Material über elektrischen Strom, elektrische Ladung, Magnetfeld, magnetische Kraft
Im Jahr 1819 entdeckte der dänische Wissenschaftler Hans Christian Ørsted (1777–1851) den Zusammenhang zwischen Magnetismus und elektrischem Strom bzw. bewegten Ladungen . Er fand heraus, dass sich eine Kompassnadel ablenkte, wenn sie sich in der Nähe eines stromdurchflossenen Drahtes befand. Ohne Stromfluss zeigte die Kompassnadel nach Norden.
Eine Kompassnadel ist ein Magnet, daher kann sie durch magnetische Kräfte bewegt werden . Woher kommt diese magnetische Kraft (F)? In der Nähe der Kompassnadel befindet sich ein stromdurchflossener Draht; dieser Strom erzeugt also eine magnetische Kraft.
Betrachten Sie die Abbildung rechts. Bestimmen Sie mithilfe der Rechte-Hand-Regel die Richtung des elektrischen Stroms und die Richtung des Magnetfelds. Fließt der elektrische Strom (I) nach oben, so ist die Richtung des Magnetfelds (B) wie in der Abbildung links dargestellt. Fließt der elektrische Strom hingegen nach unten, so ist die Richtung des Magnetfelds wie in der Abbildung rechts dargestellt.
Ein Magnetfeld übt eine Kraft auf einen stromdurchflossenen Draht aus.
Ein elektrischer Strom kann eine Kraft auf die Nadel eines Magnetkompasses ausüben. Kann ein Magnet auch eine Kraft auf einen elektrischen Strom ausüben?
Angenommen, zwischen dem Nord- und Südpol eines Magneten fließt ein elektrischer Strom durch einen Draht. Der Pfeil vom Nordpol zum Südpol zeigt die Richtung des Magnetfelds an. Der rote Pfeil gibt die Richtung des elektrischen Stroms (I) und der blaue Pfeil die Richtung der magnetischen Kraft (F) an.
Die Richtung der magnetischen Kraft F steht senkrecht zur Richtung des elektrischen Stroms I und senkrecht zur Richtung des Magnetfelds B. Bestimmen Sie mithilfe der Rechte-Hand-Regel die Richtung des elektrischen Stroms, die Richtung des Magnetfelds und die Richtung der magnetischen Kraft.
Die folgende Gleichung beschreibt den Zusammenhang zwischen magnetischer Kraft, elektrischem Strom und Magnetfeld.
F = BI l sin θ
F ist das Symbol für magnetische Kraft, B ist das Symbol für Magnetfeld, I ist das Symbol für elektrischen Strom, l ist das Symbol für die Länge des Drahtes im Magnetfeld.
θ ist der Winkel zwischen der Richtung des elektrischen Stroms und der Richtung des Magnetfelds. Steht der elektrische Strom senkrecht zum Magnetfeld (90 ° ), so ist sin 90° = 1, und die Formel lautet F = BI l . Umgekehrt gilt: Steht der elektrische Strom parallel zum Magnetfeld (0 ° ), so ist sin 0° = 0, und die magnetische Kraft ist null.
Zur Berechnung des Magnetfelds ändert sich die obige Formel zu: B = F / I l.
Die internationale Einheit der magnetischen Kraft ist Newton (N), die internationale Einheit der magnetischen Feldstärke ist Tesla (T). Tesla leitet sich vom Namen des serbisch-amerikanischen Erfinders und Physikers Nikola Tesla (1856–1943) ab. Basierend auf der oben genannten Formel für die magnetische Feldstärke kann diese auch in Newton pro Amperemeter (N/A m) angegeben werden. Neben Tesla wird die magnetische Feldstärke auch in Gauß (G) angegeben. Gauß leitet sich vom Namen des deutschen Mathematikers, Astronomen und Physikers Johann Carl Friedrich Gauß (1777–1855) ab. 1 G = 10⁻⁴ T.
Magnetische Kraft auf eine elektrische Ladung, die sich in einem Magnetfeld bewegt
Ein Magnetfeld kann auf einen stromdurchflossenen Draht eine magnetische Kraft ausüben. Elektrischer Strom ist eine bewegte elektrische Ladung, daher kann ein Magnetfeld nicht nur auf einen leitenden Draht, sondern auch auf frei bewegte elektrische Ladungen eine magnetische Kraft ausüben.
Die Formel zur Berechnung der magnetischen Kraft auf eine sich in einem Magnetfeld bewegende elektrische Ladung wird aus der vorherigen Formel für die magnetische Kraft F = BI l sin θ abgeleitet . Da I = q/t und l = vt, vereinfacht sich die Formel für die magnetische Kraft zu
Formelbeschreibung: F = magnetische Kraft B = Magnetfeld q = elektrische Ladung v = Bewegungsgeschwindigkeit der Last, θ = Winkel zwischen v Dan B
Wenn v senkrecht zu B maka = 90o , wobei sin 90o = 1. Andererseits, wenn v parallel zu B maka = 0o, wobei sin 0o = 0. Die magnetische Kraft hat also einen Maximalwert, wenn v senkrecht zu B und die magnetische Kraft ist null, wenn v parallel zu B.
Die Richtung der magnetischen Kraft F steht senkrecht zum Magnetfeld B und senkrecht zur Geschwindigkeit der elektrischen Ladung v.
