Warum geben Stromleitungen eine ganz schwache(elektro-) magnetische Welle ab?

4 Antworten

Zunächst einmal erzeugt ein stromdurchflossener Leiter ein Magnetfeld um sich herum:

http://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/magnetisches-feld-spule/versuche/felder-stromfuehrender-leiter
http://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/magnetisches-feld-spule/versuche/magnetfeld-eines-geraden-leiters-simulation
https://de.wikipedia.org/wiki/Magnetische_Feldst%C3%A4rke
u. a.

Die magnetischen Feldlinien eines Leiters sind geschlossen. Felder mit geschlossenen Feldlinien nennt man Wirbelfelder.

Wenn wir einen konstanten Gleichstrom haben, ändert sich das Magnetfeld nicht, damit haben wir auch keine elektromagnetische Welle.

Sobald sich die Stromstärke ändert, kommt aber noch ein anderer Effekt zum Tragen: das Induktionsprinzip.

Zunächst einmal hat man elektromagnetische Induktion nur an Leitern beobachtet:
https://de.wikipedia.org/wiki/Elektromagnetische_Induktion
http://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/elektromagnetische-induktion
https://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/physik/artikel/elektromagnetische-induktion

Aber warum bewegen sich die Elektronen im Leiter? Woher kommt die Lorentzkraft?

Es stellt sich heraus, dass ein sich veränderndes Magnetfeld auch im Vakuum ein elektrisches Feld erzeugt. (Ähnlich wie auch ein geladener Körper um sich herum ein elektrisches Feld hat, das auch im Vakuum existieren kann. Nur beginnen bzw. enden die elektrischen Feldlinien am Körper, während die elektrischen Feldlinien eines sich verändernden Magnetfeldes geschlossen sind.)

Wenn man den Strom gleichmäßig erhöht, erhält man in der Umgebung des Leiters ein gleichmäßig stärker werdendes Magnetfeld und ein gleichbleibendes elektrisches Feld. Auch das kann man schon als elektromagnetische Welle betrachten.

Wenn sich - wie bei Wechselstrom - die Änderung der Stromstärke ebenfalls ändert, ändert sich entsprechend auch das induzierte elektrische Feld in der Umgebung. Es stellt sich heraus, dass nicht nur ein stromdurchflossener Leiter ein Magnetfeld erzeugt, sondern auch ein sich änderndes elektrisches Feld.

Beim Wechselstrom ändert sich nicht nur die Stromstärke selbst und die Änderung der Stromstärke, sondern auch die Änderung der Änderung der Stromstärke und die Änderung der Änderung der Änderung der Stromstärke usw.

Damit haben wir in der Umgebung ein Magnetfeld, das sich so ändert, dass ein elektrisches Feld entsteht, das sich so ändert, dass ein magnetisches Feld entsteht, das sich so ändert, dass ein elektrisches Feld entsteht ... usw.

Insgesamt stellt sich heraus, dass sich diese Änderungen so überlagern, dass sowohl das magnetische als auch das elektrische Feld jeweils eine Welle bilden, die sich vom Leiter aus nach außen ausbreitet.

Dies ist der Fall für einen einzigen langen Leiter.

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Bei einer typischen Hochspannungsleitung haben wir aber mehrere Leiter, ebenso bei einer typischen Stromleitung im Haushalt.

Hier fließt der Strom in einer Leitung hin und in der anderen Leitung (oder den anderen Leitungen) zurück. Wir bekommen damit zwei entgegengesetzte elektromagnetische Wellen.

Wenn die Leiter alle am selben Ort wären, würden sich die Wellen gegenseitig aufheben. Aber dann hätten wir auch einen Kurzschluss und könnten uns die ganze Leitung sparen.

Da die Leiter aber nebeneinander liegen und damit diese beiden Wellen nicht am selben Ort entstehen, sind diese Wellen ein wenig gegeneinander verschoben und heben sich nicht ganz auf, sondern nur zum Teil. (Diese gegenseitige Aufhebung wird umso stärker, je weiter man sich von den Leitungen entfernt befindet.)

Deshalb ist auch in größerer Entfernung von Hochspannungsleitungen und außerhalb der Wand in der Nähe von Haushaltsstromleitungen noch ein schwaches elektromagnetisches Feld merkbar.

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Es gibt übrigens eine Möglichkeit, diese Abstrahlung fast ganz zu vermeiden: man nimmt ein Koaxialkabel, wo die Rückleitung kein einzelner Draht ist, sondern eine Röhre, in deren Mitte sich die Hinleitung befindet. Dann heben sich die Magnetfelder im Falle von Gleichstrom exakt auf, im Falle von Wechselstrom immer noch extrem genau, wenn die Wellenlänge der entstehenden Strahlung viel größer ist als der Abstand des Hinleiters ("Seele" genannt) und des Rückleiters ("Mantel" genannt). - Da physikalische Vorgänge umkehrbar sind (außer einigen in der Thermodynamik), ist so ein Koaxialkabel auch unempfindlich gegen äußere elektromagnetische Störungen. Das ist der Hauptgrund, warum man für Antennenleitungen Koaxialkabel nimmt.

Immer noch nicht ganz erklärt. Ich stelle die Frage mal anders: Warum sind Magnetismus und Elektrizität so mit einander "verstrickt" das bei einem Stromleiter ein Magnetfeld entsteht ? Also haben die Elektronen immer eine kleines Magnetfeld, welches sich irgendwie durch Bewegung verstärkt oder warum entsteht das Magnetfeld ?

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@LedimLPMore

Willst du jetzt die Spezielle Relativitätstheorie erklärt haben?

Danach sind Magnetkräfte elektrostatische Kräfte, die durch Zeitdilatation und Längenkontraktion modifiziert worden sind.

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Das tun sie nur bei Wechselspannungen.  Zwischen den Leitungen besteht dann ein elekrtisches Wechselfeld und um jede Leitung herum ein magnetisches Wechselfeld.  Bei breiten sich gemeinsam mit Lichtgeschwindigkeit aus.

Und wird ein Teil der Energie in Form eines Magnetischen Feldes abgegeben oder warum entsteht da ein mag. Feld ?

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