Elektrischer Strom und Magnetfeld
„Magnetfelder haben mit Bewegung zu tun“
Inhalt
• Stromstärke
• Stromdichte
• Strom und magnetisches Feld
• Die Lorentzkraft
• Definition der magnetischen Feldstärke
Elektrischer Strom
• Quotient, Zähler: Die in einem Zeitintervall transportierte elektrische Ladung, Nenner: Zeitintervall
• Die Stromstärke ist eine skalare Größe
• Versuch: Feldlinien um einen stromdurchflossenen Leiter
Das Magnetfeld von Strömen
Magnetische Feldlinien
Richtung des Stromflusses
• Versuch: Stromdurchflossener Leiter und Kompassnadel
Jeder Strom ist von einem Magnetfeld
umgeben
Um Strom führende Leitungen liegt ein Magnetfeld!
SI-Einheit Anmerkung
1 A = 1 C/s
„1 Ampère“
Elektrische Stromstärke, “Elektrischer Strom“
1 s Zeitintervall
1 CTransportierte Ladung
Elektrische Stromstärke
t
QI
tQ
Stromstärke Quotient: Zähler Ladung, Nenner Zeit
SI-Einheit Anmerkung
1 A / m2 Elektrische Stromdichte
1 A Stromstärke
1 m2
Vom Strom durchflossene Fläche
Elektrische Stromdichte
A
IJ
I
A
Stromdichte Quotient: ZählerStromstärke, Nenner Fläche
Größe
Si-Einheit
Zeichen Name Definition
Elek-trische Strom-stärke
A Ampere
Die Stromstärke in zwei parallel zueinander angebrachten Leitern im Abstand von 1m beträgt 1 A, wenn die Ströme, bezogen auf die Länge 1m, die Kraft 2 .10-7 N aufeinander ausüben
Grundgröße der Elektrizitätslehre
Kraftgesetz zwischen zwei Strom durchflossenen Leiterstücken
Formal analog zur Coulomb-Kraft für ruhende Ladungen
Biot-Savart Gesetz Coulomb-Gesetz
20
4 r
lIlIF
221
04
1
r
qqF
I
F steht für die Kraft zwischen zwei im Abstand r parallel zueinanderliegenden stromdurchflossenen Leiterstücke der Länge l
l
I
FF
Abstand r
Kraft zwischen zwei Strom durchflossenen Leiterstücken
Ziehen sich bei Strom in Gleichrichtung an
Zwei im Abstand r parallel zueinanderliegende stromdurchflossene Leiterstücke stoßen sich bei Strom in Gegenrichtung ab
I
F
I
F
I
F
I
F
Spezielle Eigenschaft des Magnetfelds:
Die Lorentzkraft
• Auf eine in einem Magnetfeld B mit Geschwindigkeit v bewegte Ladung q, also auf Ströme, wirkt eine Kraft, die „Lorentzkraft“ F
• Diese Kraft steht senkrecht zu der Geschwindigkeit und zu der magnetischen Feldstärke
Zentripetalkraft = Lorentzkraft
Zentrifugalkraft
Geladene Teilchen bewegen sich im Magnetfeld auf Kreisbahnen
FB v
Einheit
1 N Lorentzkraft
1 C Ladung
1 m/s Geschwindigkeit
1 T Magnetfeldstärke
Lorentzkraft bei Bewegung senkrecht zur Feldstärke
BvqF q
B
v
Geladene Teilchen bewegen sich im Magnetfeld auf KreisbahnenFB v
Einheit
1 N Lorentzkraft
1 C Ladung
1 m/s Geschwindigkeit
1 T Magnetfeldstärke
Lorentzkraft, vektoriell
BvqF
q
Bv
FB v
• Versuch: Stromdurchflossener Leiter in einem starken Magnetfeld
Eine Strom führende Leitung wird aus dem Magnetfeld gedrängt
Einheit
B = F / ( v · q )
1 Vs/m2
= 1 T
(1 Tesla)
Magnetische Feldstärke
F 1 NKraft auf eine mit Geschwindigkeit v senkrecht zum Feld bewegte Ladung
v 1 m/s Geschwindigkeit
q 1 C Elektrische Ladung
Die magnetische Feldstärke
Richtung der Kraft: Lorentz Kraft
Anwendung im EKG von Einthoven (1903)
Nobelpreis 1924
Quelle für Bild und Text, mit freundlicher Genehmigung des Autors: http://www.grundkurs-ekg.de/
Zusammenfassung• Elektrische Stromstärke: Quotient, transportierte
Ladung Q durch Zeit t : I = Q / t [A]• Stromdichte: Quotient Stromstärke durch vom Strom
durchflossene Fläche: J = I / A [A/m^2] • Jeder Strom ist von kreisförmigen Magnetfeldlinien
umgeben• An einem Ort mit magnetischer Feldstärke B wirkt
auf eine mit Geschwindigkeit v bewegte Ladung Q eine Kraft F = v · Q · B [N]– Richtung der Kraft („Lorentzkraft“) für eine positive Ladung:
Senkrecht sowohl zu B als auch zu v (Rechte Hand Regel)• Magnetische Feldstärke: Quotient B = F / (v · Q) [T]
– Zähler: Lorentzkraft auf die bewegte Ladung– Nenner: Ladung mal Geschwindigkeit
Einthovens EKG mit Saitengalvanometer (1903)
finis
Magnetfeld
(Prinzip, Signal stark vereinfacht)
Die Lorentzkraft bewegt den
Draht, abhängig
vom Stromfluss
