Magnetfeld der Spule und Elektromagnet
Worum geht es?
Wickelt man den stromdurchflossenen Draht des Oersted-Versuchs zu einer , addieren sich die Kreisfelder aller Windungen: Innen entsteht ein nahezu homogenes Feld, außen das Feldbild eines Stabmagneten, mit Nord- und Südpol, die von der Stromrichtung abhängen. Ein Eisenkern verstärkt das Feld um ein Vielfaches: der Elektromagnet. Untersucht werden Feldbild, Polarität und die Einflussgrößen der Stärke: , Windungszahl, Kern.
Warum macht man dieses Experiment?
Der Elektromagnet ist der vielleicht nützlichste Magnet überhaupt, weil er alles kann, was der Dauermagnet nicht kann: ein- und ausschalten, stufenlos regeln, umpolen. Türöffner, Relais, Schrottkräne, Lautsprecher, Motoren: überall arbeitet dieselbe mit Kern. Wer ihre Stellschrauben aus eigener Messung kennt, versteht diese Technik von innen.
Die physikalische Idee
Das Spulenfeld wird wie beim Stabmagneten sondiert (Kompass, Späne): Der Vergleich der Feldbilder ist der erste Befund. Für die Stärkeuntersuchung dient die Tragkraft (Büroklammern bzw. kleine Eisenmassen) als Messgröße, während , Windungszahl und Kernmaterial einzeln variiert werden, sauberes Ein-Variablen-Arbeiten.
Benötigtes Vorwissen
Für dieses Experiment hilft dir dieses Vorwissen. Du kannst es jederzeit nachschlagen — das Experiment bleibt auch so verständlich.
Wissenschaftliche Einordnung
William Sturgeon baute 1825 den ersten Elektromagneten; Joseph Henry steigerte die Tragkraft binnen weniger Jahre auf hunderte Kilogramm. Relais und Telegraf machten den schaltbaren Magneten dann zum Rückgrat der frühen Nachrichtentechnik.
Versuchsziel
Was möchtest du untersuchen?
Aktuelles Versuchsziel
Magnetfeld der Spule untersuchen
Sondiere das Feld der stromdurchflossenen (Kompass und Späne), vergleiche es mit dem Stabmagnetfeld und prüfe die Polaritätsregel bei Stromumkehr.
Bekannt
- — Spulenfeld (in )
Qualitativ sondiert; die Stärkemessung folgt in der Elektromagnet-Zielsetzung.
- — Stromstärke (in )
Konstant gehalten (2 A); nur die Richtung wird für den Polaritätstest umgekehrt.
Versuchsprotokoll
So ist ein physikalisches Versuchsprotokoll aufgebaut. Die Reihenfolge ist immer dieselbe — die Inhalte gehören zu deinem gewählten Versuchsziel.
1Aufgabenstellung
Sondiere das Feld der 600er-Spule (ohne Kern) bei 2 A mit Kompassnadel und Spänebild. Bestimme die Pole, kehre die Stromrichtung um und prüfe die Polvertauschung. Vergleiche das Feldbild mit dem des Stabmagneten.
2Vorbetrachtung
Jede Windung erzeugt das Kreisfeld des Oersted-Versuchs. In der liegen die Kreise gestapelt: Zwischen den Windungen heben sich die Anteile benachbarter Kreise teilweise auf, innen addieren sich alle zur gleichen Richtung: Dort sollte ein dichtes, gleichgerichtetes Feld liegen. Außen müssen sich die Linien schließen, von einem Spulenende zum anderen: das Feldbild eines Stabmagneten mit zwei Polen. Da alles am Stromkreissinn hängt, muss Stromumkehr die Pole tauschen: Die klare Vorhersage für den Kompasstest.
3Geräte / Stoffe
liegend auf dem Tisch, Karton darüber für das Spänebild; Kompassnadel für die Polbestimmung an beiden Enden.
Spulen 300 und 600 Windungen
Erlauben den Windungszahl-Vergleich bei gleicher Bauform.
Eisenkern (und Aluminiumstab als Kontrolle)
Verstärkt das Feld; der Aluminiumstab prüft, ob es am Eisen liegt oder am bloßen Füllen der .
Regelbare Stromquelle mit Amperemeter
Stellt die als erste Einflussgröße ein.
Kompassnadel und Eisenfeilspäne
Sondieren das Feldbild der .
Büroklammern
Tragkraft als einfaches, zählbares Stärkemaß.
4Skizze des Versuchsaufbaus
im Querschnitt mit Windungssinn und (nach Rechte-Hand-Regel) vorhergesagter Polarität; daneben Positionen der Kompass-Sondierung.
Das Feld der stromdurchflossenen : innen dicht und nahezu parallel (homogen), außen das Feldbild eines Stabmagneten. Die Stromrichtung legt fest, welches Ende Nordpol ist.
Aufbau: Spulen mit verschiedenen Windungszahlen (z. B. 300 und 600 Windungen) auf Steckkern-Basis, regelbare Stromquelle mit Amperemeter, Eisenkern (geblecht) und zum Vergleich ein Aluminiumstab, Kompassnadel, Büroklammern.
5Durchführung
Schritt 1: an 2 A, Kompassnadel an beide Enden halten: Welches Ende zieht den Nadel-Südpol an (ist also Nordpol)?
Schritt 2: Spänebild über der liegenden Spule erzeugen.
Schritt 3: Strom umpolen, Poltest wiederholen.
Schritt 4: Strom abschalten: Was bleibt vom Feld?
6Beobachtung
| Test | Ergebnis |
|---|---|
| Poltest bei 2 A | eindeutige Pole an beiden Enden, konsistent mit der Rechte-Hand-Regel |
| Spänebild | wie beim Stabmagneten: Bögen von Ende zu Ende, im Inneren (sichtbar an den Stirnseiten) dichte parallele Linien |
| Strom umgepolt | Nord- und Südpol vertauscht |
| Strom aus | keine Nadelreaktion mehr: das Feld ist verschwunden |
Beispieldaten zur Veranschaulichung — keine echten Messwerte.
7Auswertung
Die stromdurchflossene ist ein Stabmagnet auf Abruf: identisches Außenfeld, echte Pole, aber vollständig an den Strom gebunden, also einschaltbar, ausschaltbar, umpolbar. Die Polarität folgt der Rechte-Hand-Regel für Spulen (gekrümmte Finger in Stromrichtung der Windungen, Daumen zeigt zum Nordpol), im Versuch für beide Stromrichtungen bestätigt.
Der Befund erklärt zugleich den Dauermagneten von innen: Wenn Kreisströme machen, liegt es nahe, dass im Eisen atomare Kreisströme (Elementarmagnete) dauerhaft dasselbe leisten: Die Brücke zwischen Elektromagnetismus und Stabmagnet-Phänomenen.
8Fazit
Die erzeugt das Feldbild eines Stabmagneten mit strombestimmter, umpolbarer Polarität und homogenem Innenfeld; ohne Strom verschwindet das Feld vollständig.
9Fehlerbetrachtung
Die Sondierungsfehler entsprechen denen beim Stabmagneten (Erdfeld, Eisen in der Umgebung, umgepolte Nadel); spulenspezifisch ist nur die Geometrie:
Sondierung zu nah an den Zuleitungeneher systematisch
- Ursache
Auch die geraden Zuleitungsdrähte tragen ihr Oersted-Kreisfeld.
- Auswirkung
Nahe der Anschlüsse zeigt die Nadel eine Mischrichtung, die nicht zum Spulenfeld passt.
- Verbesserung
Zuleitungen verdrillen und von der Sondierzone wegführen.
Zu schwacher Strom für das Spänebildeher systematisch
- Ursache
Ohne Kern ist das Spulenfeld relativ schwach.
- Auswirkung
Die Späne ordnen sich kaum; das Bild bleibt diffus.
- Verbesserung
(kurzzeitig) erhöhen, Platte beklopfen, feine Späne verwenden.
Das Wichtigste
- Feldbild
Die hat außen das Feld eines Stabmagneten (mit stromabhängiger Polarität) und innen ein nahezu homogenes Feld: die Summe der Kreisfelder aller Windungen.
- Drei Stellschrauben
Die Feldstärke wächst mit der und der Windungszahl (pro Länge); ein Eisenkern verstärkt um ein Vielfaches, weil sich seine Elementarmagnete mit ausrichten.
- Der Trumpf
Elektromagnete sind schaltbar, regelbar und umpolbar: alles, was Dauermagnete nicht können.
- Umpolung
Stromumkehr vertauscht Nord- und Südpol: Rechte-Hand-Regel für (Finger in Stromrichtung der Windungen, Daumen zeigt zum Nordpol).