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SG104 Magnetfeld einer langen Zylinderspule

B und H

elektrische Feldkonstante

Glossar

Physik für Schülerinnen und Schüler

Es geht um die Frage, wovon das Magnetfeld B einer langen Zylinderspule wie abhängt. Man könnte vermuten, dass B von der Stromstärke I, der Windungszahl n, der Länge ℓ , dem Durchmesser d bzw. der Querschnittsfläche A und dem Material in der Spule abhängt. Durch Versuche soll das geklärt werden. Weiter geht es um die Bestimmung der magnetischen Feldkonstanten µ0.

Die Versuche sind als Schülerversuche im Rahmen eines Lernzirkels geeignet. Das Magnetfeld wird mit der Hall-Sonde gemessen, für die es ja inzwischen auch preiswerte Schülerversuchsvarianten gibt.

Dazu weitere Informationen:

NEU Physikalische Schülerversuche mit PC und Mikroprozessor, 2. deutlich erweiterte Auflage,

im Buchhandel erschienen

Abb. 1: Magnetische Flussdichte in Abhängigkeit von der Stromstärke

Die Fotos stammen von einem Lernzirkel, den Herr Füller geplant und geleitet hat.

Abb. 2: Magnetische Flussdichte in Abhängigkeit von der Windungszahl n (und der Spulenlänge ℓ )

Im Schülerversuch wird ein Trick angewendet: Konstante Stromstärke wird dadurch eingehalten, dass Spulen mit einfacher, doppelter, ... Windungszahl hintereinander geschaltet werden.

Statt wie im Foto kann man auch z.B. 4 identische und in Reihe geschaltete Spulen hintereinander stellen. Wenn lange Verbindungsleitungen gewählt werden, kann man eine Spule nacheinander beiseite stellen ohne den Stromkreis zu unterbrechen.

Es ruft zunächst Überraschung hervor, dass in dieser Weise keine Abhängigkeit von der Windungszahl erkennbar ist.

Der Grund ist klar.

Abb. 3: Magnetische Flussdichte in Abhängigkeit vom Spulendurchmesser d

Hier wird der gleiche Trick angewendet. Die Spulen unterscheiden sich nur durch die Windungsfläche.

Es ergibt sich schließlich bei einer "leeren" Spule:

B = µ0 ·I · n ·

mit der magnetischen Feldkonstanten µ0 = 4·π·10-7 V·s/A·m .

Preiswerte für Schülerversuche geeignete Hallsonden (Magnetometer) finden Sie hier und hier.

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( Juni 2014 )