Materialien zum Unterricht

Myas Welt der Physik: Mya wickelt alle um den Finger – magnetische Flussdichte

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.

Station 1: Myas Bäckerwaage misst Tesla – was ist B?

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.

Stromstärke–
wirksame Länge–
Waage–
Kraft F–

Messtabelle

Nr.MagnetI in Al in cmα in °Waage in gF in mNF/(I·l·sin α) in T

Noch keine Messung. Erst tarieren, dann Strom einschalten und „Notieren“ tippen.

Magnet auf der Waage
Stromkreis
2,0 A

Positive Werte: Strom im unteren Leiterstück nach rechts.

Leiterschleife
90°

α ist der Winkel zwischen Leiterstück und Feldlinien (Draufsicht oben links).

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.

Station 2: Mya wickelt – das Feld in der langen, schlanken Spule

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.

Hallo misst–
μ0 · N · I / l–
Schlankheit l/d–
Mitte: Abweichung–

Messtabelle

Nr.Nl in cmd in cmI in AOrtB in mTB·l/(N·I) in 10−6 T·m/A

Noch keine Messung. Schiebe Hallo an die gewünschte Stelle und tippe auf „Notieren“.

Myas Spule
400
20 cm
4,0 cm
Strom
2,0 A
Darstellung

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).

Station 3: Myas Kern-Casting – Stoffe im Magnetfeld

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.

Stromstärke–
leer: B0–
mit Stoff: B–
μr = B/B0–
Wer darf in die Spule?

Strom
0,50 A

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.

Station 4: Rechne selbst

mT

Tipps

  • Definition: B = F / (I · l) für einen Leiter senkrecht zum Feld, allgemein F = I · l · B · sin α. Einheit: 1 T = 1 N/(A·m).
  • Lange, schlanke Spule: B = μ0 · N · I / l mit μ0 = 4π · 10−7 T·m/A ≈ 1,257 · 10−6 T·m/A. Der Durchmesser kommt nicht vor.
  • Mit Kern: B = μr · μ0 · N · I / l.
  • Längen in Metern einsetzen, 1 mT = 10−3 T, 1 µT = 10−6 T.
Merke – magnetische Flussdichte:
  • Auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld wirkt eine Kraft. Sie steht senkrecht auf Leiter und Feldlinien (Drei-Finger-Regel der rechten Hand bei technischer Stromrichtung: Daumen Strom, Zeigefinger Feld, Mittelfinger Kraft). Ihr Betrag ist F = I · l · B · sin α. Liegt der Leiter parallel zu den Feldlinien, wirkt keine Kraft.
  • Die magnetische Flussdichte B beschreibt die Stärke des Magnetfelds: B = F / (I · l) für einen Leiter senkrecht zum Feld. Sie ist ein Vektor in Richtung der Feldlinien. Einheit: 1 Tesla = 1 T = 1 N/(A·m) = 1 V·s/m². Beispiele: Erdmagnetfeld in Deutschland etwa 49 µT (waagerecht 19 µT), Kühlschrankmagnet einige mT, Neodym-Magnet bis 1,3 T, MRT 1,5 T bis 3 T.
  • Im Innern einer langen, schlanken Spule (Länge viel größer als Durchmesser) ist das Feld nahezu homogen: B = μ0 · N · I / l. B ist proportional zu Stromstärke und Windungszahl, umgekehrt proportional zur Länge und unabhängig vom Querschnitt. An den Enden ist B auf der Achse nur halb so groß, außen ähnelt das Feld dem eines Stabmagneten.
  • Die magnetische Feldkonstante ist μ0 ≈ 1,257 · 10−6 T·m/A = 1,257 · 10−6 V·s/(A·m), früher exakt 4π · 10−7 T·m/A, seit 2019 ein Messwert, der damit in den ersten neun Ziffern übereinstimmt.
  • Füllt ein Stoff die Spule aus, gilt B = μr · μ0 · N · I / l. Die Permeabilitätszahl μr = B/B0 hat keine Einheit.
    • Diamagnetische Stoffe (μr etwas kleiner als 1): Wasser, Kupfer, Gold, Bismut. Sie schwächen das Feld minimal, werden aus starken Feldern herausgedrängt und stellen sich quer zum Feld.
    • Paramagnetische Stoffe (μr etwas größer als 1): Aluminium, Platin, Sauerstoff, Luft. Ihre Atome sind kleine Magnete, die sich gegen die Wärmebewegung nur ein wenig ausrichten. Sie werden schwach ins Feld gezogen und stellen sich längs.
    • Ferromagnetische Stoffe (μr viel größer als 1, bis über 10 000): Eisen, Nickel, Kobalt, Ferrite, Mu-Metall. Ihre Weiss-Bezirke richten sich aus und verstärken das Feld enorm. μr ist keine Konstante: Sind alle Bezirke ausgerichtet, ist der Stoff gesättigt. Darum haben Elektromagnete einen Eisenkern.

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