Hans Christian Oerstedt hat 1819 als erster beobachtet, dass in der Nähe eines stromdurchflossenen Leiters eine Wirkung auf eine Magnetnadel zu beobachten ist: Oerstedt-Experiment.
In der folgenden Simulation können Sie die Wirkung stromdurchflossener Leiter auf Magnetnadeln studieren. In der Simulation wird nicht die technische Stromrichtung vom Plus- zum Minuspol verwendet, sondern die Elektronenstromrichtung vom Minus- zum Pluspol. In der zweidimensionalen Darstellung wird ein Leiter als Kreis gezeichnet.
- Wenn das Symbol "Punkt" im Kreis zu sehen ist, dann soll der Elektronenstrom aus der Ebene herausfließen,
- Wenn das Symbol "Kreuz" im Kreis zu sehen ist, dann soll der Elektronenstrom in die Ebene hineinfließen.
Dafür gibt es eine Merkregel: der Punkt steht für die Pfeilspitze, die auf einen zufliegt; das Kreuz steht für die Federn am Ende eines Pfeils der von einem wegfliegt.
Experiment: Magnetfeld um einen stromdurchflossenen Leiter
- Klicken Sie bei "Beispiele laden" auf "Ein Kabel". Beobachten Sie den Zusammenhang von Elektronenstromrichtung und Orientierung der Kompassnadeln. Klicken Sie dann auf "Elektronenstromrichtung ändern". Beobachten Sie wieder den Zusammenhang zwischen Elektronenstromrichtung und Orientierung der Kompassnadeln.
- Klicken Sie bei "Beispiele laden" auf "Kabelstrang". Die einzelnen Kabel sind mit einer Isolation (schwarze Farbe) umgeben. Beobachten Sie die Ausrichtung der vielen Kompassnadeln. Klicken Sie auf "Elektronenstromrichtung ändern" und beobachten Sie die Wirkung.
- Klicken Sie bei "Beispiele laden" auf "Entgegengesetzte Kabel". Beobachten Sie die Ausrichtung der Kompassnadeln.
- Klicken Sie bei "Beispiele laden" auf "Spule". Aktivieren Sie "Vektorfeld anzeigen" und "Magnetfeldlinien anzeigen". Beobachten Sie die Ausrichtung der Kompassnadeln.
Zu 1.:
- Wenn die Elektronen aus der Ebene herausfließen, zeigen die Nordpole der Kompassnadeln in Uhrzeigerrichtung. Es gilt die Linke-Hand-Regel: Man richtet die linke Hand so aus, dass der Daumen in die Richtung des Elektronenstroms zeigt (hier aus der Ebene heraus). Die anderen Finger werden gekrümmt, als ob sie die Leitung umgreifen (sie sind als in Uhrzeigerrichtung gekrümmt). Die gekrümmten Finger zeigen dann in die Richtung der roten Nordpole der Kompassnadeln.
- Wenn die Elektronen in die Ebene hineinfließen, zeigen die Nordpole der Kompassnadeln in die entgegengesetzte Uhrzeigerrichtung. Es gilt wieder die Linke-Hand-Regel: Man richtet die linke Hand so aus, dass der Daumen in die Richtung des Elektronenstroms zeigt (hier in die Ebene hinein). Die anderen Finger werden gekrümmt, als ob sie die Leitung umgreifen (sie sind als entgegengesetzt zur Uhrzeigerrichtung gekrümmt). Die gekrümmten Finger zeigen wieder in die Richtung der roten Nordpole der Kompassnadeln.
Zu 2.: Die vielen Kompassnadeln sind alle kreisförmig ausgerichtet. Die Wirkung der einzelnen Stromkabel überlagern sich zu einem gleichgerichteten Magnetfeld, dass immer stärker wird, je mehr stromdurchflossene Kabel vorhanden sind.
Zu 3.: Die Kompassnadeln sind so ausgerichtet, dass zwischen den Kabeln die Nordpole in die gleiche Richtung zeigen. Das Magnetfeld zwischen den Kabeln wird verstärkt.
Zu 4.: Wenn die stromdurchflossenen Kabel so gewickelt sind, dass sie eine
Spule
bilden, dann zeigen all Kompassnadeln im Inneren der Spule in die gleiche Richtung. Es entsteht ein starkes Magnetfeld im Inneren der Spule.
Auch für diese Situation kann man eine Linke-Hand-Regel formulieren: Die gekrümmten Finger der linken Hand zeigen in die Richtung, in welche die Elektronen durch die Spulenwicklung fließen (Fingerspitzen in Richtung der gezeichneten Kreuze). Der Daumen zeigt in die Richtung, in welche die roten Nordpole der Kompassnadel zeigen.
Linke-Hand-Regel 1: Umfasst man einen stromdurchflossenen Leiter mit der linken Hand so, dass der abgespreizte Daumen in Richtung der fließenden Elektronen zeigt, dann zeigen die gekrümmten Finger in die Richtung, in welche sich die Nordpole der Kompassnadeln ausrichten.
Wickelt man einen langen mit einer Isolierung überzogenen Draht zu einer langen Spule, dann überlagern sich die Feldlinien der einzelnen Windungen zu einem Magnetfeld, das dem eines Stabmagneten ähnelt. Bei der einen Öffnung der Spule entsteht ein Nordpol, auf der anderen Seite dann ein Südpol. Es entsteht ein Elektromagnet.
Die Wirkung eines Elektromagneten kann enorm gesteigert werden, indem in die Spule ein ferromagnetischer Stoff (Eisen, Kobalt, Nickel oder Mischung) eingebracht wird. Die Elementarmagnete des ferromagnetischen Stoffs richten sich im Feld des Elektromagneten in Richtung des äußeren Felds aus und verstärken dadurch dessen magnetische Wirkung.
Linke-Hand-Regel 2: Der Daumen der linken Hand wird abgespreizt und die gekrümmten Finger zeigen in die Richtung, in welche die Elektronen durch die Spulenwicklung fließen (Fingerspitzen in Richtung der gezeichneten Kreuze). Dann zeigt der Daumen in die Richtung, in welche sich die roten Nordpole der Kompassnadel ausrichten.