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Oerstedsches Gesetz

Physik

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Basiswissen


Ein Strom erzeugt immer ein Magnetfeld: elektrischer Strom besteht aus Ladungen, die in eine gemeinsame Richtung fließen. Ein solcher Strom umgibt sich immer mit einem Magnetfeld. Das nennt man das Oerstedsche Prinzip.[1] Den Effekt erkennt man zum Beispiel daran, dass fließender Strom Magnetnadeln ablenken kann. Das Gesetz gilt aber ganz allgemein für jede bewegte Ladung. Das ist hier näher erklärt.



Bildbeschreibung und Urheberrecht
Der Daumen zeigt in die technische Stromrichtung: die technische Stromrichtung zeigt immer in Richtung vom Plus- zum Minuspol. Die gekrümmten Finger zeigen dann in Richtung der Magnetfeldlinien. © Jfmelero (Wikimedia) ☛


Aussage des Oerstedschen Gesetzes


Ein elektrischer Strom erzeugt um sich herum immer ein Magnetfeld. Wenn man zum Beispiel einen Gleichstrom von etwa 3 Ampere durch einen geraden Draht fließen lässt, können damit gut sichtbar große Magnetnadeln abgelenkt werden. Das Gesetz geht auf das Jahr 1820 zurück. Die Verwunderung, dass es überhaupt einen Zusammenhang mit Elektrizität und Magnetismus gibt war so groß, dass es bei den ersten Vorführung des Effektes hochrangige Zeuge zur Beglaubigung anwesend sein mussten. Zum historischen Hintergrund siehe auch Oerstedscher Magnetnadelversuch ↗

Linke-Faust-Regel


Man hält den Daumen in Richtung der fließenden Elektronen, so wie sie sich vom Minuspol zum Pluspol bewegen würden: Hält man dann die restlichen Finger leicht gekrümmt, zeigen die Fingerspitzen die Richtung der Magnetfeldlinien an. Diese gehen immer von Nord nach Süd. Siehe auch Linke-Faust-Regel ↗

Rechte-Faust-Regel


Lasse den Daumen in die technische Stromrichtung zeigen: vom Plus- zum Minuspol: Halte die Finger dabei auf natürliche Weise leicht nach innen zur Handfläche hin gekrümmt. Die Finger folgen dabei in etwa der Form der gedachten Magnetfeldlinien um den Stromfluß herum. Siehe auch Rechte-Faust-Regel ↗

Tragweite


Hans Christian Oersted war ein dänischer Naturphilosoph. Im Jahr 1820 bemerkte er, dass ein stromdurchflossener Leiter eine Magnetnadel ablenken kann. Zwar wurde die Beobachtung auch schon früher gemacht, aber Oersted war es, der die Tragweite der Beobachtung erkannte: es gibt eine Verbindung zwischen elektrischen und magnetischen Phänomenen. Eine unmittelbare Folge aus Oersteds Beobachtungen war z. B. die Entwicklung von Elektromagneten sowie Theorien zur Entstehung des Erdmagnetfeldes. Siehe zum Beispiel Elektromagnet ↗

Gilt auch die Umkehraussage?


Man wusste dann also, dass elektrische Ströme Magnetfelder erzeugen oder beeinflussen können. Aber geht es auch umgekehrt? Diese Frage stellte sich sofort: können auch Magnetfelder elektrische Ströme erzeugen? Viele Jahre wurde das vergeblich versucht. Man probierte dazu auf verschiedene Weisen Magnetfelder dazu zu bringen, dass sie einen elektrischen Strom erzeugen. Das gelang aber nicht. Der Schlüssel war es dann, dass man Magnetfelder an und aus macht oder stark und schwach. Dadurch konnten plötzlich elektrische Ströme erzeugt werden. Der wesentliche Punkt ist: Ein konstantes Magnetfeld erzeugt in einem ruhenden Leiter keinen elektrischen Strom. Ein sich veränderndes Magnetfeld aber sehr wohl. Man nennt dieses Prinzip Induktion ↗

Kann man den Effekt selbst nachstellen?


Ja, es genügt ein Metalldraht und eine Spannungsquelle wie eine kleine Batterie oder ein Labornetzteil: Fließt Strom durch den Leiter kann man einen einfachen Magneten in seine Nähe bringen. Schaltet man den Strom an und aus, wird sich dadurch die Magnetnadel etwas bewegen. Eine Stromstärke von zum Beispiel 3 Ampere ist für den Effekt völlig ausreichend. Eine Schritt-für-Schritt Anleitung dazu steht unter Kiste 12 Luftspulenmagnetversuch ↗

Gibt es das Magnetfeld wirklich?


Ob es das Magnetfeld wirklich gibt, kann nicht eindeutig gesagt werden. Das Oerstedsche Gesetz gilt nicht nur für elektrische Ströme in Leitungen sondern ganz allgemein für jede elektrische Ladung: bewegt sich eine elektrische Ladung relativ zu einem Beobachter, so wird dieser Beobachter immer ein Magnetfeld um diese Ladung messen können. Auch der Umkehrschluss gilt: ist eine elektrische Ladung relativ zu einem Beobachter in Bewegung, wird der Beobachter kein Magnetfeld feststellen können, ganz gleich, wie gut er misst.

MERKSATZ:

Fliegt eine elektrische Ladung einem Beobachter vorbei, so stellt der Beobachter ein Magnetfeld fest. Bewegt sich der Beobachter dann gemeinsam mit der Ladung in dieselbe Richtung und mit derselben Geschwindigkeit, ist das Magnetfeld für ihn verschwunden.

Einstein und der modernen Physik zufolge, ist die Frage, ob es das Magnetfeld wirklich gibt oder nicht unsinnig. Die physikalischen Effekte hängen vom Bezugssystem des jeweiligen Beobachters ab.[2] Siehe mehr dazu im Artikel zur sogenannten Relativität ↗

Quaestiones


  • 1) Die Driftgeschwindigkeit von Elektronen in einem Leiter liegt bei nur wenigen Zentimetern pro Sekunde. Ein Kompass, den man dann mit der Bewegungsrichtung der Elektronen in ihrer Geschwindigkeit bewegt, dürfte durch den stromdurchflossenen Leiter keine Ablenkung von magnetisch Nord zeigen. Gibt es einen einfachen Tischversuch, der das Verschwinden eines Magnetfeldes bei Mitwegung bewegter Ladungen zeigen kann?

Fußnoten


  • [1] Hans Christian Oersted: Experimenta circa effectum conflictus electrici in acum magneticam, Eigenverlag 1820. Eine Transkription der "Experimenta" auf Deutsch steht im Artikel Oerstedscher Magnetnadelversuch ↗
  • [2] Die Relativität des Magnetfeldes unterstrich im Jahr 1927 der Astrophysiker Arthur Stanley Eddington: "Consider an electrically charged body at rest on the earth. Since it is at rest it gives an electric fieldbut no magnetic field. But for the nebular physicist it is a charged body moving at 1000 miles asecond. A moving charge constitutes an electric current which in accordance with the laws ofelectromagnetism gives rise to a magnetic field. How can the same body both give and not give amagnetic field? On the classical theory we should have had to explain one of these results as anillusion. (There is no difficulty in doing that; only there is nothing to indicate which of the tworesults is the one to be explained away.) On the relativity theory both results are accepted. Magneticfields are relative. There is no magnetic field relative to the terrestrial frame of space; there is amagnetic field relative to the nebular frame of space. The nebular physicist will duly detect themagnetic field with his instruments although our instruments show no magnetic field. That isbecause he uses instruments at rest on his planet and we use instruments at rest on ours; or at least we correct our observations to accord with the indications of instruments at rest in our respectiveframes of space.Is there really a magnetic field or not?" In: Arthur Stanley Eddington: The Nature of the Physical World. MacMillan, 1928 (Gifford Lectures). Dort die Seite 22. Deutsch: Die Natur der physikalischen Welt. Die Gifford Vorlesungen 1927 in Deutsch. Siehe auch Relativität ↗