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1. Das magnetostatische Feld

1.1 Magnetische Erscheinungen

Ziele

Nach dieser Lektion sollten Sie:

  1. wissen, dass zwischen Magnetpolen Kräfte wirken und die Richtung der Kräfte kennen.
  2. wissen, dass sich um einen stromdurchflossenen Leiter ein magnetisches Feld bildet.
  3. die Feldlinien des magnetischen Feldes skizzieren können. Dabei wissen Sie welche Richtung das Feld hat und wo das Feld am dichtesten ist.

Effekte von Permanentmagneten

Erste Permanentmagnete aus dem Magneteisenstein ($Fe_{3} O_{4}$) wurden in Griechenland in der Region um Magnesia gefunden. Neben den Eisenmaterialien zeigen auch andere Elemente eine ähnliche „starke und dauerhafte magnetische Kraftwirkung“, die nach dem Eisen auch Ferromagnetismus genannt wird: Auch Kobalt und Nickel, sowie viele deren Legierungen zeigen einen solchen Effekt. In Kapitel 1.5 Materie im magnetischen Feld wird die Unterteilung der magnetischen Materialien detailliert beschrieben.

Abb. 1: Elektrostatische Feldlinienelektrotechnik_2:elektrostatischefeldlinien.png

Hier soll nun die „magnetische Kraftwirkung“ näher betrachtet werden. Dazu werden mit einem Magneteisenstein ein paar Gedankenexperimente durchgegangen Abbildung 1.

Vergleich von Elektrostatik und Magnetostatik

Eigenschaft Elektrostatik Magnetostatik
Feldlinienbilder Abb. 4: Elektrostatische Feldlinienelektrotechnik_2:elektrostatischefeldlinien.png Abb. 5: Mangetostatische Feldlinienelektrotechnik_2:mangetostatischefeldlinien.png
Feldlinien - beginnen auf einer positiven Ladung
- enden auf einer negativen Ladung 		- sind geschlossen \\- haben kein Anfang und kein Ende
Feldlinienenden Es gibt Quellen und Senken es gibt keine Quellen und Senken
Feldtyp wirbelfreies Quellenfeld quellenfreies Wirbelfeld

Einführung in magnetische Felder

Visualisierung magnetischer Felder

Überlagerung magnetischer Felder (nur bis 04:08)

Aufgaben

Aufgabe 1

1. Mit welcher Hand lässt sich aus Strömen die Magnetfeldrichtung herleiten?
2. Wie sind bei der Herleitung aus 1. die Finger zuzuordnen?
3. Zwei stromdurchflossene Leiter liegen parallel und nahe beieinander. Der Strom in beiden fließt in die gleiche Richtung. Welche Kraftwirkung ist zu sehen?
4. Zwei stromdurchflossene Leiter liegen rechtwinklig aufeinander. Durch beide fließt Strom. Welche Kraftwirkung ist zu sehen?
5. Wie verläuft das Magnetfeld im Inneren der Erde bzw. eines Permanentmagneten?
6. An welchem Ort einer stromdurchflossenen Spule sind die Feldlinien am dichtesten?
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Tipp zu 1

Tipp zu 2

Tipp zu 3

Tipp zu 4

Tipp zu 5

Tipp zu 6

1.2 Das Ampere'sche Kraftgesetz, magnetische Flussdichte

Ziele

Nach dieser Lektion sollten Sie:

  1. das Kraftgesetz für stromdurchflossene Leiter kennen.
  2. die Richtung der Kräfte anhand gegebener Stromrichtungen und gegebenenfalls Flussdichte bestimmen können.
  3. die wirkenden Kraftvektoren in einer Skizze darstellen können.
  4. in der Lage sein, einen Kraftvektor durch Überlagerung mehrerer Kraftvektoren mit Hilfe der Vektorrechnung zu bestimmen
  5. in der Lage sein, für einen Kraftvektor folgende Größen anzugeben:
    1. Kraftvektor in Koordinatendarstellung
    2. Betrag des Kraftvektors
    3. Winkel des Kraftvektors

Bitte sehen Sie sich auf der Seite des KIT-Brückenkurs >> 3.2.2 Magnetisches Feld die Inhalte (Text, Videos, Übungen) an. Achten Sie darauf, dass in der Auswahlleiste oben „Gesamt“ ausgewählt wurde. Der letzte Teil zu „Magnetfeld mit Materie“ kann übersprungen werden - dieser kommt erst in 2-3 Terminen.

1.3 Lorentzkraft

Ziele

Nach dieser Lektion sollten Sie:

  1. in der Lage sein, bei Vorgabe mehrerer stromdurchflossener Leiter die Vektoren der magnetischen Flussdichte in einer Skizze darzustellen.
  2. durch Überlagerung mehrerer Vektoren mit Hilfe der Vektorrechnung den resultierenden Vektor der magnetischen Flussdichte bestimmen können.
  3. durch Anwendung des Kraftgesetzes für stromdurchflossene Leiter im magnetischen Feld die Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter in einem magnetostatischen Feld bestimmen können:
    1. Kraftvektor in Koordinatendarstellung
    2. Betrag des Kraftvektors
    3. Winkel des Kraftvektors

Video

Bitte sehen Sie sich auf der Seite des KIT-Brückenkurs >> 3.2.3 Lorentz-Kraft die Inhalte (Text, Videos, Übungen) an. Achten Sie darauf, dass in der Auswahlleiste oben „Gesamt“ ausgewählt wurde. Der letzte Teil zu „Magnetfeld mit Materie“ kann übersprungen werden.

1.4 Magnetische Feldstärke

  1. Erregerfeld

Ziele

Nach dieser Lektion sollten Sie:

  1. die beiden feldbeschreibenden Größen des magnetischen Feldes kennen.
  2. in der Lage sein, den Zusammenhang dieser beiden Größen zu beschreiben und anzuwenden.

elektrotechnik_2:magnetfeld_um_leitung.png

(Elektret)

1.5 Materie im magnetischen Feld

Ziele

Nach dieser Lektion sollten Sie:

  1. die beiden feldbeschreibenden Größen des magnetostatischen Feldes kennen.
  2. in der Lage sein, den Zusammenhang dieser beiden Größen über das Materialgesetz zu beschreiben und anzuwenden.
  3. die Einteilung der magnetischen Werkstoffe kennen.
  4. in der Lage sein, aus einer Magnetisierungskennlinie die relevanten Daten abzulesen

Kraftwirkung auf dia- und paramagnetische Stoffe im Magnetfeld

Ein lebendiger Frosch („Diamagnet“) schwebt in einem sehr starken Magnetfeld

Erklärung der Hysteresekurve

Schöne Darstellung von Magnetisierung und Entmagnetisierung von weichmagnetischen Material

Wandernde magnetische Domänen in einem ferromagnetischen Material (von Zureks@en.wikipedia.org unter CC-BY-SA 3.0)