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Worum geht es?

Bis 1820 galten Elektrizität und Magnetismus als getrennte Welten. Dann bemerkte Hans Christian Ørsted, dass eine Kompassnadel ausschlägt, sobald in einem Draht daneben Strom fließt. Dieses Experiment wiederholt die historische Beobachtung systematisch: Wie liegt das Feld um den Leiter? Wovon hängen seine Richtung und Stärke ab?

Warum macht man dieses Experiment?

Der Oersted-Befund ist der Türöffner des Elektromagnetismus: Aus ihm folgen Spule, Elektromagnet, Motor und letztlich die gesamte elektrische Energietechnik. Zugleich liefert der Versuch die erste Rechte-Hand-Regel : ein Ordnungswerkzeug, das durch alle folgenden Magnetismus-Experimente trägt.

Die physikalische Idee

Ein gerader Leiter wird über (oder unter) einer Kompassnadel gespannt, zunächst parallel zur Nadel. Fließt Strom, dreht sich die Nadel quer zum Draht: Das Feld des Stroms verläuft kreisförmig um den Leiter . Stromrichtung umkehren, Nadel dreht andersherum; Strom verstärken, Ausschlag wächst; Abstand vergrößern, Ausschlag schrumpft.

Benötigtes Vorwissen

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

Wissenschaftliche Einordnung

Hans Christian Ørsted beobachtete den Nadelausschlag im April 1820, angeblich während einer Vorlesung. Binnen Monaten bauten Ampère und andere darauf die Theorie der Elektrodynamik: selten hat ein einzelner Zeigerausschlag die Physik so beschleunigt .

Versuchsziel

Aktuelles Versuchsziel

Das Feld des Leiters untersuchen

Weise das Magnetfeld des stromdurchflossenen Leiters nach und untersuche seine Geometrie (kreisförmig um den Draht), seine Richtungsabhängigkeit von der Stromrichtung und seine Stärkeabhängigkeit von Stromstärke und Abstand.

Gemessen

$I$ — Stromstärke (in $A$ ) $Die variierte Ursachengröße.$

Bekannt

$B$ — Magnetfeld des Leiters (in $T$ ) $Qualitativ über den Nadelausschlag erfasst: Richtung aus der Drehrichtung, Stärke aus dem Winkel gegen das Erdfeld.$

Der Weg von der Messung zum Ergebnis: $I, Lage der Nadel ⟶ Feldrichtung und -st \overset{a}{¨} rke (qualitativ)$

1Aufgabenstellung

Spanne den Draht parallel über die ruhende Kompassnadel. Untersuche: Ausschlag beim Einschalten, Wirkung der Stromumkehr, Wirkung wachsender Stromstärke, Wirkung des Abstands, und die Nadelstellung ober- gegen unterhalb des Drahts.

2Vorbetrachtung

Warum der Draht parallel zur Nadel gespannt wird: Die Nadel steht im Erdfeld in Nord-Süd-Richtung. Hätte das Stromfeld dieselbe Richtung, bliebe die Nadel stumm. Ein kreisförmiges Feld um den Leiter stünde aber quer zur Nadel: Der Ausschlag quer zum Draht ist also die Signatur der Kreisgeometrie. Die Nadel misst dabei die Überlagerung aus Erdfeld (konstant) und Stromfeld: Je stärker das Stromfeld, desto weiter dreht die Nadel aus der Nordrichtung heraus, ein eingebauter Kraftmesser mit dem Erdfeld als Referenz. Vorhersagen aus der Kreisgeometrie: Oberhalb und unterhalb des Drahts zeigt das Kreisfeld in entgegengesetzte Richtungen: Die Nadel muss je nach Position andersherum ausschlagen. Und Stromumkehr kehrt den Drehsinn des Kreises um, also auch jeden Ausschlag.

3Geräte / Stoffe

Grundaufbau; das Amperemeter liegt in Reihe. Für den Positionstest muss sich die Nadel wahlweise über und unter dem Draht anordnen lassen.

Gerader Kupferdraht auf Halterung
$Der stromdurchflossene Leiter, dessen Feld untersucht wird.$
Kompassnadel
$Feldsonde: zeigt Richtung des resultierenden Feldes am Ort der Nadel.$
Regelbare Stromquelle (bis ca. 5 A) mit Schalter
$Liefert den Strom; die Regelbarkeit erlaubt den Stärke-Test.$
Amperemeter
$Misst die Stromstärke für den Zusammenhang Ausschlag-Strom.$

4Skizze des Versuchsaufbaus

Draufsicht: Draht in Nord-Süd-Richtung, Nadel darunter parallel; daneben Querschnittskizze mit den Kreislinien des erwarteten Feldes und den Positionen „Nadel oben“ / „Nadel unten“.

Das Feld des geraden Leiters: konzentrische Kreise um den Draht. Die Rechte-Hand-Regel verbindet Stromrichtung (Daumen) und Feldrichtung (gekrümmte Finger).

Aufbau: Ein kräftiger Kupferdraht wird in Nord-Süd-Richtung (parallel zur ruhenden Kompassnadel) über die Nadel gespannt und über Schalter und regelbare Stromquelle versorgt. Der Versuch braucht mehrere Ampere: dicke Leitungen, kurze Einschaltzeiten.

5Durchführung

Schritt 1: Draht parallel zur ruhenden Nadel ausrichten, Strom (3 A) kurz einschalten: Ausschlag beobachten. Schritt 2: Stromrichtung umpolen, wiederholen. Schritt 3: Stromstärke in Stufen (1, 2, 4 A) einstellen, Ausschlagwinkel vergleichen. Schritt 4: Abstand Nadel-Draht verdoppeln, Ausschlag bei 4 A vergleichen. Schritt 5: Nadel über statt unter den Draht setzen, Ausschlagrichtung vergleichen.

6Beobachtung

Beobachtungen

$Test$	$Beobachtung$
$Einschalten (3 A)$	$Nadel dreht ruckartig quer zum Draht$
$Stromumkehr$	$Nadel dreht zur anderen Seite$
$1 \to 2 \to 4 A$	$Ausschlagwinkel wächst mit der Stromstärke$
$doppelter Abstand$	$deutlich kleinerer Ausschlag$
$Nadel oberhalb statt unterhalb$	$Ausschlag in Gegenrichtung$

Beispieldaten zur Veranschaulichung — keine echten Messwerte.

7Auswertung

B = \tfrac{\mu_0 I}{2\pi r}

8Fazit

Ein stromdurchflossener Leiter ist von einem kreisförmigen Magnetfeld umgeben, dessen Richtung die Rechte-Hand-Regel angibt und dessen Stärke mit dem Strom wächst und mit dem Abstand fällt: Elektrizität und Magnetismus sind verkoppelt.

9Fehlerbetrachtung

Der Versuch misst gegen das Erdfeld; das prägt seine Fehlerquellen:

Draht nicht parallel zur Nadeleher systematisch

Ursache: $Bei schräger Ausgangslage überlagert sich das Stromfeld ungünstig mit dem Erdfeld.$
Auswirkung: $Kleiner oder verwirrender Ausschlag; die Kreisgeometrie ist schwerer abzulesen.$
Verbesserung: $Vor jedem Einschalten die Parallelität kontrollieren.$

Nadel misst Erdfeld plus Stromfeldeher systematisch

Ursache: $Der Ausschlagwinkel folgt der Vektorsumme, nicht dem Stromfeld allein.$
Auswirkung: $Der Winkel wächst nicht proportional zur Stromstärke : Quantitative Deutungen des Winkels wären falsch.$
Verbesserung: $Nur Tendenzaussagen aus dem Winkel ziehen; für Messwerte eine Hallsonde verwenden.$

Erwärmung des Drahts bei Dauerbetriebeher systematisch

Ursache: $Mehrere Ampere heizen den dünnen Draht.$
Auswirkung: $Widerstand steigt, Strom sinkt während der Beobachtung: Der Ausschlag kriecht zurück und täuscht einen Feldabfall vor.$
Verbesserung: $Kurz einschalten, zwischen den Tests abkühlen lassen, Strom am Amperemeter mitverfolgen.$

Das Wichtigste

Der Befund: $Elektrischer Strom erzeugt ein Magnetfeld : Es umgibt den Leiter in konzentrischen Kreisen, ohne Pole.$
Richtung: $Rechte-Hand-Regel: Daumen in (technische) Stromrichtung, die gekrümmten Finger zeigen die Feldrichtung. Stromumkehr kehrt das Feld um.$
Stärke: $Das Feld wächst mit der Stromstärke und nimmt mit dem Abstand vom Leiter ab.$
Bedeutung: $Elektrizität und Magnetismus sind verbunden: Bewegte Ladung ist eine Quelle des Magnetfelds, die Grundlage von Spule, Elektromagnet und Motor.$

Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters