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Grundwissen

Kraft zwischen Strömen

Das Wichtigste auf einen Blick

  • Elektrische Ströme üben aufeinander Kräfte aus; diese Kräfte bezeichnen wir als magnetische Kräfte.
  • Alle magnetischen Erscheinungen beruhen auf diesen magnetischen Kräften: Der Permanentmagnetismus beruht auf stromartigen Effekten in den Atomen, der Erdmagnetismus beruht auf dem Strom von elektrisch leitender Flüssigkeit im äußeren Erdkern.

Die grundlegenden Experimente des dänischen Physikers Hans Christian ØRSTEDT (1777 - 1851) und des französischen Physikers und Mathematikers André-Marie AMPÈRE (1757 - 1836) haben gezeigt, dass die Ursache aller magnetischen Erscheinungen Ströme von elektrischen Ladungen sind, die aufeinander Kräfte, die sogenannten magnetischen Kräfte ausüben. Der Permanentmagnetismus beruht auf stromartigen Effekten in den Atomen, der Erdmagnetismus beruht auf dem Strom von elektrisch leitender Flüssigkeit im äußeren Erdkern.

Die Simulation in Abb. 1 veranschaulicht, von welchen Größen diese Kräfte zwischen zwei stromdurchflossenen Leiterstücken abhängig sind.

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Abb. 1 Gegenseitige Kräfte zwischen zwei stromdurchflossenen Leiterstücken in Abhängigkeit von den relevanten Größen

Wenn du die Parameter in der Simulation in Abb. 1 veränderst, dann kannst du folgendes erkennen:

  • Die Richtung der magnetischen Kräfte ist von der Orientierung der beiden Ströme abhängig: Sind die Ströme gleich orientiert, dann sind die Ströme anziehend. Sind die Ströme entgegengesetzt orientiert, sind die Kräfte abstoßend.

  • Der Betrag der magnetischen Kräfte ist von den Stromstärken der beiden Ströme abhängig: Je größer die Stromstärken, desto größer die magnetischen Kräfte.

  • Der Betrag der magnetischen Kräfte ist vom Abstand der beiden Ströme abhängig: Je größer der Abstand der Ströme, desto kleiner die magnetischen Kräfte.

  • Der Betrag der magnetischen Kräfte ist von den Richtungen der beiden Ströme abhängig: Verlaufen die beiden Ströme parallel zueinander, so ist der Betrag maximal. Verlaufen die beiden Ströme senkrecht zueinander, so ist der Betrag Null.

Schwierigkeiten bei der Bestimmung von magnetischen Kräften

Die Simulation in Abb. 1 zeigt bereits, dass die Bestimmung von Richtung und Betrag der magnetischen Kraft zwischen stromdurchflossenen Leitern nicht so ganz einfach ist. Das hat mehrere Gründe:

  • Die beiden Leiter liegen selten parallel, sondern liegen meist schräg zueinander.

  • Die beiden Leiter sind selten gerade, sondern meist zu Schleifen oder sogar Spulen gebogen.

  • Es gibt keine kurzen, isolierten Leiterstücke; immer gibt es auch Zuleitungen, durch die die Ströme ebenfalls fließen udn die auch Kräfte aufeinander ausüben.

Wir beschränken uns deshalb auf einige wenige Leiteranordnungen wie z.B. gerade Drähte und lange Spulen.

Vorgehen bei der Bestimmung von magnetischen Kräften

Bei der Bestimmung von magnetischen Kräften gehen wir immer in zwei Schritten vor:

  • Im ersten Schritt bestimmen wir die Richtung und den Betrag der magnetischen Feldstärke des Feldes, das von einem der beiden Ströme erzeugt wird. Wir beschränken uns dabei auf einige wenige Leiteranordnungen, und oft bei diesen auch nur auf einige Stellen des Feldes. Die Richtungsregeln und Formeln findest du in den Artikeln zu magnetischen Feldern.

    Hinweis: In Aufgaben ist oft bereits die Richtung und der Betrag der magnetischen Feldstärke angegeben; dann kann der erste Schritt entfallen.

  • Im zweiten Schritt bestimmen wir die Richtung und den Betrag der Kraft, die durch das Feld auf den zweiten Strom vermittelt wird. Hier beschränken wir uns auf Leiteranordnungen, die aus geraden Drähten bestehen. Die Richtungsregel und die Formel findest du im Artikel zur Bestimmung magnetischer Kräfte und dem Artikel zur LORENTZ-Kraft (im engeren Sinne).