Grundlagen des Magnetismus und der elektromagnetischen Kräfte

Grundlagen des Magnetismus

Fe, Co, Ni: Sie ziehen Metalle an und üben Anziehungs- oder Abstoßungskräfte auf andere Materialien aus.

William Gilbert: Nord- und Südpol sind magnetisch.

Erster entdeckter natürlicher Magnet: Magnetit (Eisen(III)-oxid (Fe₂O₃)) und Magnesia (China).

Ruhende Ladung (Q): Erzeugt ein elektrisches Feld; bewegte Ladung ein elektromagnetisches Feld.

Computerspeicher ↔ elektrisches Feld

Masse ↔ Gravitationsfeld

Magnet ↔ Magnetfeld

1831, Michael Faraday: Er entwickelte das Konzept der Kraftlinien, um das Verhalten von Kräften über eine Distanz zu erklären.

Pierre de Maricourt: Er erkannte, dass es keine magnetischen Monopole gibt.

Eigenschaften des Magnetfeldes

1. Jedes magnetische Feld verläuft vom magnetischen Nord- zum Südpol.
2. Die Intensität des Magnetfeldes ist direkt proportional zur Anzahl der Feldlinien pro Flächeneinheit (Formel: B = dΦ_m/dA).
3. Der Magnetfeldvektor B ist tangential zu den Feldlinien an jedem Punkt.
4. Die Feldlinien kreuzen oder schneiden sich nie.
5. Die Feldlinien sind geschlossen, und es gibt keine Unterbrechungen an der Oberfläche eines Magneten.

Hans Christian Ørsted: Entdeckte, dass ein elektrischer Strom Magnetfelder erzeugen kann, die eine Kompassnadel in seiner Umgebung ablenken (Ørsted-Effekt).

André-Marie Ampère: Entdeckte, dass zwei parallele Leiter, die elektrische Ströme führen, sich wie zwei Magnete anziehen oder abstoßen können.

Ampère: Natürlicher Magnetismus wird durch elektrische Ströme auf molekularer Ebene verursacht.

Michael Faraday: Ein veränderlicher elektrischer Strom kann durch veränderliche elektrische Felder erzeugt werden.

1860, James Clerk Maxwell: Geschlossene magnetische Felder können durch veränderliche elektrische Felder erzeugt werden.

Lorentz-Kraft: Wenn ein elektrisch geladenes Teilchen in eine Region mit einem homogenen Magnetfeld eintritt, erfährt es eine Ablenkungskraft, die als Lorentz-Kraft bekannt ist (Formel: F = qv × B).

JJ Thomsons Experiment

Im Jahr 1897 bestimmte J.J. Thomson mithilfe eines Kathodenstrahlröhrenexperiments das Verhältnis zwischen der Masse und der Ladung des Elektrons, auch bekannt als die spezifische Ladung des Elektrons.

q/m: spezifische Ladung des Elektrons (e^-)

Wenn ein Elektronenstrahl einem homogenen Magnetfeld ausgesetzt wird, erfährt er eine Ablenkung aufgrund der magnetischen Kräfte, die auf ihn wirken.

Durch die Ablenkung des Strahls entspricht die magnetische Kraft auf die Elektronen der Zentripetalkraft. Daraus ergibt sich folgende Gleichung:

q/m = 2V / (B² * R²)

q/m ≈ 1,76 × 10¹¹ C/kg

Magnetische Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter

Ein gerader Leiter der Länge L, der einen Strom I führt und senkrecht zu einem Magnetfeld der Stärke B angeordnet ist, erfährt eine magnetische Kraft, deren Betrag durch folgende Gleichung gegeben ist:

F = I * L * B

Magnetische Kraft zwischen zwei parallelen Leitern

Wenn zwei parallele Leiter, die elektrische Ströme führen, nahe beieinander liegen, erfahren sie eine anziehende oder abstoßende Kraft aufgrund der Wechselwirkung zwischen den Magnetfeldern, die durch die Ströme in ihnen erzeugt werden. Der Betrag des Magnetfeldes, das von einem langen, geraden Leiter der Länge L erzeugt wird, der einen Strom I₁ in einem Abstand r führt, ist gegeben durch:

B₁ = (μ₀ * I₁) / (2πr)

Wenn ein zweiter Leiter der gleichen Länge mit einem Strom I₂ in einem Abstand R parallel zum ersten Leiter platziert wird, erfährt er eine Kraft mit dem Betrag:

F = I₂ * L * B₁

F = (μ₀ * I₁ * I₂ * L) / (2πR)