Der Strom durchflossene Leiter als Magnet

Bestimmte Werkstoffe, wie Eisen, Nickel und Kobalt haben magnetische Eigenschaften. Nun sei behauptet, dass dies auch für andere Metalle wie Kupfer und Aluminium etc. gilt, wenn diese Materialien mit einem elektrischen Strom durchflossen werden. Da das Metall als solches nicht magnetisch ist, muss die magnetische Kraft eines Strom durchflossenen Leiters also durch dessen elektrisches Feld begründet sein. Diese Begriffe seien zunächst einmal frei in den Raum gestellt. Ebenso der Hinweis, dass hier auch Grundlagen der Funkübertragungstechnik gegeben sind, die allerdings nicht Thema dieses Beitrages sein sollen.

Ein Experiment

Folgende Bauteile werden benötigt:

  • Eine Flachbatterie 4,5 V

  • Ein Laborwiderstand 8,2 W, Achtung: Der Widerstand muss mit mindestens 3 W belastbar sein!

  • Ein Strommesser (Amperemeter) im Messbereich von 1 A

  • Ein regelbarer Widerstand bis 10 W, Achtung: Auch dessen Belastbarkeit sollte im Bereich größer 3 W liegen!

  • Ein Ausschalter

  • verschiedene Laborkabel mit Krokodilklemmen zur Herstellung des Stromkreises

  • ein Kompass

Bei diesem Experiment ist zu beachten, dass die Batterie im Extremfall mit hohen Strömen (ca. 600 mA) belastet wird. Die Dimensionierung mit den vergleichsweise hohen Stromstärken ist erforderlich, um ein ausreichend großes Magnetfeld zu erzeugen, wie später noch rechnerisch nachvollziehbar sein wird. Der Stromkreis sollte deswegen nur für die Zeit des Experimentes und der Messung geschlossen werden. Darüber hinaus können an den Widerständen hohe Temperaturen (!!) entstehen. Dies gilt insbesondere dann, wenn Bauteile verwendet werden, die keine ausreichende Belastbarkeit bieten. Der Stromkreis wird vom Pluspol der Batterie zum Vorwiderstand (RV), über das „Amperemeter“ hin zum Messkabel und von dort zum Potentiometer (veränderlicher Widerstand) über den Ausschalter zurück zur Batterie geschaltet. Die Reihenfolge ist allerdings variabel. Wichtig ist, dass insbesondere die den Strom begrenzenden Widerstände vorhanden sind, um eine Überlastung der Batterie zu vermeiden.

Die Kompassnadel wird in der unmittelbaren Nähe des Messdrahtes platziert. Das Messkabel sollte senkrecht – von oben nach unten angeordnet werden.

Wird der Strom nun eingeschaltet, schlägt die Kompassnadel aus. Mit dem regelbaren Widerstand lässt sich nun die Stärke des Stromes im Messkabel verändern. Je größer der fließende Strom ist, umso stärker ist die Reaktion der Kompassnadel (siehe Hinweis oben zur möglichen hohen Stromstärke).

Ein einfacher Schaltkreis, durch den ein vergleichsweise großer elektrischer Strom fließen soll, belegt die Präsenz eines magnetischen Feldes um den Leiter herum, wenn dieses eine Kompassnadel zum Ausschlagen bringt.
Ein einfacher Schaltkreis, durch den ein vergleichsweise großer elektrischer Strom fließen soll, belegt die Präsenz eines magnetischen Feldes um den Leiter herum, wenn dieses eine Kompassnadel zum Ausschlagen bringt.

Schraubenregel

Das Experiment soll wiederholt werden, wobei diesmal jedoch die Pole der Batterie vertauscht werden. Im Übrigen bleibt alles unverändert. Wichtig ist wieder die Beobachtung der Kompassnadel und hier speziell die Richtung des Ausschlags. Nach dem Wechsel der Batteriepole wird die Nadel zwar wieder – je nach Stärke des Stroms – mehr oder weniger schnell ausschlagen, jedoch diesmal in die andere Richtung.

Der mit einem Strom durchflossene Leiter verursacht also ein Magnetfeld, dessen Polrichtung von der Richtung des Stromes abhängig ist. Per Definition nimmt man an, die Richtung der magnetischen Feldlinien verlaufen (außerhalb eines Magneten) vom Nordpol zum Südpol. Die (technische) elektrische Stromrichtung ist vom Plus- zum Minuspol der Quelle definiert.

Als eine „Eselsbrücke“ haben Techniker die so genannte Schraubenregel definiert. Um eine Schraube in ein Gewinde hinein zu drehen, wird sie im Uhrzeigersinn, also rechts herum gedreht. Damit bewegt sie sich immer weiter in das Gewinde hinein. Nimmt man an, dass die Richtung in das Gewinde hinein (nach vorn) der Stromrichtung innerhalb des Leiters und die Drehrichtung der Schraube die des magnetischen Feldes entspricht, so kann man sich den Zusammenhang zwischen Stromrichtung und Drehrichtung des Magnetfeldes sehr einfach merken: Die Richtung des (konzentrischen!) Magnetfeldes um einen Strom durchflossenen Leiters ist in Blickrichtung des Stromes im Uhrzeigersinn zu betrachten.

Zeichnerisch beschreibt man die Stromrichtung als würde man direkt auf die Enden eines Pfeiles blicken: Schaut man dem davonfliegenden Pfeil hinterher, so sieht man das
Zeichnerisch beschreibt man die Stromrichtung als würde man direkt auf die Enden eines Pfeiles blicken: Schaut man dem davonfliegenden Pfeil hinterher, so sieht man das "Kreuz" der Leitfedern. Blickt man dem anfliegenden Pfeil entgegen, so Symbolisiert der Punkt die Pfeilspitze.

Mathematische Zusammenhänge siehe Beitrag „Magnetfeld einer Spule“.

(rs/02-2012)