In der 8. Klasse haben wir uns bereits mit Magnetfeldern und Elektromagneten beschäftigt. In diesem Beitrag geht es darum, wie wovon die Stärke des Magnetfeldes einer Spule abhängig ist.
Versuche mit dem Magnetfeld einer Spule
Als erstes untersuchen wir das Magnetfeld einer Spule mit einer Magnetnadel.
Dazu nehmen wir eine Spule mit 800 Windungen. Diese bauen wir frei zugänglich auf.
Dann stellen wir die Gleichspannung so ein, dass durch die Spule ein Strom von 3A fließt.
Nun messen wir die nähere Umgebung der stromdurchflossenen Spule mit einer Magnetnadel aus.
Ergebnis:
Die Magnetnadel zeigt durch die jeweiligen Nadelstellungen, dass das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule dem eines Stabmagneten gleicht.
In der Zeichnung unten sehen sie das Magnetfeld eines Stabmagneten:
Und hier das Feldlinienbild einer Spule:
Dabei sehen wir also: Eine stromdurchflossene Spule verhält sich wie ein Stabmagnet mit abschaltbarem Magnetismus.
Im Spuleninneren verlaufen die Feldlinien dabei nahezu parallel. An den Spulenöffnungen treten sie aus und ein. Dort befinden sich die Pole.
Versuche zur Stärke des Magnetfeldes einer Spule in Abhängigkeit von der Windungszahl und von der Stromstärke
Dazu lassen wir Spulen mit unterschiedlichen Windungszahlen von unterschiedlich starken Strömen durchfliessen. Dann nähern wir bei allen Versuchen Büroklammern dem unteren Ende der Spule.
Versuch 1:
Wir lassen eine Spule mit 800 Windungen von einem Strom mit I = 0,5 A durchfliessen.
Ergebnis: Die Magnetische Kraft reicht hierbei nicht aus, um Büroklammern festzuhalten.
Versuch 2:
Wir erhöhen die Gleichspannung, so dass durch die Spule ein Strom von I = 2 A fließt.
Ergebnis: Diesmal werden die Büroklammern teilweise in die Spule hineingezogen und bleiben haften.
Versuch 3:
Wir lassen eine Spule mit 400 Windungen von einem Strom mit I = 2 A durchfliessen.
Ergebnis: Wieder haften die Büroklammern nicht.
Die Stärke des Magnetfeldes einer Spule ist abhängig von:
– der Anzahl der Windungen um die Spule
– der Stärke des Stromes, der die Spule durchfließt.
Versuch zur Stärke des Magnetfeldes einer Spule mit Eisenkern
Versuch 1:
Als erstes lassen wir eine Spule ohne Eisenkern mit 800 Windungen von einem Strom mit I = 0,5 A durchfliessen.
Ergebnis:
Die magnetische Kraft reicht diesmal nicht aus, um Büroklammern festzuhalten.
Versuch 2:
Als nächstes versehen wir die gleiche Spule mit einem Eisenkern.
Ergebnis:
Die Büroklammern haften sofort am Eisenkern.
Versuch 3:
Dann betreiben wir die Spule mit Wechselspannung.
Ergebnis:
Die Büroklammern haften also auch bei Wechselspannung.
Erkenntnis:
Die Stärke des Magnetfeldes einer Spule kann durch einen Eisenkern wesentlich verstärkt werden.
Die im Eisen befindlichen Elementarmagnete richten sich durch Einwirkung eines äußeren Magnetfeldes in Richtung der Feldlinien aus. Dadurch kann man die Verstärkung des Magnetfeldes erklären.
Wie funktioniert ein Hebemagneten
Wir versehen eine Spule mit 800 Windungen mit einem U-Eisenkern. Dann nähern wir Büroklammerndem und Nägel dem unteren Ende der Spule.
Versuch 1:
Wir lassen eine Spule mit 800 Windungen von einem Strom mit I = 0,5 A durchfliessen.
Wieder reicht die magnetische Kraft aus, um Büroklammern und Nägel festzuhalten. Nachdem der Strom abgeschaltet wurde, bleibt noch einiges am Eisenkern haften. Ursache dafür ist der Restmagnetismus.
Versuch 2:
Wir betreiben die Spule mit Wechselspannung.
Dadurch vibriert die Spule. Das liegt an dem magnetischen Wechselfeld. Wird das Joch an den U-Kern gelegt, so sinkt die Stromstärke. Das bedeutet, der Widerstand der Spule steigt.
Versuch Eisen magnetisieren
Hierzu lassen wir eine Spule mit 400 Windungen von einem Strom mit I = 2 A durchfliessen.
Wenn der Schalter geöffnet ist, legen wir Nägel in die Spulenöffnung. Dann schließen wir den Schalter.
Ergebnis: Dadurch werden die Nägel gleichartig magnetisiert und stoßen einander soweit wie möglich ab. Das Wort Ferrum ist lateinisch und bedeutet Eisen. Deshalb nennt man alle Stoffe, die sich magnetisieren lassen, (Eisen Kobalt und Nickel) ferromagnetische Stoffe.
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