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