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Physik II TU Dortmund SS2018 Götz Uhrig Shaukat Khan Kapitel 3

3 Magnetostatik Kurze Wiederholung

Antike: magnetische Anziehung/Abstoßung von magnetischen Erzen beobachtet

Anwendung ab Mittelalter: Kompass, Navigation durch Orientierung am Erdmagnetfeld

Neuzeit: H. C. Oersted entdeckt 1820 in Kopenhagen während einer Vorlesung die magnetische Wirkung des elektrischen Stroms. J. C. Maxwell veröffentlicht 1865 eine Theorie des Elektromagnetismus.

Anwendungen in der Neuzeit: Kühlschranktür, Magnetkran, Teilchenbeschleuniger, magn. Datenspeicher Magnete: Permanentmagnete, Elektromagnete (stromdurchflossene Spulen, normal- und supraleitend) Einheit des Magnetfelds B (auch magnetische Flussdichte oder magnetische Induktion genannt):

Erdmagnetfeld < 10-4 T

Elektromagnet mit Eisenkern max. 2 T Permanentmagnet max. 2 T

Supraleitende Magnete um 10 T

 

1 N s 1 Vs2 1 T (Tesla) 10 Gs (Gauss)4

C m m

B     

Biot-Savart-Gesetz

Amperesches (Durchflutungs-)Gesetz

Lorentzkraft

 

2 1 2 3

0

1 2 2

1 2

( ) ( ) 4

j r r r

B r d r

r r

 -

-

0 0

rot

div 0 0

A

B j B ds I

B B da

 

    

  

F     q E q v B

(keine magnetischen Monopole)

(2)

Experiment: Magnetfeld einer Spule

gemessen mit einer sog. Hall-Sonde (siehe später). Ergebnis:

Magnetfeld im Inneren einer Spule der Länge L mit N Windungen und Strom I

0

B N I

L

Experiment: Spulen auf Overhead-Projektor

Die Feldlinien werden mit Eisenfeilspänen sichtbar gemacht. Beispiele:

- Leiterschleife - gerade Spule - toroidale Spule

Experiment: Helmholtz-Spulenpaar B-Feld-Messung mit Hall-Sonde.

Abstand der Spulen = Spulenradius ergibt die beste Homogenität im Zentrum des Spulenpaars

in der Vorlesung gemessen

(3)

Physik II TU Dortmund SS2018 Götz Uhrig Shaukat Khan Kapitel 3

Beispiel: Magnetisches Feld eines unendlich langen stromdurchflossenen Drahts Bei der Berechnung des elektrischen Felds eines homogen geladenen Stabs gab es - eine komplizierte Variante: Coulombsches Gesetz und Integration über den Stab.

- eine einfache Variante: Gaußsches Gesetz unter Verwendung der Symmetrie des Problems.

Ebenso ist es bei der Berechnung des Magnetfeld eines unendlich langen stromdurchflossenen Drahts:

- eine komplizierte Variante: Biot-Savart-Gesetz und Integration über den Draht

- eine einfache Variante: Amperesches Gesetz, betrachte einen Kreis um den Draht mit Radius r

r B I

I r

B s d B

S

 

2 0 20

Beispiel: Magnetisches Feld einer langen Spule

Die Spule besteht aus N Windungen und hat die Länge L. Beim

Linienintegral kann das Feld außerhalb der Spule vernachlässigt werden.

In z-Richtung entlang der Spule:

Das radiale Feld einer idealen beliebig langen Spule ist 0 (Translationsinvarianz) Azimutale Komponente: wie beim geraden, unendlich langen Draht

0 0 mit

z z

S

B ds B L N I B n I n N

  L

          

(Dichte der Windungen)

S

0

2 0 2

0 0

S

I r R I r R

B ds r B B r

r R r R

 

 

   

 

        

r 0 B

(4)

90

B

sin

B B

|| B Bcos

B z

z r12

R

 

2 2

0 0

3/2 3

2 2

( ) ( )

2 2

z

I R I R

B z z R

z R z

   

    

Beispiel: Leiterschleife mit Radius R

Etwas komplizierter, weil das Feld nicht entlang eines einfachen Weges konstant ist (was die Anwendung des Ampereschen Gesetzes ermöglichen würde). Auf der Symmetrieachse:

Beispiel: Helmholtz-Spulenpaar – 2 kurze Spulen mit Radius R im Abstand d

I R R

R I

R R R R

R B I

d R z d R

R z z I

B z B z B

1 125

8 4

5

4 4

) 2 0 (

2 2

) 2 ( )

( )

(

0 2 / 3 2 2

0

2 / 3 2 2 2

/ 3 2 2 2

0

2 / 3 2 2 2

/ 3 2 2 2

0 2

1

 

 

 







 

 

 

 

 

 









  

 

 -

 





  

 

 

 

-

- -

- -

Beste Homogenität bei d = R (ohne Beweis):

Spulenpaar

linke Spule rechte Spule

Rechnung

(5)

Physik II TU Dortmund SS2018 Götz Uhrig Shaukat Khan Kapitel 3

Experiment: Spule ohne und mit Eisenkern Beobachtungen:

- das mit einer Hall-Sonde gemessene B-Feld ist mit Eisenkern deutlich größer

- der Eisenkern wird in die Spule hineingezogen

3.4 Magnetische Kräfte auf Leiter und geladene Teilchen

Lorentzkraft (magnetischer Anteil): F   q v B

Hier: Stromvektor = Dichte einer Linienladung (in C/m) mal Geschwindigkeit)

     

weil ||

I v

F v B dq v B dl I dl B I dl

 

  

    

z.B. Leiter der Länge L senkrecht zu einem homogenen Magnetfeld B: F   I L B

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