Elektromagnetische Gesetze

Physikalische Gesetze des
Elektromagnetismus
BBS Lüchow
Hergen Scheck
03/2008
Coulombkraft (1785)
E
Q
+
F
F=Q*E
• Elektrische Ladungen Q erzeugen elektrische Felder E.
• Elektrische Felder verursachen Kräfte auf elektrische Ladungen.
• Bei positiven elektrischen Ladungen zeigt die Kraft F in Richtung der
Feldlinien.
Ampéresches Gesetz (1825)
B = µ0*µr*I/2r
Q
B
+
v
• Bewegte elektrische Ladungen (Ströme) erzeugen
magnetische Felder.
• Die Feldlinien des Magnetfeldes verlaufen kreisförmig
entsprechend der Rechtsschraubenregel.
(bei geradem Leiter)
Lorentzkraft (1892)
B
F=Q*vxB
v
Q
+
x
F in das Blatt hinein
• Magnetische Felder verursachen Kräfte auf Ströme, die sich
senkrecht zu den Feldlinien bewegen.
• Die Kraft F steht entsprechend der Dreifingerregel senkrecht zu den
Vektoren B und v.
Faradaysches Induktionsgesetz (1)
(1831)
B
nach rechts hin abnehmend
(wenn A=const.)
dB/dt
I
U = -dB/dt * A
F1
F2
v
Leiterschleife
(Fläche A, Ebene senkrecht zu Magnetfeld B)
• In einer Leiterschleife, die sich durch ein inhomogenes Magnetfeld bewegt, wird eine
Spannung U induziert. Dies lässt sich im Prinzip mit den unterschiedlichen Lorentzkräften
(F1 und F2 im linken und rechten Teil der Schleife) erklären.
• Der Strom I baut ein Magnetfeld auf, das der zeitlichen Änderung von B (=dB/dt)
entgegengerichtet ist (auch hier gilt eine Rechtsschraubenregel).
• Die Wechselwirkung der beiden Magnetfelder bremst die Leiterschleife ab.
Faradaysches Induktionsgesetz (2)
B
(zeitlich veränderlich,
hier abnehmend)
E
U = -dB/dt * A
dB/dt
I
Leiterschleife
(unbewegt)
• Allgemein gilt: Eine Änderung der Magnetfeldstärke bewirkt eine Kraft auf
elektrische Ladungen. Auch hier wird daher eine Spannung U induziert, der sich
gegen die Änderung des Magnetfelds richtet.
• Es ist dabei egal, ob sich die Ladung durch ein inhomogenes Magnetfeld bewegt
oder ob sie in einem sich zeitlich ändernden Magnetfeld befindet.
• Um das Magnetfeld herum entstehen ringförmige elektrische geschlossene
Feldlinien (elektrisches Wirbelfeld).
Maxwells Ergänzung (1864)
E
B
(zeitlich veränderlich,
hier abnehmend)
dE/dt
• So wie ein zeitlich veränderliches magnetisches Feld ein elektrisches Wirbelfeld
erzeugt, erzeugt auch ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld ein
magnetisches Wirbelfeld.
• Dieser Effekt ist für die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen wichtig.
• Man kann ihn nur bei hohen Frequenzen beobachten. Maxwell sagte ihn aus
theoretischen Gründen vorher, erst Heinrich Hertz konnte ihn 1884 experimentell
beweisen.
Zusammenfassung (1)
 Wechselwirkungen Felder/Materie:
 Elektrische Felder und elektrische Ladungen:
 Elektrische Ladungen erzeugen elektrische Felder.
 Elektrische Felder bewirken Kräfte auf elektrische
Ladungen. (Coulombkraft)
 Magnetfelder und elektrische Ladungen:
 Bewegte elektrische Ladungen erzeugen Magnetfelder.
 Magnetfelder bewirken Kräfte auf bewegte elektrische
Ladungen. (Lorentzkraft)
Zusammenfassung (2)
 Wechselwirkungen der Felder:
 Zeitlich veränderliche Magnetfelder:
 Sie erzeugen elektrische Felder mit geschlossenen
Feldlinien (Wirbelfelder).
 Die dabei induzierte Ströme bewirken ein induzierte
Magnetfelder, die dem erzeugenden Magnetfeld
entgegenwirken.
 Zeitlich veränderliche elektrische Felder:
 Sie erzeugen magnetische Felder mit geschlossenen
Feldlinien (Wirbelfelder).
 Die dabei entstehenden zeitlich veränderlichen
magnetischen Felder erzeugen wiederum zeitlich
elektrische Felder usw. Hierdurch ist eine Ausbreitung
elektromagnetischer Wellen möglich.