Im Jahre 1820 beobachtete der dänische Naturforscher Hans Christian Oerstedt, dass ein auf dem Tisch liegender Kompass abgelenkt wurde, wenn er durch einen Draht in der Nähe einen Strom schickte. Dieser zunächst für einen Gleichstrom beobachtete Effekt liefert die Grundlage für Elektromagneten und Elektromotoren. Man kann ihn mit Hilfe von magnetischen Feldlinien beschreiben – beispielsweise richtet sich eine Kompassnadel entlang dieser Feldlinien aus.
Die magnetischen Feldlinien um einen stromdurchflossenen Leiter sind in sich geschlossen. Die so genannte magnetische Feldstärke hängt sowohl vom erzeugenden Strom $I$ als auch dem Abstand zum Leiter $r$ ab. Für einen sehr langen geraden Leiter im Vakuum gilt:
$H(r) = \frac{I}{2\ \pi\ r}$
Aus dieser Gleichung können wir direkt die Einheit der magnetischen Feldstärke ableiten, nämlich A/m.
Im Inneren einer Zylinderspule ergibt sich ein anderes Bild, weil ja jetzt der stromdurchflossene Leiter nicht gerade, sondern schraubenförmig aufgewickelt ist. Ist die Zylinderspule sehr lang verglichen mit dem Durchmesser, ergibt sich im Inneren eine lineare Form der Feldlinien, deren Feldstärke jeweils auch noch gleich ist (also eine konstante magnetische Feldstärke über den Querschnitt der Spule). Ein solches Feld bezeichnen wir als homogenes magnetisches Feld. Den Begriff hatten wir schon beim homogenen elektrischen Feld im Innern eines Plattenkondensators kennengelernt.
Wir müssen aber beachten, dass die magnetischen Feldlinien sich außerhalb der Zylinderstufe schließen, dies führt zu einem Streufeld.
Das Streufeld können wir verringern, wenn wir die Zylinderspule entlang der Längsachse zu einem Kreis (oder „Toroid“) verbiegen. Jetzt können sich die Feldlinien im Innern der Spule selbst schließen.
Wir berechnen zunächst den mittleren Umfang eines Rings mit mittlerem Durchmesser D. In der Aufgabe ist D=
$\pi\cdot 0,026\ \text{m} = 0,082\ \text{m}$
Das Magnetfeld wird bei N Windungen durch einen Strom erzeugt, der N-mal so groß ist, wie der im Leiter fließende Strom I. Daher gilt für die magnetische Feldstärke H:
$H = \dfrac{N\cdot I}{\pi \cdot D} = \dfrac{6 \cdot 2,5 \text{A}}{0,082\ \text{m}} = 183 \text{A/m}$
Als ferromagnetisch bezeichnen wir eine bestimmte Klasse an Materialien, die auf atomarer Ebene kleine Elementarmagnete enthalten, die sich unter dem Einfluss eines äußeren magnetischen Felds ausrichten und so die *magnetische Flussdichte* sehr erhöhen (mit der wir uns an dieser Stelle aber noch nicht beschäftigen. Unter den reinen chemische Elementen sind nur Eisen, Kobalt und Nickel ferromagnetisch.
Wenn wir in eine Zylinderspule einen Kern aus einem gut leitenden (nicht-ferromagnetischen) Metall wie Aluminium oder Kupfer einführen, dann sinkt die Induktivität der Spule. Das liegt daran, dass das hochfrequente Magnetfeld der Spule in den Kernen Ströme, so genannte Wirbelströme, erzeugt („induziert“). Diese sekundären Ströme erzeugen wiederum Magnetfelder, die dem Magnetfeld der Spule entgegenwirken. Deshalb sinkt die Induktivität. Das magnetische Feld im Inneren des Kerns wird dabei reduziert.
Die hier als richtig betrachtete Antwort ist die, dass das Magnetfeld nicht in den Kern eindringen kann und deshalb der Querschnitt des Feldes verringert. Das ist aber nicht ganz das, was physikalisch passiert. Einfach die „richtige“ Antwort merken ...
Die Betrachtungen zum magnetischen Feld gelten auch für Wechselstrom. Im Abschnitt zum elektromagnetischen Feld werden wir uns noch näher damit beschäftigen. In einer Antenne fließt ein Wechselstrom, der wiederum ein zeitlich variierendes Magnetfeld zur Folge hat. Wie bereits besprochen, sind magnetische Feldlinien stets in sich geschlossen, vgl. Abbildung 27. Daraus ergibt sich bereits die richtige Antwort auf diese Frage.
