Elektromagnetismus Grundlagen: Magnetfelder & Induktion

Grundlagen des Elektromagnetismus

Magnetfeld: Definition und Darstellung

Ein Magnetfeld ist der Bereich um einen Magneten oder einen stromdurchflossenen Leiter, in dem magnetische Kräfte wirken. Es wird durch *Feldlinien* dargestellt.

Magnetismus: Das Phänomen

Magnetismus beschreibt die physikalischen Erscheinungen, die durch Magnetfelder verursacht werden. Feldlinien eines Magnetfeldes werden beispielsweise von Permanentmagneten erzeugt.

Eigenschaften von Magneten

Magnete üben Kräfte aufeinander aus: Sie können sich *anziehen* oder *abstoßen*, ähnlich wie elektrische Ladungen.

Wichtige Magnetische Größen

Magnetische Flussdichte (B)

Die magnetische Flussdichte (B) gibt die Dichte der magnetischen Feldlinien an, die eine Flächeneinheit (gemessen in Tesla, T) durchdringen. Sie wird auch als magnetische Induktion bezeichnet.

Magnetischer Fluss (Φ)

Der magnetische Fluss (Φ) ist ein Maß für die Gesamtanzahl der magnetischen Feldlinien, die eine bestimmte Fläche durchdringen. Er wird in Weber (Wb) gemessen.

Magnetische Feldstärke (H)

Die magnetische Feldstärke (H) beschreibt die Stärke eines Magnetfeldes, das von externen Strömen erzeugt wird, und wird in Ampere pro Meter (A/m) gemessen.

Elektromagnetismus: Die Verbindung

Elektromagnetismus ist das physikalische Phänomen, das die Wechselwirkung zwischen Elektrizität und Magnetismus beschreibt. Es umfasst die Erzeugung eines Magnetfeldes durch einen elektrischen Strom sowie die Erzeugung eines elektrischen Stroms in Gegenwart eines Magnetfeldes.

Das Biot-Savart-Gesetz

Das Biot-Savart-Gesetz beschreibt das Magnetfeld, das von einem elektrischen Strom oder einer sich bewegenden elektrischen Ladung erzeugt wird. Eine elektrische Ladung (q), die sich mit der Geschwindigkeit (v) bewegt, erzeugt an einem Punkt (P) in einem Abstand (r) ein Magnetfeld.

Elektromagnetische Induktion

Zusammenhang zwischen magnetischer Induktion (B) und H

Der Zusammenhang zwischen der magnetischen Induktion (Flussdichte B) und der magnetischen Feldstärke (H) wird durch die Permeabilität des Mediums beschrieben: *B = μH*, wobei μ die absolute Permeabilität ist.

Das Phänomen der Induktion

Wenn ein Magnet in die Nähe einer leitenden Schleife bewegt wird, die nicht an eine Stromquelle angeschlossen ist, zeigt ein Galvanometer einen Stromfluss an, solange der Magnet in Bewegung ist.

Die Richtung des induzierten Stroms kehrt sich um, wenn die Bewegungsrichtung des Magneten umgekehrt wird.

Das gleiche Ergebnis wird erzielt, wenn der Magnet fixiert ist und die Schleife bewegt wird.

Dies bedeutet, dass in der Schaltung eine *elektromotorische Kraft (EMK)* erzeugt wird, die zu einem Stromfluss führt. Dieses Phänomen wird als elektromagnetische Induktion bezeichnet.

Die induzierte EMK (E) bei Bewegung eines Leiters der Länge (l) mit Geschwindigkeit (v) in einem Magnetfeld der Flussdichte (B) kann unter bestimmten Bedingungen als *E = B ⋅ l ⋅ v* ausgedrückt werden.

Faradaysches Induktionsgesetz

Das Faradaysche Induktionsgesetz besagt, dass die Größe der induzierten elektromotorischen Kraft (EMK) proportional zur Rate der Änderung des magnetischen Flusses durch eine Spule ist.

Lenzsche Regel

Die Lenzsche Regel besagt, dass die Richtung der induzierten elektromotorischen Kraft (EMK) und des induzierten Stroms stets so ist, dass sie der Ursache ihrer Entstehung (der Änderung des magnetischen Flusses) entgegenwirken.

Magnetische Eigenschaften der Materie

Diamagnetische Materialien

Diamagnetische Materialien schwächen ein externes Magnetfeld leicht ab und werden von ihm abgestoßen. Ihre relative Permeabilität (μᵣ) ist kleiner als 1.

• Gold: 0.999964
• Silber: 0.99998
• Kupfer: 0.999991

Paramagnetische Materialien

Paramagnetische Materialien werden leicht in Richtung eines externen Magnetfeldes magnetisiert und von ihm angezogen. Ihre relative Permeabilität (μᵣ) ist geringfügig größer als 1.

• Vakuum: 1
• Luft: 1.00000036
• Aluminium: 1.000021
• Wolfram: 1.000068
• Palladium: 1.00082

Ferromagnetische Materialien

Ferromagnetische Materialien zeigen eine starke Magnetisierung in Richtung eines externen Magnetfeldes und behalten diese oft auch nach Entfernen des Feldes bei. Sie bilden sogenannte *Weiss-Bezirke* (Domänen). Ihre relative Permeabilität (μᵣ) ist deutlich größer als 1.

• Kobalt: 250
• Nickel: 600
• Eisen: 6000

Wichtige Permeabilitätskonstanten

• μ₀ (My Null): Permeabilität des Vakuums
• μᵣ (My Relativ): Relative Permeabilität des Materials
• μ (My): Absolute Permeabilität (μ = μ₀ ⋅ μᵣ)