M P - Inhaltsverzeichnis - Grundlagen elektrischer Erscheinungen im Organismus

Magnetisches Feld und Elektromagnetische Induktion

Das magnetische Feld
Die magnetische Induktion
Das Magnetfeld der Erde
Lorentzkraft
Weicheisen- und Drehspulenmessgeräte
Elektromagnetische Induktion

Das magnetische Feld

• Magnetismus ist keine Grundeigenschaft der Materie, sondern ist an das Vorhandensein bewegter elektrischer Ladungen gebunden.
  • Die Maxwellsche Theorie sagt, daß jedes zeitlich veränderliche elektrische Feld von einem magnetischen Feld mit geschlossenen Kraftlinien = Wirbelfeld umgeben ist.
• Das magnetische Verhalten der Stoffe kann auf das magnetische Moment der Elektronen (Spinquantenzahl) und der Elektronenbahnen (Magnetquantenzahl) zurückgeführt werden.
  • Die magnetische Permeabilität µ kennzeichnet das Stoffverhalten gegenüber äußeren Magnetfeldern.
  • Diamagnetische Stoffe haben kein resultierendes magnetisches Moment. Sie werden aus einem äußeren Magnetfeld getrieben (µ<1).
  • Paramagnetische Stoffe haben ein resultierendes magnetisches Moment. Sie werden in ein äußeres Magnetfeld gezogen (µ>1).
  • Ferromagnetische Stoffe haben größere Bezirke = Weißsche Bezirke, innerhalb deren die magnetischen Momente vieler Atome gleich orientiert sind (µ>>1).
• Magnetisieren bedeutet, alle Weißschen Bezirke in einem ferromagnetischen Material durch ein äußeres Magnetfeld parallel zu orientieren:
  • Hartmagnetische Werkstoffe behalten die Magnetisierung.
  • Weichmagnetische Werkstoffe verlieren ihre Magnetisierung nach dem Entfernen des äußeren Magnetfeldes.
  • Bei Erwärmung über den Curiepunkt verlieren die Stoffe ihre ferromagnetischen Eigenschaften.

• Ein magnetisches Feld ist ein physikalischer Zustand des Raumes um einen stromdurchflossenen Leiter oder um einen magnetischen Dipol, in dem auf jede bewegte Ladung oder auf einen zweiten magnetischen Dipol eine Kraft ausgeübt wird.
• Magnetische Felder werden
  • durch ferromagnetische Materialien (Magnete) oder
  • durch elektrische Ströme erzeugt.
• Das Magnetfeld ist ein Kraftfeld, das durch die magnetische Feldstärke veranschaulicht werden kann.
• Die Einheit der magnetischen Feldstärke ist 1 A/m
  • Das Gesetz für die magnetische Wechselwirkung hat die gleiche Form wie das Gravitationsgesetz.
  • Bei magnetischen Dipolen (Magnet) entspringt das Magnetfeld im Nordpol und mündet im Südpol.
  • Das Magnetfeld stromdurchflossener Leiter hat geschlossene Feldlinien = Wirbelfeld.
  • Das magnetische Feld einer Spule ähnelt im Außenraum dem Magnetfeld eines Stabmagneten.

Die magnetische Induktion

• Die Wirkung des Magnetfeldes hängt von der magnetischen Feldstärke H und der magnetischen Permeabilität µ des Materials ab.
• Die magnetische Feldstärke H ist umso größer, je größer die elektrische Stromstärke und je höher die Windungszahl der Spule ist.
• Die Magnetische Induktion = magnetische Flussdichte ist das Produkt von magnetischer Feldstärke H und magnetischer Permeabilität µ : B = µ · H
  • Die Einheit der magnetischen Induktion ist 1 Tesla; 1 T = 1 V·s/m²

Das Magnetfeld der Erde

• Die Erde besitzt zufolge der Ströme im Erdinneren ein Magnetfeld, das als Magnetospäre weit in den Weltraum hinausreicht.
• Langzeitänderungen des Magnetfeldes werden auf Wanderungen des magnetischen Pole zurückgeführt.
• Kurzzeitänderungen entstehen durch Wechselwirkungen mit dem Sonnenwind und mit der Ionosphäre.
• Bakterien und Tiere können durch eingelagerte ferromagnetische Substanzen das Magnetfeld der Erde zur Orientierung nutzen.
• Der Mensch verwendet seit dem 10. Jahrhundert die Ablenkung der Magnetnadel im Kompaß zur Orientierung.

Lorentzkraft

• Bewegt sich ein elektrischer Ladungsträger in einem Magnetfeld, wird er durch die Lorentzkraft abgelenkt.
• Die Lorentzkraft steht senkrecht auf die Ebene, die aus der Richtung der Teilchengeschwindigkeit und dem Magnetfeld aufgespannt wird.
• Die Ablenkung von beschleunigten Elektronen im Magnetfeld wird
  • für den Bau magnetischer Linsen für das Elektronenmikroskop,
  • für die Fokussierung des Elektronenstrahles in den Bildrohren (Braunsche Röhre) von Oszillographen, Fernsehgeräten und Computerbildschirmen,
  • die Ablenkung von Ionen für die Massenbestimmung im Massenspektrographen genutzt.
• Die Lorentzkraft bewirkt, dass magnetische Wechselfelder im Körperinneren Wirbelströme hervorrufen.

Weicheisen- und Drehspulenmessgeräte

• Die Ablenkung eines stromdurchflossenen Leiters in einem Magnetfeld wird zur Messung elektrischer Ströme genutzt.
  • Weicheiseninstrumente haben einen kleinen, federnd aufgehängten Magneten, der in eine stromdurchflossene Spule gezogen wird.
  • Drehspuleninstrumente haben eine kleine, drehbar gelagerte Spule zwischen den Polen eines Hufeisenmagneten.
  • Bei beiden Instrumenten kann aus dem Ausmaß der Auslenkung auf die Stromstärke I geschlossen werden.
• Ob mit einem derartigen Gerät eine Strommessung oder Spannungsmessung durchgeführt werden kann, hängt vom Innenwiderstand des Messgerätes ab:
• Wir nennen diese Geräte
  • Galvanometer, wenn sie zur Messung kleinster Stromstärken (10^-9 A) dienen und einen geringen Innenwiderstand haben,
  • Amperemeter, wenn sie zur Messung von Strömen dienen und einen geringen Innenwiderstand haben,
  • Voltmeter, wenn sie zur Messung von Spannungen dienen und einen hohen Innenwiderstand haben.

Elektromagnetische Induktion

• Der magnetische Fluss gibt die Zahl der Feldlinien, die eine vorgegebene Fläche schneiden.
  • Die Einheit des magnetischen Flusses ist 1 Weber  (1 Wb = 1 V·s )
• Bewegen sich ein Leiter und ein Magnetfeld relativ zueinander, wird zwischen den Enden des Leiters eine Spannung induziert.
• Induktionsgesetz : Die induzierte Spannung ist umso größer, je rascher die Bewegung erfolgt und je höher der magnetische Fluss ist, der den Leiterquerschnitt durchsetzt.
• Die elektromagnetische Induktion ist durch die Selbstinduktion für den induktiven Widerstand von Spulen verantwortlich.
• Die Selbstinduktivität L einer Spule wird in Henry gemessen.
• Die elektromagnetische Induktion wird
  • in elektrischen Generatoren zur Erzeugung elektrischer Energie,
  • in induktiven Messwandlern für die Erfassung von Bewegungen eingesetzt.

Begriffe:		Wirbelfeld		Nordpol
Südpol			Diamagnetische Stoffe	Paramagnetische Stoffe 
Ferromagnetische Stoffe	Hartmagnetische Stoffe	Weichmagnetische Stoffe 
magnetische Permeabilität			magnetische Induktion 
Magnetische Linsen	Strahlfokussierung	Kompass 
Wirbelströme		Weicheiseninstrument	Drehspuleninstrument 
Innenwiderstand		Galvanometer		Amperemeter 
Voltmeter		Magnetischer Fluss	Induktionsgesetz 
Selbstinduktion		elektrischer Generator	induktiver Wandler 

Bilder: Magnetisches Feld und Elektromagnetische Induktion

Formeln: Magnetisches Feld und Elektromagnetische Induktion

Übung: Magnetisches Feld und Elektromagnetische Induktion

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