Magnetfeld der Spule und Elektromagnet

SchulversuchMagnetismus / ElektromagnetismusKlasse 9Standard

Worum geht es?

Wickelt man den stromdurchflossenen Draht des Oersted-Versuchs zu einer Spule, 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: Stromstärke, 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 Spule 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 Stromstärke, 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

Elektromagnet: Wovon hängt die Kraft ab?

Untersuche die Tragkraft des Elektromagneten in Abhängigkeit von Stromstärke, Windungszahl und Kernmaterial, jeweils bei sonst gleichen Bedingungen.

Gemessen

$F$ — Tragkraft (in $N$ ) $Als Anzahl getragener Büroklammern gezählt: grob, aber vergleichbar und reproduzierbar.$
$I$ — Stromstärke (in $A$ ) $Erste Einflussgröße, am Netzgerät in Stufen eingestellt.$

Bekannt

$N$ — Windungszahl $Zweite Einflussgröße: 300 gegen 600 Windungen gleicher Bauform.$

Der Weg von der Messung zum Ergebnis: $Klammerzahl (I, N, Kern) ⟶ Einfluss jeder Stellschraube$

Versuchsprotokoll

So ist ein physikalisches Versuchsprotokoll aufgebaut. Die Reihenfolge ist immer dieselbe — die Inhalte gehören zu deinem gewählten Versuchsziel.

1Aufgabenstellung

Bestimme die Tragkraft (Büroklammern) des Spulenmagneten: (a) bei 0,5 / 1 / 2 A mit Eisenkern, (b) mit 300 gegen 600 Windungen bei 1 A, (c) ohne Kern, mit Aluminiumstab und mit Eisenkern bei 1 A.

2Vorbetrachtung

Ein-Variablen-Prinzip: Drei Stellschrauben, drei Teilversuche, in jedem ändert sich genau eine Größe. Nur so ist am Ende zuzuordnen, welcher Anteil der Kraft woher kommt. Erwartungen: Mehr Strom heißt stärkere Kreisfelder jeder Windung: mehr Kraft. Mehr Windungen heißt mehr addierte Felder: mehr Kraft. Der Eisenkern sollte drastisch verstärken, denn seine Elementarmagnete richten sich im Spulenfeld aus und addieren ihr eigenes Feld hinzu; der Aluminiumstab (nicht ferromagnetisch) sollte fast nichts beitragen und entlarvt damit, dass es ums Material geht, nicht ums Ausfüllen der Spule .

3Geräte / Stoffe

Spulen, Kerne, Netzgerät mit Amperemeter, Schachtel gleicher Büroklammern. Getestet wird immer gleich: Kernende in die Klammerschale tauchen, langsam heben, hängende Klammern zählen.

Spulen 300 und 600 Windungen
$Erlauben den Windungszahl-Vergleich bei gleicher Bauform.$
Eisenkern (und Aluminiumstab als Kontrolle)
$Verstärkt das Feld; der Aluminiumstab prüft, ob es am Eisen liegt oder am bloßen Füllen der Spule .$
Regelbare Stromquelle mit Amperemeter
$Stellt die Stromstärke als erste Einflussgröße ein.$
Kompassnadel und Eisenfeilspäne
$Sondieren das Feldbild der Spule .$
Büroklammern
$Tragkraft als einfaches, zählbares Stärkemaß.$

4Skizze des Versuchsaufbaus

Der hängende Elektromagnet über der Klammerschale; daneben die dreiteilige Versuchsmatrix (Strom-Reihe, Windungs-Vergleich, Kern-Vergleich).

Das Feld der stromdurchflossenen Spule : 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 (Strom): 600er-Spule mit Eisenkern; bei 0,5, 1 und 2 A jeweils dreimal Klammern zählen, Mittelwert bilden. Schritt 2 (Windungen): Bei 1 A die 600er- gegen die 300er-Spule (gleicher Kern) tauschen. Schritt 3 (Kern): 600er-Spule bei 1 A: ohne Kern, mit Aluminiumstab, mit Eisenkern. Schritt 4: Strom abschalten, während Klammern hängen: Beobachtung notieren.

6Beobachtung

Tragkraft in Büroklammern (Mittelwerte aus je drei Zählungen)

$Anordnung$	$Klammern$
$600 Wdg., Eisenkern, 0,5 A$	$8$
$600 Wdg., Eisenkern, 1 A$	$16$
$600 Wdg., Eisenkern, 2 A$	$30$
$300 Wdg., Eisenkern, 1 A$	$8$
$600 Wdg., ohne Kern, 1 A$	$1$
$600 Wdg., Aluminiumstab, 1 A$	$1$

Beispieldaten zur Veranschaulichung — keine echten Messwerte.

Beim Abschalten fallen fast alle Klammern sofort ab; am Eisenkern bleibt ein schwacher Rest haften (Restmagnetismus).

7Auswertung

Stromstärke : Verdopplung des Stroms verdoppelt die Klammerzahl in etwa (8 \to 16 \to 30): Die Kraft wächst deutlich, näherungsweise proportional zum Strom. (Eine exakte Proportionalität darf die Klammerzählung nicht behaupten: Sie ist ein grobes Kraftmaß, und bei großen Strömen beginnt der Kern zu sättigen.) Windungszahl: Halbe Windungszahl, etwa halbe Tragkraft (16 \to 8) bei gleichem Strom: Es zählt das Produkt aus Strom und Windungszahl, jede Windung trägt gleichberechtigt bei. Kern: Der Eisenkern versechzehnfacht die Tragkraft (1 \to 16 Klammern); der Aluminiumstab bringt nichts. Die Verstärkung ist also Materialeffekt: Die ausgerichteten Elementarmagnete des Eisens addieren ihr Feld zum Spulenfeld. Der beim Abschalten verbleibende Resthaftmagnetismus zeigt, dass ein Teil der Ordnung im Eisen bestehen bleibt: der Keim des Dauermagneten. Technische Summe: Stark wird ein Elektromagnet durch viele Windungen, ausreichenden Strom und einen guten Eisenkern, und praktisch wird er durch das, was der Abschalttest zeigt: Die Kraft gehorcht dem Schalter.

8Fazit

Die Kraft des Elektromagneten wächst mit Stromstärke und Windungszahl und wird vom Eisenkern um ein Vielfaches verstärkt; sie verschwindet (bis auf Restmagnetismus) mit dem Strom. Damit sind alle drei Stellschrauben experimentell belegt.

9Fehlerbetrachtung

Die Klammerzählung ist bewusst grob; ihre Streuung gehört zur Methode:

Klammerzahl als grobes Kraftmaßeher zufällig

Ursache: $Klammern hängen in Ketten und Klumpen; die Zahl streut je nach Eintauchen und Heben.$
Auswirkung: $Einzelzählungen schwanken um \pm2 Klammern; feine Unterschiede (z. B. exakte Proportionalität) sind nicht belegbar.$
Verbesserung: $Dreifachzählung mit Mittelwert (so durchgeführt); für echte Kraftmessung Federkraftmesser mit Eisenplatte verwenden.$

Sättigung des Eisenkernseher systematisch

Ursache: $Bei großen Strömen sind fast alle Elementarmagnete ausgerichtet; weitere Stromerhöhung bringt wenig.$
Auswirkung: $Die Kraft-Strom-Kurve flacht oben ab; wer nur große Ströme misst, unterschätzt den Stromeinfluss.$
Verbesserung: $Messreihe im unteren Strombereich beginnen; Abflachung als Sättigung benennen.$

Erwärmung der Spuleeher systematisch

Ursache: $Bei 2 A wird die Wicklung warm, ihr Widerstand steigt, der Strom sinkt bei fester Spannung .$
Auswirkung: $Die Tragkraft nimmt während der Messung ab.$
Verbesserung: $Strom (nicht Spannung) konstant regeln, Pausen einlegen.$

Das Wichtigste

Feldbild: $Die Spule hat außen das Feld eines Stabmagneten (mit stromabhängiger Polarität) und innen ein nahezu homogenes Feld: die Summe der Kreisfelder aller Windungen.$
Drei Stellschrauben: $Die Feldstärke wächst mit der Stromstärke und der Windungszahl (pro Länge); ein Eisenkern verstärkt um ein Vielfaches, weil sich seine Elementarmagnete mit ausrichten.$
Der Trumpf: $Elektromagnete sind schaltbar, regelbar und umpolbar: alles, was Dauermagnete nicht können.$
Umpolung: $Stromumkehr vertauscht Nord- und Südpol: Rechte-Hand-Regel für Spulen (Finger in Stromrichtung der Windungen, Daumen zeigt zum Nordpol).$