10.11 Handregeln zur Richtungsbestimmung in stromdurchflossenen Leitern
10.11.1 Definition
Bei den Handregeln geht man von folgender Festlegung aus:
– Die Feldlinien treten durch die Handinnenfläche ein
– Die Bewegungsrichtung des Leiters wird durch den abgespreizten Daumen bestimmt
– Die Stromrichtung wird durch die ausgestreckten Finger bestimmt
Ausgehend von diesen Festlegungen kann nun das Verhalten von stromdurchflossenen und bewegten Leitern im Magnetfeld bestimmt werden.
10.11.2 Die Linke Hand-Regel (Motor-Regel)
10.11.2.1 Formulierung der Regel
Das magnetische Feld eines geraden, stromdurchflossenen Leiters bildet sich in konzentrischen Kreisen um den Leiter aus, wobei die Richtung der Feldlinien durch die Rechtsschraubenregel festgelegt wird.
Wird nun dieser stromdurchflossene Leiter in ein Magnetfeld (dessen Stärke durch die Flussdichte B angegeben wird) eingebracht, kommt es auf einer Seite des Leiters zu einer Verstärkung, auf der anderen Seite zu einer Abschwächung des resultierenden Feldes.
Im oben dargestellten Fall wird das Magnetfeld auf der rechten Seite des Leiters verstärkt, auf der linken abgeschwächt. Gleichzeitig werden die Magnetfeldlinien verzerrt und gegenüber dem ursprünglichen Feld verlängert. Die Feldlinien versuchen nun, ihre ursprüngliche Länge wieder einzunehmen. Dieses Bestreben macht sich in Form einer Kraftwirkung auf den Leiter bemerkbar. In diesem Fall wirkt die Kraft nach links. Mit diesen Vorgaben kann nun die „Linke Hand-Regel“ formuliert werden:
„Hält man die geöffnete linke Hand so, dass die Feldlinien durch die Handinnenfläche eintreten
und der Strom in Richtung der gestreckten Finger fließt, dann wirkt die Kraft in Richtung des im
rechten Winkel abgespreizten Daumen.“
Zur Anwendung kommt die Linke Hand-Regel bei der Drehrichtungsbestimmung von Motoren.
10.11.2.2 Berechnung der Ablenkkraft
Die Größe der Ablenkkraft F ist von folgenden Größen abhängig:
Stärke des Magnetfeldes
Länge des Leiters im Magnetfeld
Stromstärke
Es gilt daher die Formel:
Anmerkung: die Ablenkkraft wird auch als „Lorentzkraft“ bezeichnet.
10.11.3 Die Rechte Hand-Regel (Generator-Regel)
10.11.3.1 Formulierung der Regel
Bewegt man einen Leiter in einem Magnetfeld derart, dass er im rechten Winkel zum Magnetfeld bewegt wird und gleichzeitig die Feldlinien geschnitten werden, dann wirkt auf die freien Ladungsträger im Leiter eine Ablenkkraft und sie werden in Richtung der Leiterlängsachse abgelenkt.
Diese Ablenkung bewirkt aber einen Ladungstransport und damit einen Stromfluss im Leiter. Um die Richtung des Stromes bestimmen zu können benötigt man die „Rechte Hand-Regel“:
„Hält man die geöffnete rechte Hand so, dass die Feldlinien durch die Handinnenfläche eintreten
und der Leiter sich in die Richtung des rechtwinkelig abgespreizten Daumens bewegt, dann fließt
der Strom in die Richtung der ausgestreckten Finger.“
Mit Hilfe der Rechten Hand-Regel kann bei gegebener Drehrichtung die Stromrichtung in einem Generator bestimmt werden.
10.11.3.2 Berechnung der induzierten Spannung
Da der Leiter keinen geschlossenen Stromkreis darstellt, wird die Bewegung der Ladungsträger durch die Länge des Leiters eingeschränkt. Die Ladungsträger „sammeln“ sich an den Enden des Leiters, die positiven Ladungen an einem Ende („Pluspol“), die negativen Ladungen am anderen Ende („Minuspol“).
Zwischen den Leiterenden besteht somit eine Potenzialdifferenz, die als „induzierte Spannung“ bezeichnet wird. Die Höhe der Spannung ist von folgenden Faktoren abhängig:
Stärke des Magnetfeldes
Länge des Leiters im Magnetfeld
Geschwindigkeit
Es gilt folgende Formel:
Anmerkung: in der Realität bewegen sich im Leiter nur die freien Elektronen und bilden den Minuspol. Der Pluspol entsteht durch das „Fehlen“ von Elektronen am anderen Ende des Leiters.
Eine genauere Beschreibung der Spannungsinduktion erfolgt im Kapitel „11 Induktivität / Spulen“.
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