Artikel über elektrischen Strom, elektrische Ladung, Magnetfeld und magnetische Kraft
Im Jahr 1819 entdeckte der dänische Wissenschaftler Hans Christian Ørsted (1777–1851) den Zusammenhang zwischen Magnetismus und elektrischen Strömen bzw. bewegten Ladungen. Er fand heraus, dass eine Kompassnadel abgelenkt wird, wenn sie sich in der Nähe eines stromführenden Drahtes befindet. Fließt kein Strom, zeigt die Kompassnadel nach Norden.
Eine Kompassnadel ist ein Magnet und kann daher durch eine magnetische Kraft bewegt werden. Woher kommt diese magnetische Kraft (F)? In der Nähe der Kompassnadel befindet sich ein stromdurchflossener Draht, sodass die magnetische Kraft vom Stromfluss ausgehen muss.
Betrachten Sie die Abbildung an der Seite. Die Richtung des elektrischen Stroms und die Richtung des Magnetfelds lassen sich mithilfe der Rechte-Hand-Regel bestimmen. Fließt der elektrische Strom (I) nach oben, so ist die Richtung des Magnetfelds (B) wie links dargestellt. Fließt der elektrische Strom nach unten, so ist die Richtung des Magnetfelds wie rechts dargestellt.
Das Magnetfeld übt eine Kraft auf den stromdurchflossenen Draht aus.
Zuvor wurde erklärt, dass ein elektrischer Strom eine Kraft auf die Nadel eines Magnetkompasses ausüben kann. Kann ein Magnet auch eine Kraft auf einen elektrischen Strom ausüben?
Angenommen, ein stromdurchflossener Draht befindet sich zwischen dem Nord- und Südpol eines Magneten. Die Richtung des Magnetfelds wird durch einen Pfeil vom Nordpol zum Südpol angezeigt. Ist die Stromrichtung (I) durch einen roten Pfeil gekennzeichnet, so entsteht eine magnetische Kraft (F), deren Richtung durch einen blauen Pfeil dargestellt wird.
Die Richtung der magnetischen Kraft F steht senkrecht zur Richtung des elektrischen Stroms I und senkrecht zur Richtung des Magnetfelds B.
Die Richtung des elektrischen Stroms, die Richtung des Magnetfelds und die Richtung der magnetischen Kraft können mithilfe der Rechte-Hand-Regel bestimmt werden.
Der Zusammenhang zwischen magnetischer Kraft, elektrischem Strom und Magnetfeld wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt.
F = BI l sin θ
F ist das Symbol für die magnetische Kraft, B ist das Symbol für das Magnetfeld, I ist das Symbol für den elektrischen Strom, l ist das Symbol für die Länge eines Drahtes, der sich in einem Magnetfeld befindet.
θ ist der Winkel zwischen der Richtung des elektrischen Stroms und der Richtung des Magnetfelds. Verläuft der elektrische Strom senkrecht zum Magnetfeld (90°), so ist sin 90° = 1. Die Formel vereinfacht sich zu F = BI l. Umgekehrt gilt: Verläuft der elektrische Strom parallel zum Magnetfeld (0°), so ist sin 0° = 0, und die magnetische Kraft ist null.
Zur Berechnung des Magnetfelds wird die obige Formel wie folgt geändert: B = F / I l.
Die internationale Einheit für magnetische Kraft ist das Newton (N), die internationale Einheit für magnetische Feldstärke das Tesla (T). Tesla ist nach dem serbisch-amerikanischen Erfinder und Physiker Nikola Tesla (1856–1943) benannt. 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
Die magnetische Kraft auf elektrische Ladungen, die sich in einem Magnetfeld bewegen
Ein Magnetfeld kann auf einen stromdurchflossenen Draht eine magnetische Kraft ausüben. Elektrische Ströme bestehen aus sich bewegenden elektrischen Ladungen, daher kann ein Magnetfeld nicht nur auf leitende Drähte, sondern auch auf frei bewegliche elektrische Ladungen eine magnetische Kraft ausüben.
Die Formel zur Berechnung der magnetischen Kraft auf elektrische Ladungen, die sich in einem Magnetfeld bewegen, 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:
Beschreibung der Formel: F = magnetische Kraft, B = Magnetfeld, q = elektrische Ladung, v = Bewegungsgeschwindigkeit der Ladung, θ = Winkel zwischen v und B
Wenn v senkrecht zu B steht, dann ist θ = 90°.o, wobei sin 90o = 1. Umgekehrt gilt: Wenn v parallel zu B ist, dann ist θ = 0o, wobei sin 0o = 0. Die magnetische Kraft ist also maximal, wenn v senkrecht zu B steht, und null, wenn v parallel zu B steht.
Die Richtung der magnetischen Kraft F steht senkrecht zum Magnetfeld B und senkrecht zur Geschwindigkeit der elektrischen Ladung v.
