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Aufgabe

Ausmessung des Erdmagnetfelds

Schwierigkeitsgrad: mittelschwere Aufgabe

Eine große Spule mit einem Flächeninhalt von \(1{,}00\,\rm{m}^2\) und \(75\) Windungen wird so aufgestellt, dass sie von den Feldlinien des Erdmagnetfeldes senkrecht durchsetzt wird. Anschließend wird die Spule rasch um \(180^\circ\) geschwenkt, so dass sie wieder senkrecht vom Erdmagnetfeld durchsetzt wird. Das angeschlossene Galvanometer zeigt einen Spannungsstoß von \(6{,}0\cdot 10^{-3}\,\rm{Vs}\).

Berechn die magnetische Flussdichte \(B\) des Erdmagnetfeldes.

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Das Induktionsgesetz in integraler Form lautet \[\int\limits_{{t_1}}^{{t_2}} {U \,dt}  =  - N \cdot \Delta \Phi \]Die Flussänderung kommt dadurch zustande, dass das Magnetfeld welches die Spule durchsetzt am Anfang und am Ende des Vorgangs zwar den gleichen Betrag, aber in Bezug auf den Flächenvektor der Spule die entgegengesetzte Richtung besitzt.

Wir rechnen nun mit Beträgen:\[\begin{eqnarray}\left| {\int\limits_{{t_1}}^{{t_2}} {U\,dt} } \right| &=& \left| { - N \cdot \Delta \Phi } \right|\\ &=& \left| { - N \cdot \Delta \left( {{B_{\rm{E}}} \cdot {A_{\rm{E}}} - {B_{\rm{A}}} \cdot {A_{\rm{A}}}} \right)} \right|\\&=& \left| { - N \cdot A \cdot \Delta \left( {{B_{\rm{E}}} - {B_{\rm{A}}}} \right)} \right|\\&=& \left| { - N \cdot A \cdot 2 \cdot {B_{{\rm{Erde}}}}} \right|\end{eqnarray}\]Stellst du dies Gleichung nach \(B_{\rm{Erde}}\) um, so erhältst du\[{B_{\rm{Erde}} = \frac{{\left| {\int\limits_{{t_1}}^{{t_2}} {U\,dt} } \right|}}{{\left| { - N \cdot A \cdot 2} \right|}}}\]Einsetzen der gegebenen Werte liefert (mit zwei gültigen Ziffern Genauigkeit)\[B_{\rm{Erde}} = \frac{6{,}0 \cdot 10^{- 3}\,\rm{V\,s}}{75 \cdot 1{,}00\,\rm{m}^2 \cdot 2} = 4{,}0 \cdot10^{-5}\,{\rm{T}}\]

Grundwissen zu dieser Aufgabe

Elektrizitätslehre

Elektromagnetische Induktion