Magnetfelder aus Strömen
Eine bewegte elektrische Ladung erzeugt ein Magnetfeld um sich herum, also ist jeder stromführende Draht von kreisförmigen magnetischen Feldlinien umgeben. Wenn du diesen Draht zu einer Spule biegst, addieren sich die Feldlinien jeder Windung im Inneren zu einem starken, gleichmäßigen Feld, das entlang der Spulenlänge verläuft. Packe mehr Windungen Draht hinein oder treibe mehr Strom hindurch, und das Feld im Inneren wird stärker.
Die Formel
B = μ₀ · N · I / L
- B — Magnetfeld (T): die Stärke des Magnetfelds im Inneren der Spule
- μ₀ — Permeabilität des freien Raums (T·m/A): eine feste Konstante, die festlegt, wie stark ein Strom ein Magnetfeld erzeugt
- N — Windungszahl (turns): wie viele Drahtwindungen die Spule bilden
- I — Strom (A): wie viel Ladung jede Sekunde durch den Draht fließt
- L — Länge (m): die Länge der Spule, über die die Windungen gewickelt sind
Durchgerechnetes Beispiel
Eine Spule (Solenoid) hat 500 Drahtwindungen, die über eine Länge von 0.5 Metern gewickelt sind und einen Strom von 2 Ampere führen. Wie stark ist das Magnetfeld im Inneren?
- N = 500 Windungen
- I = 2 A
- L = 0.5 m
- B = μ₀ · N · I / L
- B = (4π × 10⁻⁷ T·m/A) · 500 · 2 A / 0.5 m
B = 8π × 10⁻⁴ T
Teste dich selbst
Das Solenoid hat jetzt 1000 Windungen statt 500, bei gleichem Strom und gleicher Länge. Was passiert mit dem Magnetfeld im Inneren?
- Richtige Antwort: Es verdoppelt sich auf 16π × 10⁻⁴ T
- Es wird halbiert auf 4π × 10⁻⁴ T
- Es bleibt gleich bei 8π × 10⁻⁴ T
Richtig! B ist proportional zu N, also verdoppelt eine Verdopplung der Windungen das Feld: 4π×10⁻⁷ × 1000 × 2 A / 0.5 m = 16π × 10⁻⁴ T.
Um einen einzelnen geraden stromführenden Draht, ohne dass eine Spule beteiligt ist: Welche Form bilden die magnetischen Feldlinien?
- Ein gleichmäßiges Feld wie im Inneren einer Spule
- Gerade Linien, die entlang des Drahts verlaufen
- Richtige Antwort: Kreise, die um den Draht gewickelt sind
Genau — ein gerader stromführender Draht ist von kreisförmigen magnetischen Feldschleifen umgeben, entsprechend der Rechte-Hand-Regel.
Wo du das siehst
Ein Schrottplatzkran lässt eine Drahtspule hinab, schaltet den Strom ein und hebt ein Auto — schalte den Strom aus, und das Auto fällt herunter. Kein Magnetismus ohne Strom, voller Magnetismus auf Abruf: Türklingeln, MRT-Scanner und Schrottplatzkräne sind alle dasselbe Bauteil, eine Spule, deren Feld du per Schalter steuerst.
Häufige Fehler
Erstens die Form des Feldes: um einen geraden Draht herum bilden die Feldlinien Kreise, die den Draht umschließen — keine geraden Linien, kein gleichmäßiges Feld; das starke, gleichmäßige Feld entsteht nur im Inneren einer Spule. Zweitens die Skalierung: B = μ₀ · N · I / L wächst mit Windungszahl und Strom, also verdoppelt der Sprung von 500 auf 1000 Windungen bei gleichem Strom das Feld im Inneren exakt. Der Strom erzeugt das Feld — ein Eisenkern bündelt es nur.
Wie es sich verbindet
Das ist die Wendestelle des Elektromagnetismus-Moduls von der Elektrizität zum Magnetismus: Das Coulombsche Gesetz und die Kapazität handelten von ruhenden Ladungen, und hier rührt bewegte Ladung — Strom — ein Feld um sich herum auf. Die Lorentz-Kraft als Nächste schließt den Kreis: Diese Felder drücken auf jede andere bewegte Ladung zurück, die durch sie hindurchwandert.