E-03 – Magnetfelder - II. Physikalisches Institut, Universität zu Köln

E-03 – Magnetfelder 1
E-03 – Magnetfelder
(Version 2 – 20. Dezember 2011)
Magnetfelder sind allgegenwärtig: sie begegnen uns im Alltag in vielen technischen Geräten, das
Magnetfeld der Erde umgibt uns permanent und schützt uns vor kosmischer Strahlung. Die Gestalt
des Erdmagnetfeldes ist dem eines Stabmagneten oder einer einfachen stromdurchflossenen
Leiterschleife sehr ähnlich. In diesem Versuch wird ein solches Magnetfeld anhand einer kurzen
Spule untersucht, und mit dem Feld eines sogenannten Helmholtzspulenpaars verglichen.
Vorbereitung
• Erzeugung von Magnetfeldern, Biot-Savart-Gesetz
• Zusammenhang und Einheiten von magnetischer Feldstärke ⃗ H und Magnetfeld (auch magnetische
Induktion oder Flußdichte) ⃗ B
• Magnetfelder des stromdurchflossenen geraden Leiters, der kurzen und der langen Spule
• Helmholtzspulen
• Funktionsweise einer Hallsonde, Hall-Effekt
Versuchsaufbau
Der Versuchsaufbau besteht aus zwei kurzen Spulen, die je nach Beschaltung als einzeln oder als
Paar betrieben werden können. Die Spulen werden mit einem Gleichspannungsnetzgerät versorgt,
das Spannungen bis 40 V und Stromstärken bis 5 A erzeugen kann. Der Spulenstrom darf 2 A
nicht übersteigen, um eine Beschädigung der Apparatur zu verhindern.
Praktikum A – Teil 2 II. Physikalisches Institut Universität zu Köln

E-03 – Magnetfelder 2
Zwischen den Spulen ist parallel zu den Spulenachsen eine horizontale Plexiglasplatte mit einem
cm-Raster angebracht. Zur Demonstration des Feldlinienverlaufs innerhalb dieser Ebene dient ein
Magnetnadelarray. Für die quantitative Messung der Magnetfeldkomponenten in radialer Richtung
und parallel zur Spulenachse wird ein Teslameter mit einer axialen Hallsonde verwendet,
das den Betrag des Magnetfelds parallel zur Längsrichtung der Sonde anzeigt.
Messung
Vor der Messung muss die Hallsonde kalibirert werden, dazu sind in der Halterung der Spulen
Röhren aus sogenanntem µ-Metall angebracht, die das Erdmagnetfeld abschirmen. Die Sonde
wird in das Rohr gesteckt, und dann der am Teslameter angezeigte Wert (Messbereich 20 mT)
auf 0 kalibriert. Diese Kalibration muss im Verlauf der Messung regelmäßig kontrolliert und ggf.
nachjustiert werden.
Vorbereitung: Welche äußeren Einflüsse können den Wert der Hallsonde beeinträchtigen,
und eine Nachkalibration erforderlich machen?
Da hier eine große Anzahl an Messwerten aufgenommen werden muss, ist es ratsam, sich vor
Beginn der Messung einen Plan zu machen, wie diese große Menge an Einzelmessungen geschickt
und effizient organisiert werden kann.
1. Magnetfeld einer kurzen Spule
Es wird zunächst nur die vordere Spule an das Netzgerät angeschlossen, und ein fester Wert
für den Spulenstrom eingestellt. Mit der Hallsonde wird nun das Magnetfeld der Spule auf
einem Quadranten der Plexiglasplatte mit einem Raster von 2 × 2 cm 2 ausgemessen, so
dass die Spulenachse sowie die Mittellinie zwischen den beiden Spulen innerhalb des Rasters
liegt. In jedem Punkt müssen zwei Werte gemessen werden, die zwei senkrecht zu einander
stehenden Komponenten des Magnetfelds entsprechen.
2. Magnetfeld eines Helmholtzspulenpaares
Nun wird die hintere Spule mit der vorderen in Reihe geschaltet, so dass in beiden der
Strom denselben Umlaufsinn hat, und die Magnetfelder in dieselbe Richtung zeigen. Diese
Anordnung nennt man Helmholtzspulen, ihre Besonderheit wird später anhand des Vergleichs
der Feldverteilung deutlich werden. Dazu sollte die Stromstärke auf denselben Wert
wie bei der Messung der Einzelspule eingestellt werden, und die Messung des Spulenpaars
in derselben Weise durchgeführt werden.
Auswertung
1. Aus den Messwerten werden die Richtung und der Betrag des Mangetfeldes der Einzelspule
sowie des Helmholtzspulenpaars in jedem Messpunkt bestimmt - dies kann grafisch
geschehen.
2. Für beide Anordnungen wird ein Diagramm erstellt, in dem an jeden Messpunkt der Vektor
des Magnetfeldes eingetragen ist. Hierbei soll das Magnetfeld der gesamten Anordnung
gezeichnet werden, das durch Spiegelungen aus dem ausgemessenen Quadanten hervorgeht.
3. Die qualitativen Unterschiede zwischen den beiden Feldverläufen sollen beschrieben, und
im Hinblick auf praktische Anwendungen bewertet werden.
Praktikum A – Teil 2 II. Physikalisches Institut Universität zu Köln

E-03 – Magnetfelder 3
Stückliste
• Spulenaufbau mit Rasterplatte
• Gleichstromnetzgerät max. 40 V, 5 A
• Teslameter mit Hallsonde (axial)
• Magentnadelarry zur Demonstration des Feldlinienverlaufs
• Messleitungen
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