Korkenzieherregel

Magnetfeld eines geraden Leiters

Ein Strom I, der durch einen geradlinigen Leiter fließt, erzeugt ein Magnetfeld B. Dessen Feldlinien verlaufen kreisförmig um den Leiter. Die Korkenzieherregel ist eine Merkregel, mit der sich die Richtung dieses Magnetfeldes anschaulich bestimmen lässt.

Die Regel wird auch Rechte-Faust-Regel, Rechter-Daumen-Regel, Schraubenregel oder Umfassungsregel genannt. Die Bezeichnung „Rechte-Hand-Regel“ ist allerdings nicht eindeutig, weil sie auch als Synonym für die Drei-Finger-Regel der rechten Hand verwendet wird. In technischen Zeichnungen stehen ⊗ für „ins Bild hinein“ und ⊙ für „aus dem Bild heraus“.

Für die umgekehrte Stromrichtung kann ergänzend eine Linke-Faust-Regel beziehungsweise Linker-Daumen-Regel verwendet werden. Das ist besonders wichtig, weil sich die technische Stromrichtung und die tatsächliche Bewegungsrichtung der Leitungselektronen entgegengesetzt verhalten.

Korkenzieher- und Schraubenregel

Bei der Korkenzieherregel wird ein Korkenzieher gedanklich so gedreht, dass er sich in der konventionellen beziehungsweise technischen Stromrichtung vorwärts bewegt. Diese Stromrichtung verläuft vom elektrischen Pluspol zum Minuspol. Der Drehsinn des Korkenziehers gibt dann die Richtung der Magnetfeldlinien an. Dabei wird vorausgesetzt, dass ein üblicher Korkenzieher nach rechts, also im Uhrzeigersinn, gedreht wird.

Die Maxwellsche Schraubenregel beschreibt dasselbe Prinzip: Wird eine Schraube in der technischen Stromrichtung vorwärts geschraubt, zeigt ihr Drehsinn die Richtung der erzeugten Magnetfeldlinien an. Auch hier wird stillschweigend eine Schraube mit Rechtsgewinde vorausgesetzt.

Rechte-Faust-Regel und Spulen

Um die Rechte-Faust-Regel anzuwenden, umfasst man den Leiter mit der rechten Hand. Der abgespreizte Daumen zeigt in die technische Stromrichtung, also vom Pluspol zum Minuspol. Die gekrümmten Finger zeigen die Umlaufrichtung des entstehenden Magnetfeldes.

Für einen Kreisstrom, zum Beispiel in der Spule eines Elektromagneten, gilt die Regel entsprechend: Werden die Finger der rechten Hand in Richtung der technischen Stromrichtung gekrümmt, zeigt der abgespreizte Daumen zum magnetischen Nordpol der Spule. Verwendet man stattdessen die linke Hand, berücksichtigt man die reale Bewegungsrichtung der Elektronen. Diese Linke-Faust- beziehungsweise Linker-Daumen-Regel setzt sich gegenüber der traditionellen Regel jedoch nur langsam durch.

Die physikalische Grundlage ist das Ampèresche Gesetz: rot H⃗ = J⃗ Dabei bezeichnet H⃗ die magnetische Feldstärke und J⃗ die elektrische Stromdichte. Die integrale Form lautet: ∮_C H⃗ · d s⃗ = ∬_A J⃗ · d a⃗ Das eine Integral wird über die stromdurchflossene Fläche A, das andere über deren Randkurve C gebildet.

Richtung der Lorentzkraft

Der Strom im Leiter erzeugt nach der Rechte-Faust-Regel ein Magnetfeld. Befindet sich der Leiter zusätzlich in einem äußeren Magnetfeld, das quer zu ihm gerichtet ist, verstärken sich die Magnetfelder auf einer Seite und schwächen sich auf der anderen Seite ab. Die Lorentzkraft F_L wirkt vom verstärkten zum abgeschwächten Magnetfeld.

Dieses Prinzip wird bei elektrodynamischen Antrieben angewendet, insbesondere bei Elektromotoren, den Schwingspulen von Lautsprechern sowie bei Galvanometerantrieben und Drehspulmesswerken.

Auch frei durch ein Magnetfeld fliegende elektrische Ladungen erfahren eine Lorentzkraft und werden von ihrer ursprünglichen Bahn abgelenkt. Die Kraft steht stets im rechten Winkel zur Bewegungsrichtung und wirkt dadurch als Zentripetalkraft. Bewegte Ladungen beschreiben in einem homogenen Magnetfeld deshalb eine Kreisbahn. Anwendungen sind die Ablenkung von Elektronen in der Bildröhre, die Krümmung geladener Teilchenbahnen in der Nebelkammer, die Ablenkung und vorübergehende berührungsfreie Aufbewahrung von Elementarteilchen in magnetisch stabilisierten Speicherringen von Teilchenbeschleunigern sowie die Sortierung von Ionen nach Art beziehungsweise Masse in der Massenspektrometrie.

Polung und Eigenschaften eines Elektromagneten

Ein Elektromagnet besteht aus vielen gleichsinnig von Strom durchflossenen Leitern in einem offenen Eisenkern. Jeder Leiter besitzt ein Magnetfeld. Weil die Stromrichtungen aller Windungen gleich sind, verlaufen die Feldlinien gleichgerichtet und summieren sich zu einem Gesamtfeld, das den gesamten Wicklungsquerschnitt umläuft.

Das Spulenende, an dem die Feldlinien gemäß der Rechte-Faust-Regel aus dem Eisenkern austreten, ist der magnetische Nordpol. Am anderen Spulenende treten sie wieder in den Eisenkern ein; dort befindet sich der magnetische Südpol. Die Polung kann daher aus der technischen Stromrichtung und der Handregel bestimmt werden. In Darstellungen können technische Stromrichtung I und Elektronenfluss e− getrennt angegeben sein.

Stromdurchflossene Spulen verformen sich außerdem: Entgegengerichtete Feldlinien benachbarter Windungen heben sich teilweise gegenseitig auf, sodass die Windungen einander näher kommen wollen. Die parallelen Feldlinien im Inneren stoßen sich dagegen gegenseitig ab und bewirken eine Vergrößerung des Innenquerschnitts. Eine Spule dehnt sich daher quer zu ihrer Längsrichtung aus und zieht sich in Längsrichtung zusammen. Dieses Verhalten wird als Prinzip der Rogetschen Wendel bezeichnet.

Elektromagnete werden unter anderem als Zug- und Haltemagnete, in Elektromotoren, zur Ablenkung bewegter Elementarteilchen und Ionen in Teilchenbeschleunigern und Massenspektrometern sowie in der medizinischen Diagnostik durch Magnetresonanztomographie eingesetzt.