Das Magnetfeld der (langen) Spule - Lutherschule

e.A. bei Herr Albert 21.12.11, Hannover
Hubert, Phong und Lovis Schülerversuch
Das Magnetfeld der (langen) Spule
1. Qualitative Untersuchung des Magnetfeldes der langen Spule mit vielen Windungen.
Formuliert Aussagen über das Magnetfeld inner- und außerhalb der Spule.
Das Messgeräte B (für die
Magnetfeldstärke) ist mit dem LabQuest
verbunden, so kann man leicht die Werte
ablesen und bewerten.
Um etwas über das innere Magnetfeld
rauszufinden, lässt man die Stromstärke bei
0,58 A konstant. Anschließend führt man
das Magnetfeldmessgerät in die Spule ein
von oben über die Mitte bis zum Ende.
Dabei stellt man fest, dass sich das
Magnetfeld nicht ändert und konstant bei
3,943 mT bleibt.
Für das äußere Magnetfeld war die Spannung von 0,59 A
(konstant) gewählt worden. Dieses Mal wurde das
Magnetfeldmessgerät nicht in die Spule eingeführt, sondern an
der äußern Seite entlang von oben bis unten.
Die Magnetfeldstärke nimmt bis zur Mitte ab und dann wieder
zu.
Wenn man das Messgerät von der Spule entfernt, kann man
feststellen, dass die Magnetfeldstärke ebenfalls abnimmt.
Allgemein kann man über das Magnetfeld sagen, dass es
innen ein homogenes Feld hat und außen ein radiales Feld.
Zudem ist erkennbar wie die Feldlinien verlaufen.
Im Inneren des Magnetes verlaufen die Feldlinien parallel. Außerhalb gehen sie vom Nord -
zum Südpol bogenförmig zurück. Deswegen ist auch das Magnetfeld an den Enden der Spule
fast gleich groß wie im Inneren und wird zur Mitte kleiner, da die Feldlinien dort wieder
außeinander gehen. Sie treffen sich am Südpol wieder, wo das Magnetfeld dem des Nordpols
gleicht. Hier treffen die Feldlinien wieder zusammen.

e.A. bei Herr Albert 21.12.11, Hannover
Hubert, Phong und Lovis Schülerversuch
2. Prüfe am Beispiel der langen Spule den Zusammenhang zwischen B und I. Überlegt, wie
ihr komfortabel viele Messwerte erhaltet.
Der Aufbau ähnelt denen des Versuches für das
Inneren Magnetfel. Hier wird zusätzlich ein
Strommessgerät (I) angeschlossen. Das Messgerät für
die Magnetfeldstärke (B) blieb an der selben Stelle.
Beide sind mit dem LabQuest angeschlossen, sodass
die Werte in zwei verschiedenen Graphen pro Zeit
(20s) aufgezeichnet wurden. Der erste Graph stellte die
kontrolliert veränderte Stromstärke und der Zweite das
daraufhin veränderte Magnetfeld dar. Dann lässt man
den zweiten Graphen (B) zeichnen und fügt die Werte des ersten Graphen (I) für die x-Achse
ein. So entstand der Graph, den man in der Abbildung (unten) sehen kann.
I und B sind proportional zueinander. Die Auswertung mit der Ausgleichsgraden ergibt
diese Formel: B= 15,8 T/A * I + 0,091 T.
3. Untersucht mit geeigneten Spulen den Zusammenhang zwischen B und n (Windung der
Spule).
In Aufgabe 1 wurde eine
Spule benutzt die sehr viele
und eng anliegende
Windungen hat. Für das innere
Magnetfeld kann man 3,943
mT bei einer konstanten
Stromstärke von 0,57 A
messen. Die Werte für das
äußere Magnetfeld sind der
linken Abbildung entnehmbar.

e.A. bei Herr Albert 21.12.11, Hannover
Hubert, Phong und Lovis Schülerversuch
Um einen Vergleich anzustellen, wurde eine Spule gewählt die sehr wenige und weit
auseinanderliegende Windungen hat. Für das innere Magnetfeld kann man 0,21 mT messen.
Die Werte für das äußere Magnetfeld sieht man rechts oben in der Abbildung.
In beiden Fällen nimmt das Magnetfeld bis zur Mitte ab und anschließend wieder zu. Der
Unterschied ist, dass bei der Spule mit weniger Windungen die Werte geringer ausfallen als
bei der Spule mit vielen Windungen.
Jede Windung besitzt ihr eigenes Magnetfeld. Je mehr Windungen, desto stärker ist das
gesamte Magnetfeld.
4. Untersucht an geeigneten Spulen oder der Spule veränderlicher Länge (schwieriger Aufbau,
diffizile Messung) den Zusammenhang von B und l.
Es wurde eine Spule mit veränderbarer Länge gewählt, die von zwei Holzklötze gestützt
wurde. I blieb konstant bei 0,55 A. Die Länge wurde verändert und die Stärke des
Magnetfeldes gemessen.
Länge(l) in cm Magnetfeldstärke (B) in T
10 1,6
15 1
20 0,85
25 0,58
30 0,47
Daraus ergibt sich die Formel: B = 16,59 T/cm * l + (-0,062)T.
Es ist zu erkennen, dass das Magnetfeld mit der
Länge abnimmt. Dies geschieht proportional
zueinander.
Die Werte wurden in Cellsheet eingeben und
ausgewertet.
Auf der x-Achse kommen die Werte der Länge
und auf die y-Achse die des Magnetfeldes.