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Magnetische Feldstärke

Allgemeines

Die magnetische Feldstärke ist einer der wesentlichen (physikalischen) Größen im Themenfeld "Magnetismus". Die magnetische Feldstärke beschreibt die Stärke eines Magnetfeldes. Nachfolgend betrachten wir uns die physikalische Größe "magnetische Feldstärke", die mit dem Buchstaben "H" symbolisiert wird

Magnetische Feldstärke

Hat man einen elektrischen Leiter (z.B. einen Draht), in dem eine Ladungsbewegung stattfindet, so "bildet" sich um diesen Leiter herum ein magnetisches Feld und wirkt auf die Umgebung eine (magnetische) Kraft aus. Wie wir (auch aus den Vorkapiteln) wissen, laufen die Feldlinien vom magnetischen Nordpol aus zum magnetischen Südpol. Die magnetischen Kräfte eines stromdurchflossenen Leiter können durch ein magnetisches  Feld beschrieben werden. Wie stark dieses Magenfeld ist, kann man berechnen: magnetische Feldstärke H.

Nachfolgend sind die Berechnungen der magnetischen Feldstärke für die beiden wichtigsten "Fälle" dargestellt. Die magnetische Feldstärke um einen stromdurchflossenen geraden Leiter und die Feldstärke in einer stromdurchflossenen Spule.


Magnetische Feldstärke in einem geraden Leiter

Feldstärke stromdurchflossener Leiter


Der Fall des gradlinigen, elektrischen Leiter, in dem eine Ladungsbewegung stattfindet, ist relativ einfach. Um diesen Leiter herum entsteht ein magnetisches Feld, mit einer gewissen Stärke. Messen wir die Intensität dieses Feldes im Abstand zum Leiter, so bemerken wir, dass die Feldstärke radial abnimmt, das heißt, die magnetische Feldstärke verringert sich mit zunehmender Entfernung vom stromdurchflossenen Leiter. Zusätzlich wissen wir, dass die magnetische Wirkung eines stromdurchflossenen Leiter (siehe beispielsweise bei einem Elektromagneten vom Stromfluss abhängig ist). D

Daher können wir nun folgende Formel zur Berechnung der magnetischen Feldstärke H um einen stromdurchflossenen Leiter herleiten:

Mag. Feldstärke in einem Leiter
Anmerkungen:

  • Viele glauben in einer ersten Vermutung, dass die magnetische Feldstärke in einem stromdurchflossenen Leiter am größten ist. Mit Hilfe dieser Formel könnte man diese Vermutung bestätigen, aber ... in einem stromdurchflossenen, elektrischen Leiter hat die magnetische Feldstärke im Mittelpunkt des Leiters den Wert Null. Die magnetische Feldstärke weist daher am Rand des Leiters den maximalen Wert der Feldstärke aus.
Zur Erinnerung: Ein Stabmagnet zeigt in der Mitte auch keine magnetische Wirkung. Ein Stabmagnet hat an den Enden jeweils einen Pol, an denen ihre magnetische Wirkung besonders stark ist. Dies zeigt sich auch, wenn du die Anziehungskraft eines Stabmagneten auf ein ferromagnetisches Material testet. Dabei wirst du feststellen, dass die magnetische Wirkung nicht an allen Stellen dieselbe ist, sondern nimmt von beiden Enden aus zur Mitte hin ab, wodurch uns die Mitte eines Stabmagneten als "unmagnetisch" vorkommt.

  • Die magnetische Feldstärke ist ein Vektor und hat eine Richtig. In welche Richtung verlaufen nun die Feldlinien?

In einem stromdurchflossenen (geraden) Leiter verlaufen die Feldlinien senkrecht zum  Leiter mit konzentrischen  Kreisen  um  den  Leiter
herum. Da ein Magnetfeld immer rechtswendig seiner Ursache wirkt, wendet man zur Bestimmung der Feldlinien die "Linke-Hand-Regel" an: Daumen (der linken Hand) in Richtung des fließenden Stromes, dann weisen die gekrümmten Finger in Richtung des Magnetfeldes um den Leiter. Achtung hierbei, dass die technische und die (physikalische bzw. elektrische) Stromrichtung nicht verwechselt wird.. Die technische Stromrichtung geht vom positiven zum negativen Spannungspol, hierfür benutzt man die "Rechte Hand" zur Bestimmung des Magnetfeldes.




Magnetische Feldstärke in einer Spule

Eine Spule bedeutet, dass die Leitung (oft ein Draht)  in vielen Windungen (wie Schleifen) übereinander gewickelt ist. Dadurch wirkt jede einzelne Wicklung wie ein kreisförmiger Leiter, wobei sich die einzelnen Magnetfelder zu einem gesamten Feld überlagern. Daher ähnelt das Magnetfeld  einer  stromdurchflossenen  Spule   dem   einer   stromdurchflossenen Leiterschleife (kein gerader Leiter, sondern ein kreisförmiger).




Der Fall des schleifenförmigen, elektrischen Leiter, in dem eine Ladungsbewegung stattfindet, ist etwas komplizierter (aber auch nicht viel schwieriger). Wir wissen beispielsweise, dass die Stärke eines Feldes um einen durchflossenen Leiter mit zunehmender Stromstärke steigt das gilt in diesem Fall wie auch beim geraden Leiter). Je größer die Stromstärke ist, die durch den Leiter fließt, desto stärker ist das Magnetfeld innerhalb der Spule. Aus dem Kapitel "Aufbau eines Elektromagneten" kennen wir, dass bei einer Spule die Windungszahl auch einen erheblichen Einfluss auf die Feldstärke hat. Je mehr Windungen eine Spule hat, desto höher ist die magnetische Feldstärke. Wie im Kapitel "Aufbau von Magneten" erläutert, erzeugt jeder stromdurchflossene Leiter ein Magnetfeld. In einer Spule hat man nun mehrere Leiter schraubenförmig übereinander angeordnet, so dass sich die magnetische Feldstärke der einzelnen Leiter gegenseitig verstärken. Eine Einfluss-Größe haben wir noch vergessen (die man im ersten Augenblick immer vergisst), es ist die Länge der Spule. Dies kann man sich mit Hilfe eines Experimentes klarmachen:

Was passiert, wenn man die Anzahl der Windungen einer Spule verdoppelt und gleichzeitig die Länge der Lange der Spule verdoppelt? (du kannst dir das auch so vorstellen, dass du zwei gleiche Spulen zu einer zusammensetzt).

Antwort: Da die Spule länger ist, wird auch die Ausdehnung des Magnetes größer, die Stärke des Magnetfeldes bleibt aber gleich.


Daher können wir nun folgende Formel zur Berechnung der magnetischen Feldstärke H in einer stromdurchflossene Spule herleiten:

Feldstärke in einer Spule






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