Informations- und Kommunikationstechnik

Elektromagnetismus

Der Naturwissenschaftler Hans Christian Ørsted beobachtete in Experimenten, dass ein vom elektrischen Strom durchflossener Leiter eine Magnetnadel ablenkt. Im metallischen Leiterdraht sind freie Elektronen die beweglichen Ladungsträger. Sie ergeben in gerichteter Bewegung den elektrischen Strom und erzeugen dabei um den Leiter herum ein Magnetfeld. A. M. Ampère konstruierte wenige Jahre später eine elektromagnetische Spule und postulierte 1925, dass die Quelle der magnetischen Kräfte im elektrischen Strom zu finden ist.

Das Magnetfeld eines vom Strom durchflossenen geraden Leiters

Leitermagnetfeld

Um einen Leiter herum stehen Magnetnadeln und sind nach dem Erdmagnetfeld ausgerichtet. Sie orientieren sich neu, sobald elektrischer Strom durch den Leiter fließt. Der elektrische Strom baut um den Leiter herum ein Magnetfeld auf. Die Magnetnadeln weisen in die Richtung, die sich aus der Addition des Erdmagnetfelds und des Leitermagnetfelds ergibt.

Beim Umpolen der Stromrichtung orientieren sich die Nadeln in die entgegengesetzte Richtung. Ist der Strom stark genug, kann in der Nähe des Leiters der Einfluss des Erdmagnetfelds vernachlässigt werden. Die Nadeln sind dann parallel zum Magnetfeld des Leiters ausgerichtet. Die Magnetfeldlinien verlaufen in konzentrischen Kreisen um den Leiter herum.

Ausschalten     Strom einschalten     Strom umpolen

Einige Zeit später erkannte man, dass jede bewegte Ladung, also auch Elektronenstrahlen im Vakuum, die bei Elektronenstrahl- und Gasentladungsröhren vorkommen, um sich herum ein Magnetfeld erzeugen. Damit hatte man eine Möglichkeit, die Existenz von Molekulardipolen in der Materie zu erklären. Die Elektronen der Atome und Moleküle stellen bewegte Ladungen dar und erzeugen proportional Ströme, die ihrerseits Magnetfelder aufbauen. Die Summe aller nicht kompensierten Magnetfelder eines Werkstoffs bestimmt seine nach außen hin wirksamen para-, dia- oder ferromagnetischen Eigenschaften.

Jeder elektrische Strom in Form bewegter Ladungen erzeugt ein magnetisches Feld.
Je höher die Stromstärke ist, desto stärker ist das Magnetfeld.
Die Magnetfeldlinien bilden um den Leiter konzentrische geschlossene Kreise.
Die Magnetfeldebene liegt senkrecht zum Stromfluss.
Mit Blick in die technische Stromrichtung von Plus nach Minus ist der Drehsinn des Magnetfeldes nach rechts gerichtet.

Der letzte Satz ist Inhalt der rechten Hand-Regel: Umfasst man den Leiter mit der rechten Hand und zeigt der Daumen in die Stromrichtung, dann weisen die zur Faust geschlossenen Finger in die Richtung der Magnetfeldlinien.

Kraftwirkung zwischen stromdurchflossenen Leitern

Leiterschaukel

Ein weiterer Versuch zeigt die Existenz und die Kraftwirkung des Magnetfelds. Zwei Metallbänder sind an isolierten Klemmen parallel zueinander locker aufgehängt. Fließt elektrischer Strom parallel in gleicher Richtung durch beide Leiter, so ziehen sich die Bänder an. Bei in Reihe geschalteten Leitern fließt der Strom entgegengesetzt durch die Bänder und sie stoßen sich ab.

Im ersten Fall wollen sich die Magnetfeldlinien zwischen den Bändern verkürzen. Das bewirkt die Anziehung wie zwischen ungleichnamigen Magnetpolen. Im zweiten Versuch verlaufen die Magnetfeldlinien zwischen den Bändern in gleicher Richtung. Das entspricht einer Parallelstellung gleichnamiger Pole, die sich abstoßen.

Ausschalten     Strom gleichsinnig     Strom gegensinnig

Die Magnetfelder beider Leiter überlagern sich. Auf jeden Leiter wirkt eine Kraft, die proportional zur Leiterlänge l und zur Stromstärke I ist. Die Kraft ist umgekehrt proportional zum Leiterabstand a. Je weiter man sich von der Quelle des Magnetfeldes entfernt, desto schwächer wird die Feldwirkung.

Magnetfeld

Die Gleichung zur Berechnung der Kraft enthält in der Proportionalitätskonstante den Wert μo. Es ist die magnetische Feldkonstante des Vakuums deren Wert mit großer Genauigkeit auch für den lufterfüllten Raum gilt. Der Kreisumfang mit 2 · π · a entspricht der mittleren Feldlinienlänge. Die Größe der Kraft ist als skalarer Wert von der Stromrichtung unabhängig. Bei gleichsinnig fließenden Strömen ist das Ergebnis positiv, es herrscht Anziehungskraft. Bei gegensinnigen Strömen ist das Ergebnis negativ, die Leiter stoßen sich ab.

Bei sehr großen Strömen ist die Kraftwirkung naher beieinander verlaufender Leitersysteme nicht zu vernachlässigen. In Bleiakkumulatoren liegt jede positive Platte zwischen zwei negativen Platten. So können sich die abstoßenden Kräfte in der Anode aufheben und sie wird mechanisch nicht beansprucht. Ohne diese Vorkehrung würde sich das eingepresste Bleidioxid lockern und herausfallen. Die Folge ist ein innerer Kurzschluss zwischen den Platten, der den Akku zerstört.