Magnetic Fields

00:01 Wir haben jetzt die Grundlagen der Elektrizität und der Stromkreise besprochen und wie Elektrizität in Stromkreisen fließt - Also sind wir bereit, zum Magnetismus überzugehen.

00:10 Noch einmal zum Überblick: Wir haben bereits das Gebiet der Mechanik besprochen, sowie die Gesetze für Flüssigkeiten und Gase, also schließen wir nun unseren Abschnitt über Elektrizität, Stromkreise und Magnetismus ab, bevor wir uns den Wellenphänomenen und dann den mikroskopischen Strukturen zuwenden.

00:27 Wir schließen jetzt das Gebiet des Magnetismus ab.

00:30 In dieser Diskussion über Magnetismus beginnen wir mit Magnetfeldern und wie Magnetfelder funktionieren, und dann werden wir die Kräfte besprechen, die Ladungen erfahren, wenn sie sich in der Nähe von Magnetfeldern befinden.

00:41 Aber zuerst wollen wir uns mit den Magnetfeldern beschäftigen.

00:43 Magnetische Felder entstehen durch die Bewegung elektrischer Ladungen.

00:49 Wenn wir also zum Beispiel eine Ladung haben, die sich durch einen Draht wie diesen bewegt, entsteht der Strom, der durch den Draht fließt.

00:55 Dieser erzeugt ein Magnetfeld, das den gesamten Draht kreisförmig umgibt, und durch magnetische Feldlinien dargestellt wird.

01:00 Die Stärke dieses Magnetfeldes, auch magnetische Feldstärke genannt, ist proportional zum Strom I, der durch den Draht fließt.

01:06 Das ist also nicht die Zahl eins.

01:07 Es ist die Stromstärke I, geteilt durch die Entfernung, die du vom Draht entfernt bist.

01:12 Der tatsächliche mathematische Ausdruck für die magnetische Feldstärke, die man erfährt, wenn man sich in einer bestimmten Entfernung von einem Leiter wie diesem befindet, ist ein viel komplizierterer Ausdruck.

01:21 Nun ist das Wichtigste für uns also, dass wir wissen, dass sie proportional zur Stromstärke, die durch den Draht fließt, und zur Entfernung vom Kabel ist.

01:31 Die Einheit der magnetischen Feldstärke ist Kraft pro Ladung mal Geschwindigkeit oder Newton pro Ampere mal Meter.

01:39 Wir nennen diese Einheit Tesla und symbolisieren dies mit dem Buchstaben T.

01:44 Das magnetische Feld, das von einem Draht erzeugt wird, finden wir durch die Anwendung der Rechten-Hand-Regel.

01:52 Was du tust, ist genau das, was auf dem Bild hier gezeigt ist.

01:54 Richte zunächst deinen Daumen in die Flussrichtung des Stroms.

01:58 und dann krümmst du deine Finger in die Richtung, in der das Magnetfeld erzeugt wird.

02:04 Wenn du also deinen Daumen in die Richtung des Stromflusses hältst, und dann deine Finger krümmst, als würden sie deinen Daumen umschlingen, dann findest du die kreisförmige Richtung, des Magnetfeldes und der magnetischen Feldlinien.

02:17 Manchmal sprechen wir über ein Magnetfeld, das in eine Fläche eintritt oder aus einer Fläche heraustritt, denn Ströme und Magnetfelder stehen immer in einem dreidimensionalen Zusammenhang.

02:29 Es ist schwierig, sich einen linearen Stromfluss und das Magnetfeld, das ihn umgibt, vorzustellen.

02:33 Daher werden wir diese Vorstellung oft als nützlich empfinden, dass es in die Seite hinein oder aus ihr heraus tritt, wenn man es so sagen möchte.

02:40 Wenn wir über einen beliebigen Vektor sprechen, ist es üblich, dass wir es mit einem X wie diesem markieren, wenn er in die Seite eindringt, Wenn er aus der Seite auf uns zukommt, markieren wir dies stattdessen mit einem Punkt. Beides unabhängig davon, ob der Strom oder das Magnetfeld gemeint wird.

02:54 Wenn wir also, wie bereits besprochen, die Rechte-Hand-Regel verwenden, können wir über den Strom sprechen, der auf die Seite zufließt, indem wir wieder dasselbe tun.

03:02 Wir halten unseren Daumen in die Richtung des Stroms, der jetzt in die Seite fließt.

03:05 Unsere Finger krümmen sich um die Achse unseres Daumens, und zeigen uns die Richtung des Magnetfeldes.

03:12 Wir können genau das Gleiche für den Strom tun, der aus der Seite fließt.

03:16 und dann unsere Finger noch einmal um die Flussrichtung des Stroms krümmen, die wir durch unseren Daumen simulieren, um so die Richtung der Krümmung des Magnetfeldes zu ermitteln.

03:28 Manchmal möchten wir allerdings nicht, dass unser Magnetfeld im Kreis verläuft, sondern wollen nur eine gerade Linie eines Magnetfeldes.

03:35 Aber wir können sehr raffiniert sein und einen Draht immer und immer wieder zu einer Schleife wickeln.

03:40 Und wenn du die Rechte-Hand-Regel oft genug ausprobierst, du kannst deinen Daumen in die Richtung der Strömung halten, wie dieser Schleifendraht verläuft, und dich selbst davon überzeugen, wenn du dich lange genug damit beschäftigst, dass du in der Tat ein lineares Magnetfeld erhältst, das in derselben Richtung verläuft, wie der Strom, der durch diesen Draht fließt.

04:00 Die Richtung dieses Magnetfeldes lässt sich wiederum mit Hilfe der Rechten-Hand-Regel bestimmen, aber dieses Mal kannst du es auch auf eine etwas andere Weise verwenden.

04:06 Wenn du die Richtung Stroms kennst, und du nun versuchst, die Richtung deines Magnetfeldes im Inneren dieser Schleife zu finden, die wir Magnetspule nennen, tust du etwas ganz anderes.

04:17 Du krümmst deine Finger in Richtung des gewickelten Drahtes und dann gibt der Daumen die Richtung des Magnetfeldes an.

04:26 Ein weiteres Phänomen, auf das wir unbedingt eingehen sollten wenn wir uns mit Magneten beschäftigen, ist die Idee eines Stabmagneten.

04:34 Wir sind normalerweise mit der Vorstellung eines Stabmagneten einigermaßen vertraut, sowie mit der Tatsache, dass ein Stabmagnet sowohl einen Nord- als auch einen Südpol hat, und der Vorstellung, dass sich Nord- und Südpol normalerweise gegenseitig abstoßen wollen.

04:45 Wir sollten aber auch wissen, wie das Magnetfeld in einem bestimmten Stabmagneten verläuft, und die magnetischen Feldlinien verlaufen bei einem Stabmagneten wie diesem immer von Norden nach Süden.

04:57 Es ist auch wichtig zu wissen, dass es bei Magnetfelder im Gegensatz zu Ladungen, keine Quelle des Magnetfeldes existiert, von dem ein Magnetfeld ausgeht.

05:10 Daher gibt zum Beispiel nichts, das einer magnetischen Ladung entsprechen würde.

05:15 Trotz zahlreicher Nachforschungen wurde in der Natur noch nichts dergleichen entdeckt.

05:19 Untersuchungen sind zum Teil noch im Gange, aber, wie gesagt, wurde nichts entdeckt, und es gibt keinen Grund zu der Annahme, dass es so etwas wie ein einzelnes magnetisches Ladungsäquivalent geben könnte, das vergleichbar mit einer einzelnen elektrischen Ladung wäre, von dem ein Magnetfeld entspringen könnte.

05:33 Mit anderen Worten: Es gibt keine magnetischen Monopole.

05:39 Dieser Stabmagnet, den du siehst, wird oft als magnetischer Dipol bezeichnet, weil er einen Nord- und einen Südpol hat.

05:46 Aber so etwas, wie einen isolierten Nordpol zum Beispiel, gibt es nicht, von dem direkt magnetischen Feldlinien ausgehen würden, ohne einen entsprechenden Südpol.

05:55 Es ist auch wichtig zu wissen, wie sich ein Stabmagnet oder ein anderes magnetisches Objekt verhält bei Vorhandensein anderer Magnetfelder.

06:01 Er wird immer versuchen, sich zu drehen, um sich an dem vorhandenen Magnetfeld auszurichten, Und sich als Reaktion auf das Magnetfeld drehen, um sich entsprechend Norden nach Süden und Süden nach Norden auszurichten, damit die magnetischen Feldlinien alle in dieselbe Richtung zeigen.

06:19 Wenn wir über Magnetfelder sprechen, wie die, welche von diesen beiden Drähten erzeugt werden, sollten wir uns auch darüber im Klaren sein, dass diese Felder sich ebenfalls überlagern können.

06:30 Mit anderen Worten, wenn ich das Magnetfeld dieses oberen Drahtes kenne und auch das Magnetfeld des unteren Drahtes kenne, da ich sowohl den Stromfluss kenne und die Rechte-Hand-Regel verwendet habe, wie wir bereits besprochen haben, muss ich einfach das Magnetfeld von jedem Draht addieren, um das gesamte Magnetfeld zu definieren, das zum Beispiel zwischen ihnen und um sie herum verläuft.

06:48 Und um die Richtung der Magnetfelder dieser Drähte zu bestimmen, würdest du einfach wieder die Rechte-Hand-Regel anwenden.

06:54 Bei diesem unteren Draht fließt der Strom also nach links.

06:58 Das Magnetfeld tritt also auf dieser Seite in die Fläche ein, und dann auf der anderen Seite aus der Fläche wieder heraus.

07:04 Das Gleiche gilt für den oberen Draht, den wir hier haben.

07:08 Wir können die gleiche Untersuchung durchführen, wiederum unter Verwendung der Rechten-Hand-Regel, die Richtung des Stroms beachten und dann die Finger um den Daumen krümmen, um zu sehen in welcher Richtung das Magnetfeld verläuft.

07:17 Auch hier gilt, dass die Punkte magnetische Feldlinien darstellen, die aus der Fläche heraus gerichtet sind, und das X für magnetische Feldlinien, die in die Seite hinein gerichtet sind.