$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Magnetfelder sind für den Elektromagnetismus von grundlegender Bedeutung und liegen vielen praktischen Anwendungen zugrunde, die vom Kompass bis zur Magnetresonanztomographie reichen.
Magnetfelder oder B-Felder können durch bewegte Ladungen, wie z. B. elektrischen Strom, oder Objekte wie Stabmagnete aufgrund der mikroskopischen Dynamik von Ladungen im magnetischen Material erzeugt werden.
In diesem Video wird veranschaulicht, wie man Magnetfelder visualisieren kann, die von einem stromdurchflossenen Leiter und einem Permanentstabmagneten erzeugt werden. Darüber hinaus wird in diesem Video auch die Kraft demonstriert, die von den Magnetfeldern ausgeübt wird, die von einem Strom auf einem anderen stromdurchflossenen Draht erzeugt werden.
Magnetfelder können mit Hilfe von Magnetfeldlinien visualisiert werden. Dabei handelt es sich um fiktive Linien, die helfen, die Verteilung und Richtung von Magnetfeldern zu verstehen.
Die Tangente von einer Magnetfeldlinie spiegelt die lokale Richtung des Magnetfeldes wider, und die Dichte der Linien spiegelt die Stärke des lokalen Magnetfeldes wider, das im Falle eines Stabmagneten abnimmt, wenn wir uns von seiner Oberfläche entfernen. Unterschiedliche Stromleiterkonfigurationen führen zu unterschiedlichen Variationen in der Magnetfeldverteilung.
Zum Beispiel erzeugt ein langer gerader Draht, der einen elektrischen Strom führt, ein Magnetfeld, dessen Richtung, wie durch "magnetische Feldlinien" dargestellt, entlang der kreisförmigen Tangentenrichtung um den Draht herum verläuft.
Bei einem Stabmagneten verlassen die magnetischen Feldlinien den Nordpol des Magneten und treten in den Südpol des Magneten ein. Dies ähnelt dem magnetischen Feldmuster, das von einem Magneten erzeugt wird, bei dem es sich um eine zylindrische Drahtspule handelt, die Strom führt.
Die Richtung des durch einen Strom erzeugten Magnetfeldes kann durch die "Rechte-Hand-Regel" bestimmt werden. Die Regel besagt, dass, wenn der Daumen in Richtung des Stroms zeigt, die Finger, die sich um den Leiter drehen, die Richtung des Magnetfelds anzeigen. So richtet sich ein Stabmagnet, wenn er in die Nähe des Leiters gebracht wird, an das erzeugte lokale Magnetfeld aus.
Jetzt wissen wir, dass Magnetfelder, die von jedem Leiter oder Magneten erzeugt werden, mit nahe gelegenen magnetischen Materialien wechselwirken. Darüber hinaus interagieren die erzeugten Magnetfelder auch mit sich bewegenden elektrischen Ladungen, wie sie in einem zweiten stromdurchflossenen Leiter zu finden sind.
Wenn eine bewegliche Ladung 'q' in ein Magnetfeld 'B' eingeführt wird, übt das Feld eine Kraft 'F' auf die Ladung aus. Dies wird als Lorentzkraft bezeichnet. Die Kraft ist proportional zum Magnetfeld 'B', der Ladung 'q' und ihrer Geschwindigkeit 'v' und wird bestimmt durch das Vektorprodukt aus der Geschwindigkeit der Ladung und dem Magnetfeld, multipliziert mit der Ladung. Die Kraft zeigt also in eine Richtung, die sowohl zur Bewegung der Ladung als auch zum Magnetfeld senkrecht verläuft und durch die "Daumenregel der rechten Hand" bestimmt wird.
Nachdem wir die Grundlagen der Magnetfelder besprochen haben, führen wir ein einfaches Experiment durch, um diese Magnetfeldlinien zu visualisieren und zu zeigen, wie die Lorentzkraft, die von einem erzeugten Magnetfeld ausgeübt wird, auf einen parallelen stromdurchflossenen Draht wirkt.
Sammeln Sie die notwendigen Materialien und Instrumente, nämlich eine Gleichstromquelle, eine Kunststoffplatine, auf der mehrere Kompassnadeln montiert sind, und einen geraden leitenden Draht, der durch die Mitte verläuft, sowie einen Permanentstabmagneten.
Beobachte die Plastikplatte mit einem Loch in der Mitte. Er wird mit mehreren Kompassnadeln um das Mittelloch mit Stiften befestigt, so dass sich die Nadeln frei drehen können.
Beachten Sie auch, dass der leitende Draht durch das mittlere Loch der Platine geführt wird. Stellen Sie sicher, dass der Draht senkrecht zur Platine steht. Verbinden Sie das Kabel mit Kabeln mit Klemmen mit der Gleichstromversorgung.
Schalten Sie die Stromquelle ein und stellen Sie die Stromversorgung auf +5 Ampere ein. Beobachten Sie das Verhalten der Kompassnadeln.
Schalten Sie anschließend die Stromversorgung aus und schalten Sie die Plus- und Minuskabel um. Schalten Sie dann das Netzteil ein, um die Richtung des durch den Draht fließenden Stroms umzukehren, und beobachten Sie die Kompassnadeln erneut.
Schalten Sie nun die Stromversorgung aus und trennen Sie sie und erhalten Sie eine ähnliche Kunststoffplatine, die mit Magnetnadeln montiert ist, jedoch ohne den leitenden Draht, der durch sie geführt wird. Identifizieren Sie als Nächstes den Nordpol des Stabmagneten.
Bringen Sie die Längsachse des Stabmagneten parallel zur Platine und bringen Sie den Nordpol von der Seite näher an die Platine. Beobachten Sie die Kompassnadeln auf jede Änderung der Ausrichtung.
Drehen Sie nun den Stabmagneten so, dass der Südpol näher an der Platine ist. Beobachten Sie auch hier die Kompassnadeln auf eine veränderte Ausrichtung.
Montieren Sie zuerst einen Rahmen mit zwei Stangen, von denen einer horizontal entlang der Oberseite des Rahmens verläuft und der andere vertikal ist und die Basis mit der ersten Stange verbindet. Verankern oder kleben Sie als Nächstes den Mittelteil der beiden langen leitenden Drähte am Rahmen. Lassen Sie ein Ende beider Drähte so vom Rahmen baumeln, dass die beiden Drähte parallel zueinander sind.
Verbinden Sie nun das Ende der beiden Drähte mit dem Schalter und den Klemmen. Schließen Sie dann das Setup an eine Batterie an.
Stellen Sie sicher, dass die Drähte so angeschlossen sind, dass der Strom in beiden Drähten in die gleiche Richtung fließt. Legen Sie dann den Schalter um, um die Batterie an die leitenden Drähte anzuschließen.
Beobachten Sie die beiden Drähte, wenn der Strom durch sie fließt. Schalten Sie anschließend den Schalter aus, um den Stromfluss durch die Drähte zu stoppen.
Kehren Sie die Richtung des Schalters um, um die Richtung des Stromflusses durch die Drähte zu ändern. Beobachten Sie die beiden Drähte, wenn der Strom eingeschaltet ist.
Nachdem wir nun die Protokolle überprüft haben, lassen Sie uns die Ergebnisse der durchgeführten Experimente überprüfen.
Beim Experiment mit den Kompassnadeln werden die Nadeln zunächst zufällig ausgerichtet. Beim Anlegen des Stroms richten sich die Kompassnadeln kreisförmig auf das lokale Magnetfeld aus.
Beim Umkehren der Stromrichtung kehrt sich das lokale Magnetfeld um, was wiederum die Ausrichtung der Kompassnadeln umkehrt.
Wenn der Nordpol des Stabmagneten in die Nähe der Kompassnadeln gebracht wird, erzeugt er ein lokales Magnetfeld, und die Kompassnadeln richten sich entlang dieser lokalen Magnetfeldlinien aus.
Und wenn der Stabmagnet umgedreht wird, kehrt sich auch die Richtung des Magnetfelds um, wodurch die Ausrichtung der Kompassnadeln umgekehrt wird.
Im Experiment mit den beiden langen Drähten werden die Drähte aneinander gezogen, wenn der in ihnen fließende Strom die gleiche Richtung hat. Dies liegt an der Lorentzkraft, die durch das Magnetfeld erzeugt wird.
Nach der Rechte-Hand-Regel erzeugt der linke Draht ein Magnetfeld, das in die Richtung zeigt, die senkrecht zum Stromfluss an der Stelle des rechten Drahtes verläuft. Verwenden Sie nun die andere Regel der rechten Hand und platzieren Sie die Finger entlang der Richtung des Stroms und der Magnetfelder. Dann gibt der ausgestreckte Daumen die Richtung der Lorentzkraft an. In diesem Fall ist die Kraft zum linken Draht hin und damit attraktiv.
Auf der anderen Seite, wenn der Stromfluss in den beiden Drähten in entgegengesetzte Richtungen zueinander verläuft, zeigt die Rechte-Hand-Regel, dass die Richtung der Lorentzkraft an der rechten Drahtstelle von der linken Drahtstelle weg ist, wodurch die Kraft abstoßend wird. Daher werden die beiden Drähte auseinander geschoben.
Magnetfelder sind überall um uns herum zu finden und werden derzeit in Anwendungen eingesetzt, die von der Navigation bis zum klinischen Umfeld reichen. Schauen wir uns nun ein paar gängige Anwendungen von Magnetfeldern an.
Vor Jahrhunderten erfand die chinesische Song-Dynastie den ersten Magnetkompass, der zur Navigation verwendet wurde. Seitdem verlassen wir uns bei der Orientierung auf den Kompass, der mit dem erdeigenen Magnetfeld zusammenarbeitet.
Der magnetische Südpol der Erde befindet sich in der Nähe seines geographischen Nordpols. Der magnetische Nordpol einer Kompassnadel richtet sich also nach dem Erdmagnetfeld aus und zeigt in Richtung des geografischen Nordens der Erde.
Auch im Bereich der Medizin und medizinischen Diagnostik haben Magnetfelder eine Vielzahl von Anwendungen. Die häufigste Verwendung von Magnetfeldern ist in der Magnetresonanztomographie oder MRT. MRT-Scanner verwenden starke Magnetfelder und Feldgradienten, um Bilder aus dem Inneren des Körpers zu erzeugen.
Sie haben gerade die Einführung von JoVE in Magnetfelder gesehen. Sie sollten jetzt wissen, wie man Magnetfelder mit Kompassnadeln visualisiert und wie die Lorentzkraft eines Magnetfeldes, das durch einen Strom erzeugt wird, einen anderen, nahezu parallelen Strom beeinflusst. Danke fürs Zuschauen!
