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Magnetfeld der Spule und Elektromagnet

SchulversuchMagnetismus / ElektromagnetismusKlasse 9Standard

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

Aktuelles Versuchsziel

Elektromagnet: Wovon hängt die Kraft ab?

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

Gemessen

  • — Tragkraft (in )

    Als Anzahl getragener Büroklammern gezählt: grob, aber vergleichbar und reproduzierbar.

  • — Stromstärke (in )

    Erste Einflussgröße, am Netzgerät in Stufen eingestellt.

Bekannt

  • — Windungszahl

    Zweite Einflussgröße: 300 gegen 600 Windungen gleicher Bauform.

Der Weg von der Messung zum Ergebnis:

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 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 .

3Geräte / Stoffe

, 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 .

  • 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

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

Die Spule wirkt nach außen wie ein StabmagnetNSInnen parallel und gleich dicht: homogenes Feld.Welches Ende Nordpol ist, entscheidet die Stromrichtung

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 (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)
AnordnungKlammern
600 Wdg., Eisenkern, 0,5 A8
600 Wdg., Eisenkern, 1 A16
600 Wdg., Eisenkern, 2 A30
300 Wdg., Eisenkern, 1 A8
600 Wdg., ohne Kern, 1 A1
600 Wdg., Aluminiumstab, 1 A1

Beispieldaten zur Veranschaulichung — keine echten Messwerte.

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

7Auswertung

: Verdopplung des Stroms verdoppelt die Klammerzahl in etwa (8 → 16 → 30): Die 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 → 8) bei gleichem Strom: Es zählt das Produkt aus Strom und Windungszahl, jede Windung trägt gleichberechtigt bei.

Kern: Der Eisenkern versechzehnfacht die Tragkraft (1 → 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 des Elektromagneten wächst mit 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 ±2 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 .

Auswirkung

Die Tragkraft nimmt während der Messung ab.

Verbesserung

Strom (nicht ) konstant regeln, Pausen einlegen.

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).

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