Ein unendlich langer, gerader Leiter mit kreisförmigem Querschnitt wird von dem Strom
Abbildung 1
a) Bestimmen Sie die magnetische Feldstärke
Der Leiter steht weiterhin senkrecht auf der
b) Bestimmen Sie die magnetische Feldstärke
a) magnetische Feldstärke
Ein gerader vom Strom
Abbildung 2
Hinweis:
Ein Rechtssystem ist durch das Kreuzprodukt seiner Einheitsvektoren definiert. So gilt zum Beispiel (für Zylinderkoordinaten):
Das Ergebnis des Kreuzprodukts ist ein Vektor, der senkrecht auf der von den beiden anderen Vektoren aufgespannten Ebene steht. Das Vorzeichen des Ergebnisses hängt von der Reihenfolge der Produktterme ab. Das Produkt ist nicht kommutativ. Bildet man das Kreuzprodukt in der angegebenen Reihenfolge, erhält der Ergebnisvektor ein positives Vorzeichen. Kehrt man dagegen die Reihenfolge um, erhält der Ergebnisvektor ein negatives Vorzeichen.
Kommen wir jetzt zurück zu dem Zusammenhang zwischen der Richtung des Stroms in dem geraden Leiter und der Richtung des Feldstärkevektors.
Man erhält die Stromrichtung aus dem Feldstärkevektor, indem man das Kreuzprodukt aus dem Einheitsradiusvektor
Man erhält die Richtung des Feldstärkevektors aus der Stromrichtung, indem man das Kreuzprodukt aus der Stromrichtung und dem Einheitsradiusvektor
Wendet man diese Regel auf die Anordnung in Abbildung
Kombiniert man die Gleichungen (1) und (2), erhält man den magnetischen Feldstärkevektor
Nun ist allerdings in der Aufgabenstellung gefordert, dass der Feldstärkevektor als Summe seiner kartesischen Komponenten dargestellt wird. Dazu muss der Einheitsvektor
Möglichkeit 1:
Wie man aus Abbildung (1) ablesen kann, gilt für die Vektorzerlegung
Setzt man Gleichung (4) in (3) ein, erhält man das Ergebnis
Um die magnetische Feldstärke als Funktion der kartesischen Koordinaten
Setzt man die Gleichungen (6) bis (8) in (5) ein, erhält man das gewünschte Resultat.
Dieses Vorgehen setzt jedoch voraus, dass Gleichung (5) bereits als Zwischenergebnis vorliegt.
Möglichkeit 2
Mit Hilfe des Kreuzproduktes kann man den Einheitsvektor
Setzt man diese Beziehung in Gleichung (3) ein, erhält man
Anschließend wird Gleichung (9) noch mit dem Betrag
Mit dieser Darstellungsform tritt das Problem der Vektorzerlegung von
Zuletzt muss noch das Kreuzprodukt mit
Damit hat man auf einem anderen Lösungsweg das gleiche Ergebnis wie in Gleichung (11) erzielt.
b) magnetische Feldstärke
Der Leitermittelpunkt liegt nun nicht mehr im Koordinatenursprung. Die Feldlinien der magnetischen Feldstärke bilden auch hier konzentrische Kreise um den Leitermittelpunkt, aber nicht um den Koordinatenursprung.
Abbildung 3
Um dennoch die Ergebnisse aus a) verwenden zu können, wird ein Hilfskoordinatensystem eingeführt. Die Achsen dieses Systems sind mit
Die gesuchte Feldstärke soll jedoch nicht in den Koordinaten des Hilfskoordinatensystems sondern in denen des gegebenen Systems ausgedrückt werden. Dazu muss
ersetzt man nun
Nun müssen die Abstandsvektoren
Im letzten Schritt muss noch das Vektorprodukt ausgeführt werden.
a)
b)