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.