Magnetfeld von Spulen

Wie würde es sich anfühlen, wenn du das Magnetfeld der Erde spüren könntest? Es gibt Tiere, die haben so einen „Magnetsinn“. Zum Beispiel Vögel, die sich auf langen Flügen mithilfe des Erdmagnetfeldes orientieren. In unserem Alltag gibt es noch viele weitere Magnetfelder, die durch technische Geräte hervorgerufen werden, die magnetische Spulen enthalten. Was für ein Magnetfeld erzeugen solche Spulen und wie breitet es sich aus? Das lernst du in diesem Video über das „Magnetfeld von Spulen“. Zuerst betrachten wir einen einfachen Draht, durch den elektrischer Strom fließt. Mit einer frei beweglichen Kompassnadel können wir nachweisen, dass um einen solchen „stromdurchflossenen Leiter“ ein Magnetfeld hervorgerufen wird, wodurch die Kompassnadel ausgelenkt wird. Wenn wir die Kompassnadel an unterschiedlichen Stellen positionieren, können wir nachvollziehen, dass das Magnetfeld in einem Kreis um den Draht verlaufen muss. Gemäß dem „Feldlinienmodell“ werden kreisrunde Pfeile gezeichnet, um das Feld darzustellen. Da Magnetfeldlinien immer geschlossen sind, gibt es in diesem Fall keinen eindeutigen magnetischen Nord- und Südpol. Die Stärke des Magnetfeldes kann aber „auch hier“ durch die Dichte der Feldlinien angezeigt werden. Um die Pfeilrichtung der Feldlinien zu bestimmen, gibt es eine einfache Merkregel: Hältst du den Daumen der linken Hand in die Richtung, in die der Strom durch den Draht fließt, krümmen sich die Finger deiner Hand in die Richtung, in die die Pfeile der Feldlinien um den Draht verlaufen. Allerdings musst du hier darauf achten, die physikalische Stromrichtung zu betrachten, also von „Minus“ nach „Plus“ – denn so bewegen sich die negativ geladenen Elektronen durch den Draht. Die technische Stromrichtung ist im Gegensatz dazu von „Plus“ nach „Minus“ festgelegt. Für die linke Hand, und für die rechte nehmen. Deshalb wird hier manchmal von „Linke-Hand-Regel“ oder „Rechte-Hand-Regel“ gesprochen, was ein bisschen verwirrend sein kann. Beide Regeln führen aber zum gleichen Ergebnis, wenn du sie korrekt anwendest. Wir bleiben am besten bei der linken Hand. Was passiert nun, wenn man den Draht einmal aufwickelt? Die Feldlinien werden dann innen dicht aneinandergedrängt, denn sie dürfen sich nicht schneiden. Außen können sie sich weiter ausbreiten. Die Feldlinienrichtung zeigt innen durch die Schleife hindurch, und außen in die andere Richtung. Wickelt man den Draht nun mehrmals, erhält man eine „Spule“ mit vielen „Windungen“. Die Magnetfelder aller Windungen überlagern sich innen und außen, so dass man sie zusammengefasst als große, übergreifende Feldlinien betrachten kann. Innerhalb der Windungen ist das Magnetfeld stark, mit dichten Feldlinien, und zeigt eine klare Ausrichtung von Nord- und Südpol. Außen breiten sich die Feldlinien weiter aus, ganz ähnlich wie bei einem Stabmagneten. Schiebt man einen „Eisenkern“ in die Spule, wird das Magnetfeld noch verstärkt. Das ergibt sich durch die zusätzliche Ausrichtung der „Elementarmagnete“ im Eisen. Man kann dafür auch andere magnetisierbare Materialien nutzen. Die Feldstärke „H“ des Magnetfelds wird außerdem durch die Anzahl „N“ der Windungen, bezogen auf die Länge „L“ der Spule, und die Stärke des durchfließenden Stromes „I“ beeinflusst. Je mehr Windungen pro Spulenlänge, und je größer die Stromstärke, desto stärker das Magnetfeld. Da die Feldstärke mit der Dichte der Feldlinien zusammenhängt, betrachtet man allerdings meistens die „magnetische Flussdichte B“. Diese erhält man, wenn man die Formel noch mit der „magnetischen Permeabilität μ“ multipliziert. So wird miteinberechnet, dass das Feld sich in unterschiedlichen Materialien unterschiedlich stark ausbreitet. Bei der Ausbreitung im Vakuum gilt für μ-Null.“ Den kannst du in deiner Formelsammlung oder im Internet nachsehen. Sieh dir dabei auch die Einheiten an und versuche herauszufinden, wie sich so in der Formel die Einheit „Tesla“ der magnetischen Flussdichte aus „Kilogramm“, „Ampere“ und „Sekunden“ zusammensetzt. Damit hast du schon ein ganz gutes Gefühl für das Magnetfeld der Spule – auch wenn es vielleicht noch nicht zum „Magnetsinn“ der Vögel reicht. Fassen wir zusammen: Das Magnetfeld einer Spule ähnelt dem Magnetfeld eines Stabmagneten. Die Polung hängt von der „Stromrichtung“ ab, die „physikalisch“ oder „technisch“ betrachtet werden kann. Die Magnetfelder der einzelnen „Windungen“ überlagern sich, wobei die Richtung der Feldlinien mit der „Linke-Hand-Regel“ physikalisch bestimmt werden kann. Wie stark das Magnetfeld ist, hängt neben der „magnetischen Permeabilität“ von der Anzahl der Windungen, bezogen auf die Spulenlänge, und der „Stromstärke“ ab. Dies wird durch die „magnetische Flussdichte B“ in Tesla angeben. „B“ und die „magnetische Feldstärke H“ hängen über die Permeabilität „μ“ direkt miteinander zusammen. Und mit dem perfekten Gespür für magnetische Felder, findest du dich sogar im Schlaf noch zurecht wie ein Vogel.