Magnetisches Feld - Spule

Elektrizitätslehre

Magnetisches Feld - Spule

  • Gibt es um Hochspannungsleitungen Felder?
  • Was versteht man unter der „Rechte- bzw. linke-Faust-Regel“?
  • Wie verhindert man Spannungsstöße beim Einschalten?
  • Wofür benötigt man Spulen?

Erdmagnetfeld

Seit etwa 300 n. Chr. benutzten chinesische Seefahrer einen Vorläufer des heutigen Kompasses als Orientierungshilfe. In Europa wird erstmals um 1200 n. Chr. über die Verwendung des Kompasses berichtet, der insbesondere bei schlechtem Wetter hervorragende Dienste tat: "Wenn die Seefahrer auf dem Meere bei Nebel die Wohltat der Sonnenhelle nicht fühlen oder die Welt sich im Dunkel der nächtlichen Schatten verhüllt, legen sie eine Nadel über einen Magneten. Sie kreist ringsum, bis sie zur Ruhe kommt und mit der Spitze nach Norden zeigt . . . Daraus erkennen die Seeleute, wohin sie ziehen müssen, auch wenn der Kleine Bär (Hinweis: der Polarstern befindet sich im Sternbild des kleinen Bären) sich verbirgt."

William GILBERT (1544 - 1603)
unbekannter Autor (Wellcome Library, Accession number: 45626i) [Public domain], via Wikimedia Commons

Vor etwa vierhundert Jahren, im Jahre 1600, veröffentlichte William Gilbert, der spätere Leibarzt von Königin Elizabeth I von England, seine große Studie über den Magnetismus, "De Magnete" - "Über den Magneten". Dieses Werk gab zum erstenmal eine vernünftige Erklärung für die mysteriöse Eigenschaft der Kompassnadel, sich in Nord-Süd-Richtung auszurichten: die Erde selbst ist magnetisch.
Die magnetische Wirkung an der Erdoberfläche ist näherungsweise zu beschreiben, wenn man sich einen "Riesen-Stabmagnet" in der Erde vorstellt, dessen Südpol in die geographische Nordrichtung und dessen Nordpol in die geographische Südrichtung zeigt.

Tatsächlich sind jedoch die Verhältnisse nicht ganz so einfach und das mit dem "Riesen-Stabmagnet" ist nur eine Hilfsvorstellung. Wenn du etwas mehr wissen willst (nicht Lehrstoff in Bayern), so kannst du den Rest dieser Seite studieren. Hierzu solltest du vorher jedoch die Seite über die Feldlinien durchgearbeitet haben.


Das magnetische Erdfeld hat eine ähnliche Struktur wie das Feld eines Stabmagneten. Vereinfacht könnte man sich im Erdinneren einen großen Stabmagneten denken, der mit seinem (magnetischen) Südpol ungefähr in die Richtung des geographischen Nordpols zeigt

Das magnetische Erdfeld beruht auf elektrischen Strömen im flüssigen Erdinneren (eine genaue Erläuterung des heute vermuteten Entstehungsmechanismus ist auf dieser Stufe noch nicht verständlich).

Wie man aus der Verschiedenheit von geographischem Nordpol und magnetischem Südpol schließen kann, weist der Nordpol einer Kompassnadel nicht exakt in den geografischen Norden. Man bezeichnet den Winkel zwischen der Achse der Kompassnadel und der geografischen Nordrichtung als Deklinationswinkel oder Missweisung. Sie beträgt für München ca. 1,1° in westliche Richtung.

 


räumliche Beziehung zwischen geographischem Nordpol
und magnetischem Südpol

Aus dem Feldlinienbild des magnetischen Erdfeldes kann man auch ersehen, dass die magnetischen Feldlinien nicht parallel zur Erdoberfläche verlaufen. Den Winkel zwischen einer zur Erdoberfläche parallelen Ebene und der Feldlinie bezeichnet man als Inklinationswinkel. Er beträgt in Deutschland ca. 60° und kann mit einem sogenannten Inklinatorium gemessen werden.

Inklinatorium: Anordnung zur Messung des Winkels zwischen
der Horizontalen und der Feldlinienrichtung.

Das magnetische Erdfeld ist aufgrund des komplizierten Entstehungsprozesses ständigen Schwankungen unterworfen. In der nebenstehenden Abbildung ist die Wanderung des magnetischen Südpols dargestellt, welcher derzeit jährlich um etwa 7,5 km in nördliche Richtung wandert.
Aus der Magnetisierung vulkanischer Gesteine hat man herausgefunden, dass sich die Richtung des erdmagnetischen Feldes etwa alle 0,5 Millionen Jahre umgekehrt hat, wobei die Richtungsänderung innerhalb von etwa nur 5000 Jahren verlief. Die Zeitskala dieser Umkehrungen ist bis ca. 80 Millionen Jahre zurück gut erforscht.

Neben diesen langfristigen Schwankungen des Erdmagnetfeldes gibt es noch kurzfristige Schwankungen (magnetische Stürme), welche durch Stromsysteme in der Ionosphäre und durch starke Ladungsschwingungen in der Magnetosphäre hervorgerufen werden.

Seit man mit Satelliten das Magnetfeld der Erde großräumig untersuchen kann, ist bekannt, dass das Magnetfeld der Erde auf der Sonnenseite einen ähnlichen Verlauf wie beim Stabmagneten hat. Auf der sonnenabgewandten Seite (Nachtseite) bewirkt aber der Sonnenwind mit seinem Magnetfeld eine deutliche Deformation des Erdmagnetfeldes.
Das Magnetfeld der Erde lenkt einen Großteil dieser für den Menschen gefährlichen Teilchenstrahlung um (vgl. die braun gefärbten Pfeile).

 

Extrem starke Magnetfelder

Bei den hohen Temperaturen auf der Sonne verschmelzen Wasserstoffkerne zu Helium (Kernfusion) und liefern dabei gewaltige Energien. Seit geraumer Zeit versuchen Wissenschaftler diesen Fusionsprozess auf der Erde nachzubilden. Dabei werden extrem heiße Gase (T ca. 106 K), die bei diesen Temperaturen schon ionisiert sind (man bezeichnet sie dann als Plasma) in Behältern eingeschlossen. Da sich das Plasma beim Kontakt mit der kalten Behälterwand abkühlen und verunreinigen würde, hält man es mit Hilfe von starken Magnetfeldern von der Behälterwand fern. Eines der größten Zentren für Plasmaphysik befindet sich in Garching bei München. Hier studiert man im sogenannten Hochfeldlabor den Umgang mit extrem starken Magnetfeldern bis zu 4 Tesla.

Hinweis:
Diese Felder sind etwa tausendmal so stark, wie die Magnetfelder, die wir in der Schule verwenden.

Die eigentlichen Magnetspulen befinden sich in einem Vakuumbehälter, der die Kühlung unterstützt. Der Innenbereich ('Bohrung') mit dem homogenen Magnetfeld hat einen Durchmesser von 40 cm. Die gesamte Anordnung wiegt ca. 400kg.
Um eine Feldstärke von 4 Tesla zu erreichen, ist ein Strom von 88A notwendig. Damit dieser ohne allzu große thermische Verluste fließen kann, bestehen die eigentliche Magnetspulen aus einer supraleitenden Metalllegierung. Diese leitet den elektrischen Strom ohne Verluste, muss dafür jedoch auf eine Temperatur von ca. 4 Kelvin (= -269oC!) gebracht werden. Die Kühlung geschieht mit Hilfe von flüssigem Helium. Nach ca. 6 Tagen Abkühlzeit wird die Betriebstemperatur von 3-4 Kelvin erreicht.
Die Stärke des Magnetfeldes wird im nebenstehenden Bild augenfällig. Prof. Havnes zeigt, dass schon bei der Magnetfeldstärke von 1Tesla ein Schraubenschlüssel mit dem Mehrfachen seines Eigengewichts in den Magneten gezogen wird. Er richtet sich längs der Magnetfeldlinien aus, so dass es kaum möglich ist, ihn in eine andere Richtung zu drehen.
Da Kupfer kein ferromagnetisches Material ist, wird es vom Magneten nicht angezogen. Stellt man den Kupferring mit seiner Fläche vertikal im Magneten auf, so kann es bis zu einer Minute dauern bis er umfällt. Sie werden dieses Phänomen verstehen können, wenn Sie das Gesetz von Lenz beim Kapitel "Induktion" erlernt haben.

Lässt man eine 5-Cent-Münze außerhalb des Magneten los, so wird diese in den Magneten hineingezogen. Durch ihr Trägheit schießt sie durch die Bohrung hindurch und kehrt auf der anderen Seite um. Bei 2 Tesla Feldstärke pendelt sie frei schwebend bis zu 10mal durch den Magneten hindurch, bis sie schließlich an die Innenwand stößt und dort haften bleibt.

Aufgabe:

  • Erklären Sie die Anziehung des Schraubenschlüssels bzw. das Hin- und Herpendeln der Münze.
  • Warum unterstützt der Vakuumbehälter den Kühlvorgang der Spulen?

Die Informationen zu dieser Seite stammen vom Max-Planck-Institut für extraterristrische Physik.

Video zum Ferromagnetismus

Karlheinz Meier von der Universität Heidelberg stellt leicht verständliche Videos zum Physikunterricht zur Verfügung. In anderthalb Minuten wird gut fassbar in das Prinzip einer technischen Erfindung eingeführt oder ein physikalisches Phänomen vorgestellt.

In diesem Video zeigt Karlheinz Meier das Phänomen des Ferromagnetismus und stellt Anwendungen dieses Effektes im Alltag vor.

zum Video

Kernspintomographie

MRT = Magnet-Resonanz-Tomographie
NMR = Nuclear Magnetic Resonance

Kernspintomographie Prinzip
Abb.
1
Der Spin (Drehung) der Wasserstoffprotonen erzeugt ein Magnetfeld.
Seit etwa 1900 ist es möglich mit Hilfe der Röntgenstrahlen "in den Menschen zu schauen". Die Röntgentechnologie wurde seitdem erheblich verbessert, die Dosis der schädlichen Strahlung konnte durch vielerlei Maßnahmen (z.B. empfindlichere Filme) erheblich reduziert werden. Mit der Röntgen-Computertomografie (CT), die seit etwa 1980 eine breitere Einführung erlebt hat, ist es möglich wesentlich kontrastreichere Aufnahmen mit deutlich erhöhter Tiefenschärfe gegenüber der normalen Röntgenaufnahme zu erzielen.
Eine Schwierigkeit bestand jedoch auch bei der fortgeschrittenen Röntgentechnologie nach wie vor: Stark absorbierende Schichten, wie Knochen und Wirbel können sehr gut dargestellt werden, während weniger gut absorbierende Weichteile, wie Menisken, Bandscheiben, Sehnen, Tumore der Brust oder auch das Gehirn nicht sehr kontrastreich abgebildet werden konnten. Darüber hinaus besteht bei der Röntgenaufnahme immer noch eine Strahlenbelastung.

Ein bildgebendes Verfahren, das auf einem völlig anderen Prinzip beruht, ist die Kernspintomographie. Atomkerne - hier insbesondere die Wasserstoffkerne (Protonen) besitzen eine Eigenrotation, den sogenannten Spin. Man kann sich zur Veranschaulichung den Atomkern als rotierenden, geladenen Ball vorstellen. Wie jede bewegte Ladung, so erzeugt auch die Ladung des rotierenden Kerns ein Magnetfeld, man sagt es entsteht ein kernmagnetischer Dipol.

Im Normalfall sind die magnetischen Dipole völlig ungeordnet. Setzt man den menschlichen Körper, der zu zwei Drittel aus Wasser und damit aus einer großen Zahl von Protonen besteht, einem starken Magnetfeld (ca. 1 - 3 Tesla) aus, so richten sich die kernmagnetischen Dipole parallel oder antiparallel zum Magnetfeld aus. Meist wird dieses extrem starke Magnetfeld durch supraleitende Spulen erzeugt.

Neben der großen Spule, mit deren Hilfe das sehr starke magnetische Gleichfeld erzeugt wird, setzt man den Patienten auch noch einem hochfrequenten magnetischen Wechselfeld aus, dessen Frequenz ca. 40 MHz ist. Durch dieses Wechselfeld werden die kleinen atomaren Magnete aus der Feldrichtung ausgelenkt und nehmen dabei Energie auf.

Kernspintomographie schematisch
Abb.
2
Der prinzipelle Aufbau eines Kernspintomographen
Neben der großen Spule, mit deren Hilfe das sehr starke magnetische Gleichfeld erzeugt wird, setzt man den Patienten auch noch einem hochfrequenten magnetischen Wechselfeld aus, dessen Frequenz ca. 40 MHz ist. Durch dieses Wechselfeld werden die kleinen atomaren Magnete aus der Feldrichtung ausgelenkt und nehmen dabei Energie auf.

Nach dem Ausschalten des hochfrequenten magnetischen Wechselfeldes drehen sich die Dipole wieder in die Richtung des starken Magnetfeldes der großen Spule und geben dabei die aufgenommene Energie in Form schwacher Hochfrequenzsignale wieder ab.
Eine hochempfindliche Antenne empfängt diese Signale, die von einem Computer zu einem Bild für die Diagnose umgewandelt werden. Das Signal ist u.a. von der Wasserstoffdichte abhängig, so dass man mit der Kernspintomographie Informationen über die Gewebedichte erhält.

Tonaufzeichnung mit dem Tonband

Die elektromagnetische Aufzeichnung von Sprache und Musik mit einem Tonband ist immer noch weit verbreitet, wird aber durch neuere Techniken allmählich verdrängt.

Die elektrischen Schwingungen, welche vom Mikrophon kommen, werden verstärkt und mit Hilfe der Spule in Magnetfeldschwankungen im Eisenkern des Magnetkopfes gewandelt. Der Magnetkopf besteht aus einem Eisenring mit Luftspalt. Das vorbeilaufende Band schließt den durch den Luftspalt unterbrochenen "magnetischen Kreis".

Bei der Aufnahme wird dem Band am Aufnahmekopf eine Magnetisierung aufgeprägt. Beim Abspielen des Bandes wird diese Magnetisierung am Wiedergabekopf abgefragt und wieder in Spannungsschwankungen gewandelt, welche dann mit einem Laufsprecher hörbar gemacht werden können. Zur Beseitigung der Magnetisierung des Bandes dient der Löschkopf.


Druckversion