5.4. Stromwaage - Physikalisches Anfängerpraktikum

5.4 Stromwaage
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5.4. Stromwaage
Ziel
Ziele des Versuches sind einerseits die anschauliche Beschäftigung mit der Lorentzkraft
und ihre quantitative Messung, andererseits die Überprüfung des ohmschen Gesetzes“
”
für den magnetischen Fluss und die magnetische Spannung.
Hinweise zur Vorbereitung
Die Antworten auf diese Fragen sollten Sie vor der Versuchdurchführung wissen. Sie sind
die Grundlage für das Gespräch mit Ihrer Tutorin/Ihrem Tutor vor dem Versuch. Informationen zu diesen Themen erhalten Sie in der unten angegebenen Literatur.
• Was ist ein Elektromagnet?
die magnetische Flussdichte B
und der
• Wie hängen die magnetische Feldstärke H,
magnetische Fluss Φ zusammen?
• Was sind die magnetische Spannung und der magnetische Widerstand?
• Wie kommt es zu Ferromagnetismus?
• Wie entsteht eine ferromagnetische Hystereseschleife?
und B
an Grenzﬂächen?
• Wie verhalten sich H
• Welche Kraft wirkt auf stromdurchﬂossene Leiter im Magnetfeld?
Zubehör
• wassergekühlter Elektromagnet (Windungszahl nMagnet = 3000) mit großen Polschuhen und veränderbarem Polschuhabstand
• fünf Abstandsplatten aus Messing zur Einstellung des Polschuhabstandes (15 mm
bis 35 mm)
• mechanische Tafelwaage
• Gewichtssatz (2 g bis 500 g)
• an der Waage befestigte rechteckige Messspule, die zwischen den Polschuhen des
Elektromagneten hängt (Windungszahl nSpule = 30, horizontale Drahtlänge senkrecht zu den Magnetfeldlinien lSpule = 45 mm)
• je ein Netzgerät für den Elektromagnet und die Messspule
• Schiebewiderstand R = 11 Ω, Imax = 8 A
• Multimeter mit 20 A-Messbereich (eigentlich würden 5 A genügen)
© Physikalisches Anfängerpraktikum der Universität Konstanz — zum internen Gebrauch bestimmt
Diese Anleitung ersetzt NICHT den Grundlagenteil Ihres Praktikumsberichtes! Haben Sie Verbesserungsvorschläge?
Dieser Abschnitt: Revision: 798 , Date: 2017-04-03 16:57:15 +0200 (Mo, 03 Apr 2017)
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5. Versuche zur Elektrizitätslehre
Abbildung 5.4.1.: Skizze des Versuchsaufbaus mit Schaltbild.
Grundlagen
Lorentzkraft
Ruhende Ladungen erfahren in einem homogenen Magnetfeld keine Kraft. Auf bewegte
Ladungen wirkt hingegen die Lorentzkraft
FL = q · v × B
(5.4.1)
mit
q = Ladung,
v = Geschwindigkeit der bewegten Ladung,
= magnetische Flussdichte am Ort des Elektrons.
B
In einem Drahtstück der Länge l sollen sich viele freie Ladungsträger ( Leitungselek”
tronen“) mit der Gesamtladung q beﬁnden. Bewegen sich diese Ladungsträger mit einer
mittleren Geschwindigkeit v entlang des Drahtes senkrecht zu den Feldlinien eines homogenen Magnetfeldes der Flussdichte B, so bedeutet das einerseits, dass ein Strom der
Stärke
v
I = q·
(5.4.2)
l
ﬂießt und es wirkt andererseits die Lorentzkraft nach Gleichung (5.4.1). Fasst man die
beiden Gleichungen zusammen, so kann man daher auch schreiben
FL = I · l · B
.
(5.4.3)
Magnetischer Widerstand
@@@@@@
Versuchsdurchführung
Achtung: Der große Elektromagnet hat eine hohe Selbstinduktivität. Sein Strom darf daher nur langsam und nie abrupt geändert werden, d. h. nicht zu schnell hochdrehen, aber
vor allem nie im Betrieb einfach abschalten! Die dabei entstehenden hohen Induktionsspannungen könnten sonst den Elektromagneten zerstören.
1. Bauen Sie die Schaltung nach Abbildung 5.4.1 auf und lassen Sie sie von Ihrer
Betreuerin/Ihrem Betreuer überprüfen.
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5.4 Stromwaage
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2. Schalten Sie das Kühlwasser an.
3. Drehen Sie den Regler für den Strom durch den Elektromagneten ganz nach links
und schalten Sie erst dann das Netzgerät ein.
4. Klemmen Sie einen der Abstandshalter zwischen die Polschuhe, um einen deﬁnierten
Polschuhabstand d einzustellen.
5. Regeln Sie den Strom langsam hoch. Wählen Sie einen festen Wert für den Strom
durch den Elektromagneten (z. B. IMagnet = 6 A).
6. Bestimmen Sie für mindestens zehn verschiedene Werte ISpule ≤ 5 A des Stroms
durch die Messspule durch Wägung die Lorentzkraft.
7. Stellen Sie einen festen Strom durch die Messspule ein (z. B. ISpule = 2 A oder
ISpule = 3 A).
8. Bestimmen Sie die Lorentzkraft für Magnetspulenströme von 0 A bis max. 7 A in
Schritten von 1 A.
9. Wiederholen Sie Punkt 8 für alle vorhandenen Abstandshalterplättchen.
Achtung: Vergessen Sie bitte nicht, nach Versuchsende das Kühlwasser wieder abzudrehen.
Da die Praktikumsräume leider nicht an den speziellen Kühlwasserkreislauf angeschlossen
ist, müssen wir mit Trinkwasser kühlen. Der Verbrauch sollte daher so niedrig wie möglich
gehalten werden.
Auswertung
1. Zeichnen Sie:
a) die Lorentzkraft als Funktion des Stroms ISpule bei festem IMagnet ,
b) den Betrag B der magnetischen Flussdichte als Funktion von IMagnet bei verschiedenen Polschuhabständen als Parameter,
c) den Betrag B der magnetischen Flussdichte als Funktion des Kehrwertes 1/d
des Polschuhabstandes bei konstantem IMagnet als Parameter.
2. Berechnen Sie die Permeabilitätskonstante μ0 unter Anwendung des ohmschen
”
Gesetzes“ für den magnetischen Fluss und die magnetische Spannung.
Hinweis:
Fragen und Aufgaben
1. Es seien
= gesamter magnetischer Widerstand,
R
Luft = magnetischer Widerstand des Luftspaltes,
R
Fe = magnetischer Widerstand des Eisenjochs.
R
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5. Versuche zur Elektrizitätslehre
≈R
Luft ?
Warum gilt in guter Näherung R
2. Ist die Flussdichte B wirklich eine lineare Funktion von IMagnet ?
Hinweis: Was ist eine Hystereseschleife?
durchsetzt die Grenzﬂäche
3. für Physiker(innen): Welche Komponente von B
Luft/Eisen stetig? Ist es die Normal- oder die Tangentialkomponente?
Wie lautet die entsprechende Gesetzmäßigkeit für die elektrische Verschiebungs in der Elektrostatik?
stromdichte D
Ergänzende Informationen
Alte Bezeichnungen
Die Untersuchung magnetischer Phänomene hat eine lange Tradition und es haben sich
viele Konventionen erhalten. Auch ﬁndet man insbesondere in älterer Literatur oft andere
oder
Bezeichnungen, wie z. B. magnetische Induktion“ für die magnetische Flussdichte B
”
magnetischer Kraftﬂuss“ für den magnetischen Fluss Φ.
”
Literaturhinweise
[Vog95, Gob87, LP04]
Literaturverzeichnis
[Gob87] Gobrecht, Heinrich: Bergmann-Schaefer – Lehrbuch der Experimentalphysik,
Band II: Elektrizität und Magnetismus. Walter de Gruyter, Berlin, 7. Auflage,
1987.
[LP04]
Lüders, Klaus und Robert Otto Pohl: Pohls Einführung in die Physik
– Mechanik, Akustik und Wärmelehre. Springer-Verlag, Berlin Heidelberg New
York, 19. Auflage, 2004. ursprünglich erschienen als erster von drei Bänden unter
dem Titel: R. W. Pohl: Einführung in die Physik“.
”
[Vog95] Vogel, Helmut: Gerthsen - Physik. Springer-Verlag, Berlin · Heidelberg, 18.
Auflage, 1995.
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