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