die Eigenschaften von magnetischen Feldlinien werden mit dem Feldlinienmodell beschrieben. Magnetische Feldlinien:

    • zeigen außerhalb des Magneten vom Nordpol zum Südpol,
    • sind immer geschlossen und schneiden sich nie
    • und die Stärke des Magnetfeldes ist proportional zur Dichte der magnetischen Feldlinien.

  • Wende das Feldlinienmodell an.

    Tipps

    Welche Bedeutung haben die eingefärbten Bereiche des Magneten?

    In welche Richtung zeigen Magnetfeldlinien?

    Der Nordpol wird rot eingefärbt und der Südpol grün (manchmal auch blau).

    Welche "Hand-Regel" kannst du verwenden, um die Richtung des Magnetfeldes einer Spule herauszufinden?

    Lösung

    Die Magnetfeldlinien zeigen vom Nordpol zum Südpol. Im Inneren des Stabmagneten und der Spule verlaufen die Feldlinien parallel.

    Um die Richtung des Magnetfeldes in einer Spule zu bestimmen, kann die „Linke-Faust-Regel" oder die „Rechte-Faust-Regel" verwendet werden. Achte darauf, dass die „Linke-Faust-Regel" für die physikalische Stromrichtung, d.h., für die Bewegungsrichtung der Elektronen (also vom Minuspol zum Pluspol) verwendet wird. Die „Rechte-Faust-Regel" wird zur Beschreibung der technischen Stromrichtung verwendet: also vom Pluspol zum Minuspol. Eselsbrücke: Physik $\rightarrow$ links

  • Berechne die magnetische Flussdichte.

    Tipps

    Die magnetische Flussdichte wird in Tesla ($\text{T}$) angegeben.

    Die Länge der Spule $l$ und die Anzahl der Windungen $N$ können aus der Skizze entnommen werden.

    Achte auf die richtigen Einheiten. Jeder Wert sollte in SI-Einheiten gerechnet werden. Zum Beispiel Längen in Metern (m).

    Lösung

    Gegeben: Anzahl der Windungen: $N = 10$ (aus der Skizze)
    Länge der Spule: $l = 4 \text{cm} = 0,04 \text{m}$ (aus der Skizze)
    Stromstärke: $I = 50 \text{A}$
    Permeabilität: $\mu =4 \pi \cdot 10^{-7} \frac{\text{m} \cdot \text{kg}}{\text{s}^2 \cdot \text{A}^2}$
    Alle Größen befinden sich nun in SI-Einheiten.

    Gesucht: Die magnetische Flussdichte $B$.

    Rechnung: Die Formel zur Berechnung der magnetischen Flussdichte lautet:
    $B = \mu\cdot \frac{I \cdot N}{l}$.
    Alle benötigten Größen sind gegeben, also setzen wir diese (mit den Einheiten!) in die obige Formel ein: $B = 4 \pi \cdot 10^{-7} \frac{\text{m} \cdot \text{kg}}{\text{s}^2 \cdot \text{A}^2} \frac{50 \text{A} \cdot 10}{0,04 \text{m}} \approx 0,016 \text{T}$.

    Antwortsatz: Die magnetische Flussdichte beträgt $B \approx 0,016 \text{T}$.