Das Magnetfeld der Erde ist eine besondere Form der Existenz von Materie und hat zur Entstehung und Erhaltung von Leben beigetragen. Fragmente dieses Feldes, Erzstücke, die vom Eisen angezogen werden, führten zu Strom im Dienste der Menschheit. Ohne Strom wäre ein Überleben nicht denkbar.
Inhalt
Was sind magnetische Induktionslinien?
Das Magnetfeld wird durch die Intensität an jedem Punkt im Raum definiert. Kurven, die Feldpunkte gleicher Modulospannungen verbinden, werden als magnetische Induktionslinien bezeichnet. Die magnetische Feldstärke an einem bestimmten Punkt ist eine Kraftcharakteristik, zu deren Abschätzung der Magnetfeldvektor B verwendet wird, dessen Richtung an einem bestimmten Punkt der magnetischen Induktionslinie tangential zu ihr verläuft.
Wird ein Punkt im Raum von mehreren Magnetfeldern beeinflusst, wird die Stärke durch Summierung der magnetischen Induktionsvektoren jedes einwirkenden Magnetfeldes bestimmt. In diesem Fall wird die Intensität an einem bestimmten Punkt modulo summiert, und der Vektor der magnetischen Induktion ist definiert als die Summe der Vektoren aller Magnetfelder.
Obwohl magnetische Induktionslinien unsichtbar sind, haben sie bestimmte Eigenschaften:
- Es wird angenommen, dass die magnetischen Feldlinien am Pol (N) austreten und von (S) zurückkehren.
- Die Richtung des Vektors der magnetischen Induktion ist tangential zur Linie.
- Trotz der komplexen Form überschneiden sich die Kurven nicht und sind zwangsläufig kurzgeschlossen.
- Das Magnetfeld im Inneren des Magneten ist homogen und die Liniendichte ist maximal.
- Nur eine magnetische Induktionslinie verläuft durch einen Punkt im Feld.
Richtung der magnetischen Induktionslinien im Inneren eines Dauermagneten
Historisch gesehen wurde die natürliche Eigenschaft bestimmter Steine, Eisen anzuziehen, schon lange an vielen Orten der Erde beobachtet. Im alten China wurden Pfeile, die in einer bestimmten Weise aus Eisenerzstücken (magnetischem Eisenstein) geschnitzt waren, im Laufe der Zeit zu Kompassen, die die Richtung zum Nord- und Südpol der Erde anzeigten und die Orientierung auf dem Boden ermöglichten.
Die Erforschung dieses natürlichen Phänomens hat gezeigt, dass Eisenlegierungen über einen längeren Zeitraum eine stärkere magnetische Eigenschaft haben. Schwächere natürliche Magnete sind nickel- oder kobalthaltige Erze. Bei der Erforschung der Elektrizität lernten die Wissenschaftler, wie man aus eisen-, nickel- oder kobalthaltigen Legierungen künstlich magnetisierte Gegenstände herstellen kann. Dazu wurden sie in ein durch elektrischen Gleichstrom erzeugtes Magnetfeld gebracht und gegebenenfalls durch Wechselstrom entmagnetisiert.
In der Natur magnetisierte oder künstlich hergestellte Produkte haben zwei unterschiedliche Pole - die Orte, an denen der Magnetismus am stärksten konzentriert ist. Die Magnete stehen durch ein Magnetfeld miteinander in Wechselwirkung, so dass sich gleichnamige Pole abstoßen und verschiedennamige Pole anziehen. Diese bilden Drehmomente für ihre Orientierung im Raum stärkerer Felder, z.B. dem Feld der Erde.
Eine visuelle Darstellung der Wechselwirkung zwischen schwach magnetisierten Elementen und einem starken Magneten bietet die klassische Erfahrung mit Stahlspänen, die auf einem Karton verstreut sind, und einem flachen Magneten darunter. Vor allem wenn das Sägemehl länglich ist, kann man deutlich sehen, wie es sich entlang der Kraftlinien des Magnetfeldes ausrichtet. Ändert man die Position des Magneten unter dem Karton, so ändert sich auch die Konfiguration des Bildes. Durch die Verwendung von Kompassen in diesem Experiment wird das Verständnis für die Struktur des Magnetfelds weiter verbessert.
Eine der Eigenschaften der Magnetfeldlinien, die von M. Faraday meint, dass sie geschlossen und kontinuierlich sind. Vom Nordpol eines Dauermagneten ausgehende Leitungen treten in den Südpol ein. Im Inneren des Magneten sind sie jedoch nicht offen und treten vom Südpol in den Nordpol ein. Die Anzahl der Linien im Inneren des Produkts wird maximiert, das Magnetfeld ist homogen und die Induktion kann beim Entmagnetisieren schwächer werden.
Bestimmung der Richtung des magnetischen Induktionsvektors mit Hilfe der Bohrerregel
Anfang des 19. Jahrhunderts entdeckten Wissenschaftler, dass um einen stromdurchflossenen Leiter ein Magnetfeld entsteht. Die entstehenden Kraftlinien verhalten sich nach denselben Regeln wie ein natürlicher Magnet. Darüber hinaus bildete die Wechselwirkung zwischen dem elektrischen Feld eines stromdurchflossenen Leiters und dem magnetischen Feld die Grundlage für die elektromagnetische Dynamik.
Wenn man die räumliche Ausrichtung der Kräfte in den interagierenden Feldern versteht, kann man die axialen Vektoren berechnen:
- Magnetische Induktion;
- Größe und Richtung des Induktionsstroms;
- Winkelgeschwindigkeit.
Dieses Verständnis wurde in der Regel des Borax formuliert.
Kombiniert man die Translationsbewegung des rechten Borawliks mit der Richtung des Stroms im Leiter, erhält man die Richtung der Magnetfeldlinien, die durch die Drehung der Kurbel angezeigt wird.
Da es sich nicht um ein physikalisches Gesetz handelt, wird die Regel des Schnitzers in der Elektrotechnik nicht nur verwendet, um die Richtung der magnetischen Feldlinien in Abhängigkeit vom Stromvektor im Leiter zu bestimmen, sondern im Gegenteil, um die Stromrichtung in den Magnetdrähten aufgrund der Drehung der magnetischen Induktionslinien zu bestimmen.
Das Verständnis dieser Beziehung ermöglichte es Ampere, das Gesetz der rotierenden Felder zu begründen, was zur Entwicklung von Elektromotoren verschiedener Prinzipien führte. Alle induktiven Geräte, die Induktionsspulen verwenden, folgen der Regel des Borax.
Regel der rechten Hand
Die Bestimmung der Richtung eines Stroms, der sich im Magnetfeld eines Leiters (einer Seite einer geschlossenen Spule aus Leitern) bewegt, wird durch die Rechte-Hand-Regel deutlich gemacht.
Sie besagt, dass das Magnetfeld in einer geschlossenen Schleife (Spule) einen elektrischen Strom induziert, dessen Bewegungsvektor von den vier Fingern angezeigt wird, wenn die rechte Handfläche zum N-Pol gedreht wird (Stromleitungen treten in die Handfläche ein) und der Daumen um 90 Grad abgewinkelt wird, um die Richtung des Leiters anzuzeigen.
Diese Regel zeigt, wie Gleichstromgeneratoren ursprünglich aussahen. Eine Naturkraft (Wasser, Wind) drehte eine geschlossene Schleife von Leitern in einem Magnetfeld und erzeugte so Strom. Dann wandelten Motoren, die elektrischen Strom in einem konstanten Magnetfeld erhielten, diesen in mechanische Bewegung um.
Die Rechte-Hand-Regel gilt auch für Induktionsspulen. Die Bewegung eines Magnetkerns in ihnen erzeugt Induktionsströme.
Wenn die vier Finger der rechten Hand auf die Stromrichtung in den Spulen einer Spule ausgerichtet sind, dann zeigt der um 90 Grad abgewinkelte Daumen auf den Nordpol.
Die Borax-Regel und die Rechte-Hand-Regel demonstrieren erfolgreich die Wechselwirkung von elektrischen und magnetischen Feldern. Sie machen das Verständnis für die Funktionsweise verschiedener elektrotechnischer Geräte nicht nur für Wissenschaftler, sondern für fast jeden zugänglich.
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