@Prof.nixblick Weiss nicht, ob du etwas damit anfangen kannst. Wie du schon selber gesagt hast, oder zugegeben hast, bist du nicht so gebildet wie ich!
MAGNETISCHE ENERGIE
Zur Erinnerung: Die Energiedichte des (statischen) Magnetfeldes im Vakuum beträgt (mit als "magnetischer Induktion"):
(CGS-System)
Bei Anwesenheit von Materie hat man für das Magnetfeld (erzeugt durch die "freien Ströme") und die Magnetisierung (magnetisches Moment pro Volumeneinheit):
Die Energiedichte ist dann
Auf einen magnetischen Dipol wird durch das Magnetfeld das Drehmoment
ausgeübt. Hier ist das Drehmoment als bezeichnet, um der Verwechslungsgefahr mit der Magnetisierung zu entgehen.
Falls dieses magnetische Moment an einen starren Körper gekoppelt ist, der rotieren kann, so ergibt sich die zeitliche Änderung der Rotationsenergie zu:
(Wegen der starren Rotation ist )
Solange konstant ist, kann man deshalb sagen, daß
also
ist. In diesem Fall spielt
die Rolle einer potentiellen Energie des magnetischen Dipols im festen Magnetfeld. Es ist jedoch wichtig, zu bemerken, daß auch
diesen Zweck erfüllt. Das Hinzufügen der Konstanten hat wie üblich auf die Bewegungsgleichungen des Systems keine Auswirkungen. Aber es zeigt, daß man nicht von vornherein
als Energie des Systems definieren darf, falls man z.B. die Energieerhaltung bei Veränderung des externen Magnetfeldes analysieren will. Tatsächlich ist es notwendig, gleichzeitig die Rotations- (kinetische) Energie des Systems und die Feldenergie insgesamt zu betrachten.
Um nicht irgendeinen Energiebeitrag zu übersehen, ist es deshalb besser, statt
(Volumen V, Magnetisierung des Systems)
die von außen zugeführte Energie anzuschauen.
Es geht also darum, die Arbeit zu berechnen, welche durch die Spannungsquelle einer Spule geleistet werden muß, um einen Körper (in der Spule) zu magnetisieren.
Das durch den Strom I erzeugte Magnetfeld ist wegen
gleich
(l: Spulenlänge, N: Windungszahl)
Während des Vorgangs soll sich das B-Feld in der Spule ändern. Durch diese Änderung des magnetischen Flusses wird eine Spannung induziert, die bei zunehmender Stromstärke gegen den Strom wirkt (Lenzsche Regel):
(A: Querschnittsfläche der Spule)
Damit der Stromfluß aufrechterhalten wird, muß die Spannungsquelle eine gleich große, entgegengesetzt gerichtete Spannung aufbringen. Es werden hierbei die Ohmschen Verluste vernachlässigt. Diese würden dazu führen, daß die Spannungsquelle noch eine etwas höhere Spannung aufbringen müßte (). Die zusätzlich geleistete Arbeit würde als Wärme "verlorengehen". Wenn man also annimmt, daß keine Ohmschen Verluste auftreten, so muß die Spannungsquelle nur dann Arbeit leisten, wenn sich das Magnetfeld ändert. Nur dann ist die Spannung ungleich Null. Diese Arbeit dient sowohl zur Erhöhung der Energie des Magnetfeldes in der Spule als auch zur Magnetisierung des Körpers. Sie beträgt
Wenn man dieses Integral vom Anfangszeitpunkt zum Endzeitpunkt erstreckt, erhält man die gesamte von der Spule geleistete Arbeit. Nun könnte man dies als Energieänderung des betrachteten magnetischen Systems ansehen. Da aber selbst ohne den Körper in der Spule eine gewisse Arbeit aufgebracht worden wäre (um das Magnetfeld H in der Spule aufzubauen), spaltet man W in zwei Anteile auf: Ein Anteil ergibt die (Änderung der) Feldenergie für eine leere Spule, der andere wird als Energieänderung des Systems angesehen:
1 und 2 bezeichnen dabei Anfangs- und Endzustand (-zeitpunkt). Der erste Term ergibt die Energie, die das Feld allein (ohne anwesenden magnetisierbaren Körper) hinzugewonnen hätte. Der zweite Term kann deshalb als Energie aufgefaßt werden, die der Körper hinzugewonnen hat:
Diese Aufspaltung ist aber etwas willkürlich. Man kann auf anderem Wege die Energieänderung "des Systems" berechnen und kommt auf
Das wäre eine Wissenschaftliche Erklärung! Oder meintest du etwas anderes?