Elektrizitätslehre

Kraft auf Stromleiter - E-motor

Kraft auf stromführende Leiter im Magnetfeld

  • Wie lautet die „UVW- oder Dreifingerregel“?
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Kraft auf stromführende Leiter im Magnetfeld

Befindet sich ein stromdurchflossener Leiter im Magnetfeld, so erfährt er im allgemeinen eine Kraft (Ausnahme: Stromrichtung und Magnetfeldrichtung sind parallel oder antiparallel).

Die Wirkung dieser Kraft ist am größten, wenn Stromrichtung und Magnetfeldrichtung einen Winkel von \(90^\circ \) bilden. In diesem Fall steht die wirkende Kraft senkrecht auf der durch die technische Stromrichtung und der Magnetfeldrichtung aufgespannten Ebene. Zur Ermittlung der Kraftrichtung kann man drei Finger der rechten Hand verwenden:

1 UVW-Regel der rechten Hand

UVW-Regel der rechten Hand

Ursache für das Phänomen ist der Strom; Der Daumen der rechten Hand zeigt in die technische Stromrichtung (von + nach -).

Vermittlung bei diesem Prozess ist das Magnetfeld; Der Zeigefinger der rechten Hand zeigt in Magnetfeldrichtung (von N nach S).

Wirkung ist bei diesem Prozess die Kraft auf den stromdurchflossenen Leiter; Der Mittelfinger der rechten Hand gibt die Kraftrichtung an.

a) Stromrichtung senkrecht zur Magnetfeldrichtung

Die Animationen in den Abb. 2 und 3 zeigen die Richtung der Kraft bei verschiedenen Stromrichtungen. Würde man bei den Versuchen jeweils die Magnetfeldrichtung umkehren, so würde sich auch die Richtung der Kraft auf den beweglichen Leiter umkehren. Im oberen Bild (Abb. 2) würde sich dann der Leiter nach rechts, im unteren Bild (Abb. 3) nach links bewegen.

2 Kraftwirkung auf einen stromdurchflossenen Leiter, der sich in einem senkrecht zur Stromrichtung zeigenden Magnetfeld befindet
3 Kraftwirkung auf einen stromdurchflossenen Leiter, der sich in einem senkrecht zur Stromrichtung zeigenden Magnetfeld befindet

b) Stromrichtung parallel oder antiparallel zur Magnetfeldrichtung

Die nachfolgende Animation (Abb. 4) zeigt, dass in diesem Fall keine Kraftwirkung auftritt.

4 Im Falle eines stromdurchflossenen Leiters parallel zur Magnetfeldrichtung tritt keine Kraftwirkung auf

c) Stromrichtung schräg zur Magnetfeldrichtung (nur für Experten)

Bilden Stromrichtung und Magnetfeldrichtung einen Winkel der Weite \(0<\varphi <90^\circ\), so wirkt auf den Strom zwar weiterhin eine Kraft. Ihr Betrag ist allerdings kleiner als im Fall, in dem Stromrichtung und Magnetfeldrichtung parallel oder antiparallel zueinander stehen.

Für den Betrag der magnetischen Kraft gillt allgemein\[{F_{\rm{m}}} = B \cdot {I_{\rm{L}}} \cdot l \cdot \sin \left( \varphi \right)\]Für \(\varphi = 90^\circ \) (Fall a)) erhält man wegen \(\sin \left( {90^\circ } \right) = 1\)\[{F_{\rm{m}}} = B \cdot {I_{\rm{L}}} \cdot l \]Für \(\varphi = 0^\circ \) (Fall b)) erhält man wegen \(\sin \left( {0^\circ } \right) = 0\)\[{F_{\rm{m}}} = 0 \]Du siehst also, dass die obige Formel auch die oben skizzierten Sonderfälle richtig beschreibt.

Hinweis: Durch den Versuch mit der Stromwaage wurde zunächst nur der Betrag der Flussdichte \(B\) eingeführt. War der stromdurchflossene Leiter senkrecht zum Magnetfeld orientiert, so galt\[B = \frac{{{F_m}}}{{{I_L} \cdot l}}\quad \quad \left[ B \right] = 1\frac{{\rm{N}}}{{{\rm{A}} \cdot {\rm{m}}}} = 1\frac{{{\rm{N}} \cdot {\rm{m}}}}{{{\rm{A}} \cdot {{\rm{m}}^2}}} = 1\frac{{\rm{J}}}{{{\rm{A}} \cdot {{\rm{m}}^2}}} = 1\frac{{{\rm{V}} \cdot {\rm{A}} \cdot {\rm{s}}}}{{{\rm{A}} \cdot {{\rm{m}}^2}}} = 1\frac{{{\rm{V}} \cdot {\rm{s}}}}{{{{\rm{m}}^2}}} = 1{\rm{T(Tesla)}}\]Für allgemeinere Betrachtungen geht man jedoch vom Vektor der Flussdichte \(\vec B\) aus. Die Richtung von \(\vec B\) ist durch die Richtung der magnetischen Feldlinien festgelegt.

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