Wie wird ein Magnetfeld in einer Spule erzeugt?
Heyy,
wie genau wird in einer Spule ein Magnetfeld erzeugt? Also klar, sobald ein Strom durch die Spule fließt, fließen die Elektronen durch die Spule. Aber wie entsteht dann dadurch ein Magnetfeld?
Vielen Dank schonmal für eure Antworten :)
2 Antworten
Lass uns nun einen Blick auf die Maxwell-Gleichungen werfen, die das Verhalten von elektrischen und magnetischen Feldern in ihrer grundlegendsten Form beschreiben:
Jetzt steht hier natürlich eine Fülle von Informationen. Ich werde hier nicht allzu detailliert auf die Gleichungen eingehen, jedoch enthalten wir einige wesentliche Aussagen:
- Die erste Maxwell-Gleichung verdeutlicht im Wesentlichen, dass die Quelle des elektrischen Feldes tatsächlich die bloße Existenz von elektrischer Ladung ist. Das bedeutet, dass allein die Anwesenheit einer Ladung an einem Ort ausreicht, um ein elektrisches Feld in der Umgebung zu erzeugen. Mit anderen Worten, negative und positive Ladungen sind die Ursachen und Senken des elektrischen Feldes selbst.
- Die zweite Maxwell-Gleichung verdeutlicht, dass es keine Quelle für das magnetische Feld gibt. Dieser Befund basiert vor allem auf Experimenten, bei denen bisher keine magnetischen Ladungen, die als magnetische Monopole agieren, entdeckt wurden. Das bedeutet, es existieren keine isolierten magnetischen Ladungen mit nur einem Nord- oder Südpol, im Gegensatz zum elektrischen Feld, in dem es positive und negative elektrische Ladungen gibt. Diese Erkenntnis ist entscheidend, da sie zeigt, dass im Gegensatz zur Elektrizität keine magnetischen Ladungen in dieser Form existieren.
- Die dritte Maxwell-Gleichung wird oft als "Induktionsgesetz" bezeichnet und in einfacherer Form ausgedrückt, besagt sie, dass die Rotation eines elektrischen Feldes zur zeitlichen Ableitung des magnetischen Feldes führt und umgekehrt. Das negative Vorzeichen in dieser Gleichung zeigt an, dass das magnetische Feld in seiner Entstehung dem elektrischen Feld entgegenwirkt, was wiederum den Energieerhaltungssatz gewährleistet. Dies ist von Bedeutung, da es verhindert, dass Ladungen sich selbst beschleunigen, was in der physikalischen Realität keinen Sinn ergibt.
- Die vierte Maxwell-Gleichung verdeutlicht grundlegend, dass die Rotation des magnetischen Feldes aufgrund der Bewegung von elektrischen Ladungen entsteht. Anders ausgedrückt: Elektrischer Strom ist die Quelle für magnetische Felder.
Die vier Maxwell-Gleichungen bilden das Fundament der Elektrodynamik und erklären die Entstehung und das Verhalten von elektrischen und magnetischen Feldern. Eine dieser Gleichungen, die vierte Maxwell-Gleichung, bekannt als das Ampèresche Durchflutungsgesetz mit der Maxwell'schen Ergänzung, ist besonders relevant für die Entstehung von Magnetfeldern.
Wenn ein elektrischer Strom durch einen Leiter fließt, tritt die vierte Maxwell-Gleichung in Kraft und zeigt, dass ein Magnetfeld um den Leiter herum erzeugt wird. Die Richtung der Magnetfeldlinien kann mithilfe der Lenz'schen Regel oder der Rechten-Hand-Regel bestimmt werden, wobei der Daumen in die Stromrichtung zeigt und die Finger in Richtung der Feldlinien zeigen.
Wenn wir einen elektrischen Leiter zu einer Spule formen, werden die Magnetfeldlinien verstärkt, da sie sich überlagern. Mit einem Eisenkern lässt sich dieser Effekt durch die "magnetische Permerabilität des Stoffes" verstärken. Dies allein führt jedoch nicht zur Induktion von elektrischem Strom, da das Magnetfeld bei konstantem Strom unverändert bleibt, wie in der dritten Maxwell-Gleichung beschrieben.
Daher funktionieren Geräte wie Transformatoren nur mit Wechselstrom, da hier der Strom sich periodisch ändert, was zu zeitlichen Veränderungen im Magnetfeld führt. Diese Änderungen im Magnetfeld wiederum führen zur Induktion von elektrischem Strom in benachbarten Leitern oder Spulen.
Das ist eine grundlegende Eigenschaft der Natur und ihrer Gesetze (Maxwell-Gleichungen).
Mit etwas Vorbehalt kann man Magnetfelder als relativistische Nebeneffekt auf die Elektrostatik zurückführen (da gibt's aber auch Probleme damit, wenn man sonst nichts annimmt).
Die grundlegende Gleichung ist der Durchflutungssatz:
Bewegte Ladungen haben ein Magnetfeld. Warum, das weiß niemand.