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Versuche

Magnetfelder weiterer stromführender Leiter

Ziel des Versuchs

  • Veranschaulichung typischer Magnetfeldbilder
  • Nachweis geschlossener Magnetfeldlinien
  • Festlegung der Magnetfeldrichtung im Inneren einer Spule

Versuchsaufbau und Durchführung

Joachim Herz Stiftung
Abb. 1 Versuchsaufbau zur Visualisierung von Magnetfeldlinien

Du schließt verschiedene Leiteranordnungen, die im Querschnitt mit Plexiglasplatten versehen sind, an ein leistungsstarkes Gleichstromnetzgerät mit \(I\geq 5\,\rm{A}\) an. Bei eingeschaltetem Netzgerät streust du nun feine Eisenspäne über die Anordnung. Die Eisenspäne werden durch das Magnetfeld der verschiedenen stromdurchflossenen Leiter magnetisiert. Die einzelnen Eisenspäne ordnen sich dann entlang der Magnetfeldlinien an.

Die Beobachtung erfolgt am besten unter einer Dokumentenkamera oder mittels Overheadprojektor.

Tipp: Ein leichtes Klopfen auf die Plexiglasplatte sorgt für eine bessere Ausrichtung der Eisenspäne.

Beobachtungen bei einer Leiterschleife

Joachim Herz Stiftung
Abb. 2 Magnetfeld einer Leiterschleife

Biegst du einen geraden Draht zu einem Kreis, welcher an zwei Stellen die Plexiglasplatte durchstößt, so ergibt sich eine einfache Leiterschleife.

Im Versuch zeigt sich das in Abb. 2 gezeigte Feldlinienbild. Um die beiden Stellen, an der der Draht die Platte durchstößt, wird jeweils ein kreisförmiges Magnetfeld sichtbar. In der Mitte zwischen den beiden Drähten addiert sich das Feld der beiden Ströme. Das Magnetfeld ist daher im Inneren der Leiterschleife stärker als im Außenraum.

Die Richtung der Magnetfeldlinien kannst du wie beim geraden Leiter mit der ersten Rechte-Faust-Regel bestimmt werden.

Hinweis: Im Feldlinienbild ist die technische Stromrichtung dargestellt.

  

Beobachtungen an einer Spule mit geringer Windungsdichte

Joachim Herz Stiftung
Abb. 3 Magnetfeld einer Spule geringer Windungsdichte

Wickelst du mehrere Leiterschleifen aneinander, so entsteht eine Spule. Da der Abstand zwischen den einzelnen Windungen groß ist, spricht man auch von einer Spule mit geringer Windungsdichte. 

Im Versuch ergibt sich das in Abb. 3 gezeigte Feldlinienbild. Auch hier kannst du die Richtung der Magnetfeldlinien mit der ersten Rechten-Faust-Regel bestimmen.

Die Anordnung der Eisenspäne macht deutlich, dass das Magnetfeld im Inneren der Spule nahezu homogen, also überall gleich stark und gleich gerichtet ist.

    Zentrale Erkenntnisse

    Joachim Herz Stiftung
    Abb. 4 Magnetfeld einer Spule mit den Magnetpolen
    • Die Feldlinienbilder bei Versuchen mit stromdurchflossenen Leitern zeigen, dass magnetische Feldlinien geschlossen sind.
    • Das Magnetfeld einer Spule ähnelt im Außenraum dem Feld eines Stabmagneten. Daher kannst du den Enden der Spule auch Nord- und Südpol zuordnen. In der Anordnung in Abb. 4 ist entsprechend dem Verlauf der Feldlinien im Außenraum am oberen Ende der Spule der Nordpol und am unteren Ende der Südpol.
    • Im Inneren der Spule laufen die Feldlinien vom Südpol zum Nordpol.
    • Diese Erkenntnisse kannst du auf Permanentmagnete übertragen: Auch bei Permanentmagneten sind die Feldlinien geschlossen und verlaufen im Inneren der Permanentmagnete wie bei der Spule vom Südpol zum Nordpol.
    Aufgaben
    Aufgabe

    Die vier untenstehenden Animationen von Joy Wagon veranschaulichen, von welchen Größen die Stärke des Magnetfeldes einer Spule abhängt.

    Vergleiche die Bilder 1+2, 1+3 und 1+4 und beschreibe jeweils die dargestellten physikalischen Zusammenhänge.

    Hinweise: Die Fließgeschwindigkeit der Elektronen ist ein Maß für die Stromstärke, im Bild rechts unten befindet sich in der Spule ein Weicheisenkern.

    Lösung

    Ein Vergleich der Bilder 1 und 2 zeigt: Je größer der Strom ist, der durch eine Spule fließt, desto stärker ist das Magnetfeld.

    Ein Vergleich der Bilder 1 und 3 zeigt: Je größer die Windungszahl einer Spule ist, desto stärker ist das Magnetfeld (bei gleicher Stromstärke).

    Ein Vergleich der Bilder 1 und 4 zeigt: Bei gleicher Stromstärke und gleicher Windungszahl einer Spule steigt das Magnetfeld an, wenn ein Eisenkern in der Spule platziert wird.

    Joachim Herz Stiftung
    Abb. 5 Magnetfeld einer Ringspule

    Formst du eine lange Spule ringförmig, entsteht eine sog. Ringspule. Eine Ringspule erzeugt ein Magnetfeld wie in Abb. 5. dargestellt. Die Magnetfeldlinien verlaufen im Inneren der Spule kreisförmig im Spulenring.

    Gib an, in welche Richtung die Magnetfeldlinien bei der vorgegebenen Polung im Inneren der Spule verlaufen.

    Lösung

    Die Magnetfeldlinien im Inneren der Ringspule verlaufen im Uhrzeigersinn.