Grundlagen der Elektrostatik und Magnetismus

Das elektrische Feld

Ein elektrisches Feld ist der Zustand des Raumes um einen elektrisch geladenen Körper, in dem auf andere elektrisch geladene Körper Kräfte ausgeübt werden. Es ist nur an seinen Wirkungen erkennbar und nachweisbar (von + nach -).

Modell der Feldlinien

Für das Feldlinienbild als Modell des elektrischen Feldes gilt:

• Je größer die Anzahl der Feldlinien in einem bestimmten Gebiet des Feldes ist, desto stärker ist die dort wirkende Kraft auf einen geladenen Körper.
• Die Richtung der Feldlinien gibt die Richtung der wirkenden Kraft auf einen geladenen Körper an. Dabei ist die Art der Ladung zu beachten.

Grundlagen des Magnetismus

Magnetische Zustände lassen sich wie folgt unterscheiden:

• Unmagnetisierter Zustand: Elementarmagnete sind ungeordnet.
• Magnetisierter Zustand: Elementarmagnete sind ausgerichtet (geordnet).

Jedem Magneten kann mindestens ein Nordpol und ein Südpol zugeordnet werden.

Das magnetische Feld

Ein magnetisches Feld ist der Zustand des Raumes um einen Magneten, in dem auf andere Magneten bzw. Körper aus ferromagnetischen Stoffen Kräfte ausgeübt werden (von N nach S).

Magnetische Feldlinien sind geschlossen; sie haben keinen Anfang und kein Ende. Das Magnetfeld ist somit ein quellenfreies Wirbelfeld.

Kraft auf stromdurchflossene Leiter

Befindet sich ein stromdurchflossener Leiter in einem Magnetfeld, so wird auf ihn eine Kraft ausgeübt. Diese Kraft hängt ab von:

• der Stärke des Magnetfeldes,
• der Stromstärke,
• der Länge des Leiters.

Die Richtung der Kraft ist senkrecht zur Richtung des magnetischen Feldes und senkrecht zur Stromrichtung.

Zusammenhänge im homogenen Magnetfeld

Eine genauere Untersuchung ergibt:

• Bei konstanter Länge l ist die Kraft umso größer, je größer die Stromstärke ist: F ≈ I
• Bei konstanter Stromstärke ist die Kraft umso größer, je länger der stromdurchflossene Leiter ist: F ≈ l
• Die Zusammenfassung der Proportionalität ergibt: F ≈ I • l oder

Die magnetische Flussdichte gibt an, wie stark ein Magnetfeld ist. Die Stärke des Magnetfeldes um einen geraden stromdurchflossenen Leiter ist umso größer, je größer die Stromstärke ist und je kleiner der Abstand vom Leiter ist.

Die Lorentz-Kraft

Die Lorentz-Kraft ist die Kraft, die auf einzelne bewegte Ladungsträger in einem Magnetfeld wirkt. Sie wirkt senkrecht zur Bewegungsrichtung und senkrecht zur Richtung des Magnetfeldes.

• Da die Lorentz-Kraft – wie die Radialkraft – immer senkrecht zur Bewegungsrichtung wirkt, ändert sich nur die Richtung, nicht aber der Betrag der Geschwindigkeit der Teilchen.
• In einem homogenen Magnetfeld (B = konst.) ist die Kraft konstant. Die geladenen Teilchen bewegen sich auf kreisförmigen Bahnen.
• Die Kräfte auf positiv und negativ geladene Teilchen gleicher Ladung sind entgegengesetzt gerichtet, haben aber bei gleicher Geschwindigkeit und gleicher magnetischer Flussdichte den gleichen Betrag.