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Worum geht es?

Ein stromdurchflossener Leiter im Magnetfeld erfährt eine Kraft : senkrecht zum Strom und senkrecht zum Feld. Die frei pendelnd aufgehängte Leiterschaukel macht diese Kraft unmittelbar sichtbar: Beim Einschalten springt sie zur Seite. Untersucht werden die Richtungsregel und die Frage, wovon die Stärke der Kraft abhängt.

Warum macht man dieses Experiment?

Diese Kraft ist der Arbeitsmuskel der Elektrotechnik: Jeder Elektromotor, jeder Lautsprecher, jedes Drehspulmessgerät beruht auf ihr. Die Drei-Finger-Regel, die hier aus dem Experiment gewonnen wird, ist zugleich das Handwerkszeug für die Lorentzkraft der Oberstufe: Dieselbe Kraft, nur auf einzelne Ladungen heruntergebrochen.

Die physikalische Idee

Ein leichter Leiterbügel hängt an zwei flexiblen Zuleitungen wie eine Schaukel im Feld eines Hufeisenmagneten. Fließt Strom, wirkt auf das Leiterstück im Feld eine Kraft; die Schaukel lenkt aus, bis Schwerkraft-Rückstellung und Magnetkraft im Gleichgewicht sind. Auslenkrichtung und -weite sind direkt ablesbar.

Benötigtes Vorwissen

Für dieses Experiment hilft dir dieses Vorwissen. Du kannst es jederzeit nachschlagen — das Experiment bleibt auch so verständlich.

Wissenschaftliche Einordnung

Michael Faraday nutzte die Kraft auf Leiter 1821 für die erste elektromagnetische Rotation, den Urahn aller Elektromotoren . Die Leiterschaukel ist die didaktische Miniatur dieses Aufbaus.

Versuchsziel

Aktuelles Versuchsziel

Kraft nachweisen und Richtungsregel finden

Weise die Kraft auf den stromdurchflossenen Leiter nach und ermittle die Richtungsregel: Wie hängt die Kraftrichtung von Strom- und Feldrichtung ab, und was passiert bei paralleler Lage von Leiter und Feld?

Gemessen

$I$ — Stromstärke (in $A$ ) $Für den Stärkevergleich in Stufen verändert.$

Bekannt

$F$ — Kraft auf den Leiter (in $N$ ) $Über Richtung und Weite der Schaukel-Auslenkung qualitativ erfasst; quantitativ misst sie das Stromwaagen-Experiment.$

1Aufgabenstellung

Untersuche die Leiterschaukel: Auslenkung beim Einschalten, Wirkung von Stromumkehr, Magnetumdrehung und beidem zugleich, Einfluss der Stromstärke, und den Fall, dass der Magnet so gedreht wird, dass das Feld parallel zum Leiterstück liegt.

2Vorbetrachtung

Woher kommt die Kraft ? Der Strom im Leiter erzeugt sein Oersted-Kreisfeld; es überlagert sich mit dem Magnetfeld des Hufeisens. Auf der einen Leiterseite verstärken sich beide Felder, auf der anderen schwächen sie sich: Das dichte Feld „drückt“ den Leiter zur dünnen Seite. Aus diesem Bild folgt alles Weitere: Die Kraft steht senkrecht auf Strom und Feld, und jede einzelne Richtungsumkehr (Strom oder Feld) vertauscht dichte und dünne Seite, also die Kraftrichtung. Werden beide umgekehrt, bleibt die Kraft, doppelte Umkehr hebt sich auf. Der Nullfall: Liegt der Leiter parallel zum Feld, sind die beiden Felder nirgends gegeneinander verdreht: keine dichte und dünne Seite, keine Kraft. Auch das ist eine scharfe, prüfbare Vorhersage.

3Geräte / Stoffe

Grundaufbau; für den Nullfall muss sich der Magnet um 90 Grad drehen lassen. Vor jedem Test die Schaukel zur Ruhe kommen lassen.

Hufeisenmagnet mit breitem Spalt
$Liefert das feste Magnetfeld im Bereich des Leiterstücks.$
Leiterschaukel (leichter Bügel an Leitbändern)
$Der bewegliche stromdurchflossene Leiter: Auslenkung zeigt die Kraft .$
Regelbare Stromquelle mit Schalter
$Strom ein/aus, Stärke einstellbar, Richtung umpolbar.$
Amperemeter
$Misst die Stromstärke für die Stärke-Untersuchung.$

4Skizze des Versuchsaufbaus

Frontansicht mit Feldrichtung (Nord \to Süd), Stromrichtung im Bügel und erwarteter Kraftrichtung; daneben die Vierfelder-Tabelle der Umkehr-Tests.

Die Richtungsregel: Strom (Zeigefinger... genauer: Ursache), Feld und Kraft stehen paarweise senkrecht. Drei-Finger-Regel der rechten Hand mit der technischen Stromrichtung: Daumen Strom, Zeigefinger Feld, Mittelfinger Kraft.

Aufbau: Hufeisenmagnet (oder zwei Flachmagnete auf Eisenjoch) mit horizontalem Feld; dazwischen hängt der Leiterbügel an zwei blanken Bändern, die zugleich den Strom zuführen. Regelbare Stromquelle mit Schalter und Amperemeter.

5Durchführung

Schritt 1: Strom (3 A) einschalten: Auslenkrichtung notieren. Schritt 2: Strom umpolen: Richtung? Magnet umdrehen (Strom wieder ursprünglich): Richtung? Beides umkehren: Richtung? Schritt 3: Stromstärke 1 / 2 / 4 A: Auslenkweite vergleichen. Schritt 4: Magnet um 90 Grad drehen (Feld parallel zum Leiterstück), 4 A einschalten: Beobachtung.

6Beobachtung

Beobachtungen

$Test$	$Beobachtung$
$Einschalten$	$Schaukel springt aus dem Magnetspalt heraus (Richtung gemäß Drei-Finger-Regel)$
$Strom umgepolt$	$Auslenkung in Gegenrichtung (in den Spalt hinein)$
$Magnet umgedreht$	$ebenfalls Gegenrichtung$
$beides umgekehrt$	$ursprüngliche Richtung$
$1 \to 2 \to 4 A$	$Auslenkung wächst deutlich mit dem Strom$
$Feld parallel zum Leiter$	$keine Auslenkung$

Beispieldaten zur Veranschaulichung — keine echten Messwerte.

7Auswertung

F = B \cdot I \cdot l

8Fazit

Auf den stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld wirkt eine Kraft senkrecht zu Strom und Feld, umkehrbar durch jede einzelne Richtungsumkehr, wachsend mit der Stromstärke, verschwindend bei Parallelität: zusammengefasst in der Drei-Finger-Regel.

9Fehlerbetrachtung

Der qualitative Versuch ist robust; die typischen Störungen betreffen die Mechanik:

Steife oder verdrehte Zuleitungsbändereher systematisch

Ursache: $Die Bänder üben eigene Rückstellkräfte aus.$
Auswirkung: $Kleine Kräfte (kleine Ströme) lenken kaum aus; der Stärkevergleich verzerrt sich.$
Verbesserung: $Weiche, spannungsfrei hängende Bänder; Nulllage vor jedem Test prüfen.$

Leiter ragt aus dem Feldbereicheher systematisch

Ursache: $Nur das Leiterstück IM Spalt erfährt die Kraft; hängt es schief, ändert sich die wirksame Länge.$
Auswirkung: $Auslenkungen sind zwischen den Tests nicht vergleichbar.$
Verbesserung: $Bügel mittig und waagerecht im Spalt positionieren.$

Nachschwingen der Schaukeleher zufällig

Ursache: $Die Schaukel pendelt nach jedem Schaltvorgang.$
Auswirkung: $Richtungsablesung im falschen Moment erwischt den Rückschwung.$
Verbesserung: $Erste Bewegungsrichtung unmittelbar beim Einschalten werten; zwischen Tests beruhigen lassen.$

Das Wichtigste

Der Befund: $Auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld wirkt eine Kraft, senkrecht zu Strom und Feld.$
Richtung: $Drei-Finger-Regel der rechten Hand (technische Stromrichtung): Daumen Strom, Zeigefinger Feld, Mittelfinger Kraft . Strom- oder Feldumkehr kehrt die Kraft um; beide zugleich nicht.$
Stärke: $F = B \cdot I \cdot l$
Sonderfall: $Liegt der Leiter parallel zum Feld, verschwindet die Kraft : Nur die Stromkomponente quer zum Feld zählt.$

Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter