Der Neodym-Supermagnet hat Myas Schlüssel tatsächlich aus dem Gully gefischt. Leider klebt er seitdem samt Schlüssel unlösbar am eisernen Gullydeckel. „Ich brauche einen Magneten, den man ausschalten kann!“, beschließt Mya und holt ihre Rolle Kupferlackdraht aus dem Keller. Vorher will sie aber wissen, wie man die Stärke eines Magnetfelds überhaupt misst. Theo und Paul helfen, Nadja die Kompassnadel zeigt wie immer die Richtung, und neu im Team ist Hallo, ein Teslameter mit Hallsonde, das jeden mit „Hallo!“ begrüßt. „Ich zeige, wohin das Feld zeigt. Hallo sagt nur, wie stark es ist“, sagt Nadja ein bisschen eifersüchtig. Lumi ist ein Lichtfleck und bleibt völlig unbeeindruckt.
Physik Klasse 11 (Leistungskurs), Thema magnetische Flussdichte, B im Innern einer langen, schlanken Spule und Stoffe im Magnetfeld. Die Sprüche sind albern, die Physik nicht: Station 1 rechnet mit F = I · l · B · sin α und einer leicht rauschenden Waage, das Spulenfeld in Station 2 wird exakt als Summe vieler Kreisströme berechnet (mit elliptischen Integralen), die Suszeptibilitäten in Station 3 stammen aus Tabellenwerken, Eisen und Co. werden mit einem einfachen Sättigungsmodell beschrieben. Vorher sinnvoll: Magnete und Magnetfelder.
Myas Sicherheitsregel: Spulen werden bei großen Strömen heiß, und beim Abschalten einer Spule mit Eisenkern kann es Funken geben. Flüssiger Sauerstoff (−183 °C) gehört nur in Profihände. Und Kater Erwin kommt nicht in die Spule, egal was Paul im Internet über schwebende Frösche gelesen hat.
Wie stark ist ein Magnetfeld? Nadja verrät nur die Richtung. Für den Betrag nutzt man die Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter: Mya stellt einen Hufeisenmagneten auf ihre Bäckerwaage und hängt eine Leiterschleife von oben in den Spalt, ohne den Magneten zu berühren. Das Feld zeigt in den Bildschirm hinein (⊗), der Nordpol ist vorn, der Südpol hinten. Wird der Leiter nach oben gedrückt, drückt er nach dem Wechselwirkungsprinzip den Magneten nach unten, und die Waage zeigt mehr an.
| Nr. | Magnet | I in A | l in cm | α in ° | Waage in g | F in mN | F/(I·l·sin α) in T |
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Noch keine Messung. Erst tarieren, dann Strom einschalten und „Notieren“ tippen.
Flohmarkt-Rätsel: Wie groß ist die Flussdichte im Spalt des Rätselmagneten?
Aufträge: ① Tariere die Waage bei ausgeschaltetem Strom und schalte dann ein. Warum zeigt die Waage mehr an, obwohl nichts dazugelegt wurde? Was passiert beim Umpolen? ② Miss bei α = 90° für mehrere Stromstärken und Leiterlängen. Zeige: F ~ I und F ~ l. ③ Verändere α. Wann ist die Kraft am größten, wann null? ④ Der Quotient F/(I · l) hängt nur vom Magneten ab. Er heißt magnetische Flussdichte B. Bestimme ihn für alle drei Magnete.
Ein Elektromagnet ist eine Spule: viele Windungen Draht, durch die ein Strom fließt. Mya wickelt, Hallo misst, Nadja zeigt die Richtung (sie spürt zusätzlich das Erdmagnetfeld, Norden ist oben). Die Spule ist im Längsschnitt gezeichnet: ⊙ heißt, der Strom kommt aus dem Bildschirm heraus, ⊗ heißt, er fließt hinein. Ziehe Hallos Sonde und Nadja mit der Maus oder dem Finger. Das Feld wird exakt berechnet, als Summe vieler Kreisströme. Hallos Anzeige ist auf das Spulenfeld genullt.
| Nr. | N | l in cm | d in cm | I in A | Ort | B in mT | B·l/(N·I) in 10−6 T·m/A |
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Noch keine Messung. Schiebe Hallo an die gewünschte Stelle und tippe auf „Notieren“.
Aufträge: ① Schiebe Hallo innerhalb der Spule hin und her, auch quer zur Achse. Wie ändert sich B? Wie sieht das Feld außen aus? ② Untersuche in der Spulenmitte, wie B von I, N, l und d abhängt. Ändere immer nur eine Größe und notiere mehrere Messungen. ③ Vergleiche mit μ0 · N · I / l. Wann passt die Formel gut, wann nicht? ④ Wie groß ist B genau am Spulenende? Erkläre den Wert. ⑤ Bestimme die magnetische Feldkonstante μ0 aus deinen Messungen (letzte Spalte).
Was passiert, wenn die Spule nicht leer ist? Mya veranstaltet ein Kern-Casting: Alles, was in der Werkstatt herumliegt, darf einmal in die Spule (N = 600, l = 30 cm, d = 4 cm). Hallo steckt in einem dünnen Schlitz in der Mitte des Kerns. Die Permeabilitätszahl μr gibt an, um welchen Faktor der Stoff das Feld verändert: μr = B / B0, dabei ist B0 das Feld der leeren Spule (Vakuum). Im zweiten Versuch hängt ein Stäbchen aus dem Stoff an einem Faden zwischen den spitzen Polschuhen eines starken Elektromagneten. Dort ist das Feld sehr inhomogen.
Aufträge: ① Teste alle Stoffe bei I = 0,5 A. Bei welchen zeigt Hallo überhaupt eine Veränderung? Schalte dann Lumis Präzisionslupe zu. ② Ordne die Stoffe in drei Gruppen: μr etwas kleiner als 1, etwas größer als 1, viel größer als 1. ③ Wie stellen sich die Stäbchen zwischen den Polschuhen ein? Was passiert mit dem Eisenstäbchen? ④ Verändere beim Weicheisen die Stromstärke von 0,01 A bis 2 A. Ist μr eine Konstante? Erkläre mit den Weiss-Bezirken in der Lupe.