Aufg. 1 Lösung Elektrischer Strom erzeugt ein Magnetfeld

ForscherInnenwerkstatt Physik
Graz, 11-2015
Aufgabe 1
Elektrischer Strom erzeugt ein Magnetfeld
Lösung:
Zur Erklärung benötigt man diese physikalischen Begriffe:
Magnetfeld eines Stromes − Feldlinien einer Spule − Kompass − Magnetfeld der Erde
1. Senkrechter, gerader Draht:
Das Magnetfeld der Erde stört bei diesem Versuch. Daher muss das Magnetfeld des Drahtes entsprechend
stark sein (Stromstärke im Draht I = 5 Ampere!) und die Magnetnadel nahe beim Draht sein. Die Magnetnadel wird abgelenkt und weist immer senkrecht zur Richtung Magnetnadel – Draht. Fährt man mit der
Magnetnadel um den Draht herum, dreht sich auch die Magnetnadel einmal herum. Kehrt man die Stromrichtung um, dreht sich die Magnetnadel um 180° . Siehe Abb. 1
Abb. 1 Magnetfeld eines geraden Leiters
2. Ein um den Kompass gewickelter Draht:
Abb. 2 Magnetfeld einer Spule
Abb. 3
Das Magnetfeld einer Spule entspricht dem eines Stabmagneten mit einem N- und Südpol. Wo der Nordpol
und der Südpol liegt, hängt von der Stromrichtung und vom Wicklungssinn ab. Die Feldlinien laufen im
Inneren der Spule vom Südpol zum Nordpol und außen wieder zurück. Die Magnetnadel stellt sich im Inneren der Spule parallel zu den Magnetfeldlinien. Weil das Magnetfeld im Inneren der Spule wesentlich größer
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ist als das der Erde, treten Störungen in der Ausrichtung der Magnetnadel nur bei sehr schwachen Strömen
auf.
3. Eine Spule mit Eisenkern:
Die Form des Magnetfeldes bleibt gleich wie bei 2. , es wird allerdings durch den Eisenkern deutlich verstärkt. An den Spulenenden bzw. am Ende des Eisenstabes (den Polen des Elektromagneten) ist das Feld
besonders stark. Es nimmt mit zunehmender Entfernung schnell ab.
Bemerkungen
Die Existenz des Magnetfeldes eines Stromes wurde erstmals vom dänischen Physiker Hans Christian
Ørsted (1777-1851) entdeckt. Es wird berichtet, dass er diese Entdeckung zunächst zufällig gemacht hat. Er
soll während einer Physik-Vorlesung vor Studierenden mit dem elektrischen Strom experimentiert haben
und bei einer zufällig in der Nähe liegenden Magnetnadel plötzlich eigenartige Bewegungen bemerkt haben.
Danach begann er mit exakten Untersuchungen und Messungen. Man kann diese Entdeckung als den Beginn
des Elektromagnetismus bezeichnen. Ihm zu Ehren wurde die Einheit der magnetischen Feldstärke im Gauß1000 A
schen Maßsystem (cgs-System) benannt: Ein Oersted (1 Oe) entspricht
.
4π m
Auf Grund der Definition der Magnetfeldrichtung weist eine Magnetnadel mit ihrem Nordpol nach Norden.
Da sich ungleichnamige Pole anziehen, hat also die Erde in der Nähe des geografischen Nordpols einen
magnetischen Südpol. Die Position der Magnetpole der Erde ändert sich langsam. Es hat Zeiten gegeben, in
denen der magnetische Nord- und Südpol ihre Position vertauscht haben. Auch die Stärke des Erdmagnetfeldes ändert sich. Es hat zwischen den Umpolungen über mehrere tausend Jahre Zeiten ohne merkbares Magnetfeld gegeben. Die Geologen haben dies bei Untersuchungen über die Ausrichtung von magnetischen Partikeln in Sedimentschichten nachgewiesen.
Quellenangabe:
Physikalische Freihandexperimente, 1997, Aulis-Verlag, D 85399 Hallbergmoos
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