5.6. Erdinduktor - Physikalisches Anfängerpraktikum

5.6 Erdinduktor
489
5.6. Erdinduktor
Ziel
Versuchsziel ist die Bestimmung des örtlichen Magnetfeldes der Erde. Dabei werden die
Horizontal- und Vertikalkomponente getrennt gemessen, um den sog. Inklinationswinkel,
d. h. den Winkel zwischen der Richtung der Magnetfeldlinien und der Horizontalen, zu
bestimmen.
Die Messung erfolgt unter Ausnutzung des faradayschen Induktionsgesetzes mittels einer
1852 von W. Weber angegebenen Versuchsanordnung.
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 besagt das Faradaysche Induktionsgesetz?
• Was ist das Funktionsprinzip des Erdinduktors?
die magnetische Flussdichte B
und der
• Wie hängen die magnetische Feldstärke H,
magnetische Fluss Φ zusammen?
• Wovon hängt die Selbstinduktivität einer Spule ab?
• Wie funktioniert ein Transformator?
• Wie verläuft das Erdmagnetfeld? Wie groß ist es in Konstanz?
• Was sind Inklinationswinkel und Deklinationswinkel?
• Wie funktioniert ein ballistisches Galvanometer?
Zubehör
• Erdinduktor aus zwei Spulen ( Lufttransformator“) auf einem um 180◦ umklapp”
baren Spulenkörper (siehe Abbildung 5.6.1)
Spule 1: n1 = 35 Windungen, Imax = 3 A
Spule 2: n2 = 1000 Windungen, R2 = 237 Ω
weitere Daten siehe Tabelle 5.6.1
• ballistisches“ Galvanometer (s. u.), Innenwiderstand Ri = 24 Ω
”
• regelbares Gleichspannungs-Netzteil mit integriertem Strommessgerät
• Tastschalter für Spulenstrom
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490
5. Versuche zur Elektrizitätslehre
Abbildung 5.6.1.: Ansicht des Erdinduktors (links mit Magnetkompassnadel) und des ballistischen Galvanometers mit Ablesefernrohr (rechts). Gut zu erkennen
ist die Umklappspule des Erdinduktors.
Grundlagen
Erdmagnetfeld
Bereits im Jahre 1600 beschrieb Gilbert, wie ein Magnetkompass funktioniert, und behauptete, dass die Erde ein großer Magnet sei, dessen Feld auf den kleinen Magneten der
Kompassnadel einwirkt und sie in Nord/Süd-Richtung ausrichtet.
Das Magnetfeld der Erde verhält sich in erster Näherung so, als würde sich ein kleiner,
aber starker Stabmagnet in der Nähe des Erdmittelpunktes befinden, der um ca. 11◦
gegen die Rotationsachse der Erde geneigt ist. Abbildung 5.6.2 zeigt diese Modellvorstellung. Ein wesentliches Detail ist dabei gut zu erkennen: der Ersatzdipol“ reicht bei
”
Weitem nicht ganz durch die Erdkugel (also vom magnetischen Nordpol zum magnetischen Südpol) hindurch, er ist viel kürzer als der Erddurchmesser. Dies ist wichtig für
den sog. Inklinationswinkel ϑ, also den ortsabhängigen Winkel zwischen der Richtung der
Magnetfeldlinien und der horizontalen Erdoberfläche.
Die Abbildungen 5.6.3, 5.6.4 und 5.6.5 geben das Erdmagnetfeld im Jahr 1980 wieder (es
verändert sich im Laufe der Jahre).
Die sog. Magnetosphäre reicht tausende von Kilometern über die Erde hinaus. Dazu
gehören auch die van Allen-Gürtel, welche als Schutzschirm gegen die hochenergetischen, elektrisch geladenen Teilchen des Sonnenwindes wirken.
Als Literaturwerte für den Betrag der horizontalen (Hh ) und vertikalen (Hv ) magnetischen
Feldstärke des Erdmagnetfeldes an der Erdoberfläche in Konstanz können wir nach [KH60]
zumindest näherungsweise verwenden:
Hh = 16.4 A/m
Hv = 33.0 A/m
(5.6.1)
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5.6 Erdinduktor
491
Erdinduktor
Der Erdinduktor besteht aus einer kreisförmigen Spule, die auf einen Rahmen aufgewickelt
ist. Der Rahmen lässt sich mit Hilfe einer Feder recht schnell um 180◦ umklappen (die
Drehachse liegt in der Spulenebene). Dabei entsteht entsprechend dem faradayschen Induktionsgesetz eine Spannung, wenn sich der magnetische Fluss Φ durch die Spule ändert.
Diese Spannung kann über die Anschlussklemmen abgegriffen und gemessen werden.
Faradaysches Induktionsgesetz
Ändert sich der magnetische Fluss Φ, der eine Leiterschleife bzw. Spule durchsetzt, so
wird eine Spannung induziert. Eine Änderung von Φ kann dabei entweder durch eine
Änderung der magnetischen Flussdichte bei feststehender Spule erzeugt werden (z. B.
bei der Kalibrierung im ersten Versuchsteil), oder aber durch eine Drehung der Spule in
einem konstanten Feld (z. B. dem Erdmagnetfeld, zweiter Versuchsteil). Die Größe der
induzierten Spannung lässt sich wie folgt berechnen:
Uind = n · Φ̇ = n ·
dΦ
dt
,
(5.6.2)
Abbildung 5.6.2.: Dipolmodell des Erdmagnetfeldes (nach [Ahe02]). Das Dipolfeld macht
etwa einen Anteil von 84 % − 86 % des gesamten Erdmagnetfeldes aus.
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5. Versuche zur Elektrizitätslehre
Abbildung 5.6.3.: Betrag der magnetischen Flussdichte B des gesamten Erdmagnetfeldes
an der Erdoberfläche im Jahr 1980 in Einheiten von Mikrotesla (1 μT)
[Ber90].
Abbildung 5.6.4.: Deklinationswinkel ϑ des Erdmagnetfeldes ( Missweisung“, d. h. hori”
zontale Abweichung der magnetischen Feldlinien von der geographischen Nord/Süd-Richtung) im Jahr 1980 in Grad [Ber90].
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5.6 Erdinduktor
493
Abbildung 5.6.5.: Inklinationswinkel des Erdmagnetfeldes (Winkel zwischen den magnetischen Feldlinien und der horizontalen Erdoberfläche) im Jahr 1980 in
Grad [Ber90].
Abbildung 5.6.6.: Das Erdmagnetfeld wird unter dem Einfluss des Sonnenwindes (Sonne
links unten im Bild) an der sonnenzugewandten Seite zusammenge”
presst“. Auf der sonnenabgewandten Seite entsteht eine Magnetfeld”
schleppe“ [©N02].
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5. Versuche zur Elektrizitätslehre
wobei n die Windungszahl der Spule ist.1
Ballistisches Galvanometer
Ein ballistisches Galvanometer ist ein sehr empfindliches Drehspulinstrument und als solches letztlich ein Messgerät für elektrische Ströme bzw. Spannungen. Es wird allerdings
meist in einer speziellen Anwendung zur Messung von elektrischen Ladungen eingesetzt.
Der Name des Gerätes soll die Analogie der Funktionsweise zur Bestimmung des Impulses bzw. der Geschwindigkeit von Geschossen mit Hilfe des ballistischen Pendels“ (ein
”
pendelnd aufgehängter Sandsack, in dem das Geschoss stecken bleibt) zeigen. Wichtig ist,
dass der Stoß (Einschlag und Abbremsung des Geschosses bzw. Stromstoß durch Umklappen der Spule des Erdinduktors) wesentlich kürzer ist als die Schwingungsdauer des
Pendels (Sandsack an Seil bzw. beim Drehspulinstrument Spiegel an Torsionsfaden).
Während der Zeit des Umklappens der Erdinduktorspule fließt durch den Induktionskreis
(bestehend aus Induktionsspule, Leitungen und Galvanometer) der Strom
I2 (t) =
U2 (t)
R2 +RLeitung +Ri
(5.6.3)
=
−n2
R2 +RLeitung +Ri
·
dΦ
dt
und somit insgesamt die Ladung
Q =
tklapp
I2 (t) dt
0
=
tklapp
0
=
tklapp
0
=
U2 (t)
R2 +RLeitung +Ri
dt
−n2
R2 +RLeitung +Ri
· dΦ
dt
dt
Φnachher
Φvorher
−n2
R2 +RLeitung +Ri
·A
)
n2 · ( B
= −2 · R2 +RLeitung +Ri
(5.6.4)
dΦ
,
die die Spule durchsetzende magnetische Flussdichte ist und A
die mittlere Fläche
wobei B
steht senkrecht auf der Fläche selbst, sein Betrag
der Spule (die Richtung des Vektors A
und A
parallel
gibt die Größe der Fläche an). Besonders einfach wird die Formel, wenn B
1
Oft findet man diese Formel in der Literatur mit einem negativen Vorzeichen. Das ist allerdings reine
Konventionssache. Bei U und Φ̇ handelt es sich um verschiedene physikalische Größen, die nur durch
die geometrische Anordnung der Spulendrähte in einem Zusammenhang stehen, so dass es nicht allzu
viel Aussagekraft hat, wenn man ihnen unterschiedliche Vorzeichen zuweist. Das negative Vorzeichen
im Induktionsgesetz wird meist verwendet, um die sog. lenzsche Regel anzudeuten, d. h. dass die Induktionsspannung einen Strom zur Folge hat, der der Ursache der Induktion, nämlich der Änderung
des magnetischen Flusses Φ̇, entgegenwirkt“. Diese Regel ist letztlich eine Folge des Energieerhal”
tungssatzes.
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5.6 Erdinduktor
495
senkrecht auf der Fläche der Spule steht), denn dann kann einfach mit dem
sind (d. h. B
Produkt der Beträge gerechnet werden.
und A:
Allgemein gilt sonst für das Skalarprodukt zweier Vektoren B
·A
= B · A · cos ∠(B,
A)
B
A)
als dem Winkel zwischen B
und A.
mit ∠(B,
Aus einer genaueren Betrachtung der Bewegungsgleichungen des Galvanometers kann man
herleiten, dass dessen Maximalausschlag dmax der insgesamt geflossenen Ladung proportional ist. Es gilt also:
·A
n2 · B
= KG · dmax .
(5.6.5)
Q = −2 ·
R2 + RLeitung + Ri
mit einer noch zu bestimmenden Proportionalitätskonstanten KG , die vom Galvanometer,
den Zuleitungen und anderen Parametern des Messkreises abhängt.
Zur Bestimmung der Proportionalitätskonstanten in Gleichung 5.6.5 muss eine Kalibrierungsmessung mit genau bekanntem Φ durchgeführt werden. Dazu dient die andere
Spule des Erdinduktors. Die durch Stromfluss in der Primärspule erzeugte magnetische
Flussdichte durchsetzt auch die Sekundärspule. Nach Definition der gegenseitigen Induk”
tivität“ L12 der beiden Spulen gilt:
n2 · Φ = L12 · I1
.
(5.6.6)
Schaltet man einen Strom I1 durch die Spule L1 abrupt ein (Tastschalter) und liest den
zugehörigen Maximalausschlag dKal am Galvanometer ab, so gilt für diese Kalibrierungsmessung ganz analog zu den obigen Überlegungen
QKal =
−L12 · I1
= KG · dKal
R2 + RLeitung + Ri
.
(5.6.7)
Durch Division der Gleichungen 5.6.5 und 5.6.7 kann man die Proportionalitätskonstante
KG eliminieren und erhält für die Komponenten der Flussdichte des Erdmagnetfeldes2
L12
I1
·
2 · n2 · A dKal
I1
L12
·
Bh1 =
2 · n2 · A dKal
L12
I1
·
Bh2 =
2 · n · A dKal
2
2
2
+ Bh2
Bh = Bh1
Bv =
2
· d Bv
,
(5.6.8)
· dBh1
,
(5.6.9)
· dBh2
,
(5.6.10)
.
(5.6.11)
Dabei steht der Index v für die vertikale“ Komponente, die Indices h1 und h2 für zwei zueinander
”
senkrechte horizontale“ (d. h. waagerechte) Komponenten.
”
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5. Versuche zur Elektrizitätslehre
Hieraus ergibt sich schließlich
B=
Bv2 + Bh2 =
2
2
Bv2 + Bh1
+ Bh2
(5.6.12)
für den Betrag der magnetischen Flussdichte und
ϑ = arctan
Bv
Bv
= arctan 2
2
Bh
Bh1 + Bh2
(5.6.13)
für den Inklinationswinkel.
Anmerkung: Für die Bestimmung des Inklinationswinkels wäre die Kalibrierungsmessung
zwar nicht unbedingt notwendig, sie ist aber unerlässlich für die Bestimmung des Betrags
der magnetischen Flussdichte.
Versuchsdurchführung
1. Justieren Sie die optische Ablesevorrichtung am ballistischen Galvanometer: Dazu
ist zunächst das Ablesefernrohr genau auf den Spiegel des Galvanometers zu richten
(Okular relativ weit herausziehen, dann ist der Spiegel scharf zu erkennen). Dann
durch Hineinschieben des Okulars auf die Skala scharfstellen und die Skala mit
der Einstellschraube so verschieben, dass der Markierungsstrich im Okular mit der
Nulllage übereinstimmt.
2. Nehmen Sie Kalibrierwerte auf für den Ausschlag des ballistischen Galvanometers bei mindestens fünf verschiedenen Stromstärken durch die Primärspule L1 .
Schicken Sie hierzu einen Strom vom regelbaren Netzgerät über den Taster durch die
Primärspule und beobachten jeweils den Maximalausschlag des an die Sekundärspule angeschlossenen Galvanometers. Überschreiten Sie dabei auf keinen Fall die maximal zulässige Stromstärke Imax = 3 A! Der Ausschlag des Galvanometers würde
dabei ohnehin zu groß und wäre dadurch nicht mehr richtig ablesbar.
3. Trennen Sie das Netzgerät wieder von der Primärspule. Zur Messung des Erdmagnetfeldes ist nur die Verbindung zwischen der Sekundärspule und dem ballistischen
Galvanometer nötig.
4. Messen Sie den Maximalausschlag des Galvanometers beim schnellen Umklappen
der Spule jeweils mindestens drei Mal in drei verschiedenen zueinander senkrechten
Stellungen:
• dBv : Messung der Vertikalkomponente bei vertikal stehender Spulenachse (die
Spulenebene liegt also horizontal).
• dBh1 , dBh2 : Messung zweier Horizontalkomponenten jeweils bei horizontal liegender Spulenachse, wobei die beiden Achsenlagen zweckmäßigerweise so
gewählt werden, dass die Achse einmal parallel und einmal senkrecht zur Fensterfront des Praktikumsraumes liegt.
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5.6 Erdinduktor
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Sekundärspule Primärspule
Windungszahl n
Widerstand R / Ω
Innenradius ri / mm
Außenradius ra / mm
höchster Dauerstrom Imax / A
gegenseitige Induktivität L12 / mH
1000
237
106
110
—
35
1.42
—
—
3
13.54
Tabelle 5.6.1.: Technische Daten der Spulen des Erdinduktors, wie vom Hersteller auf der
Innenseite des Instruments angegeben.
5. Wiederholen Sie die Messung an insgesamt mindestens fünf verschiedenen Orten,
möglichst auch außerhalb des Gebäudes, um die störenden Einflüsse des Gebäudes
(Stahlbeton) und seiner Einrichtung (eiserne Tischgestelle, Stromleitungen, . . . ) zu
verringern.
Auswertung
Φ
1. Berechnen Sie einen Kalibrierfaktor Skalenteile
für das ballistische Galvanometer in
Kombination mit der Sekundärspule des Erdinduktors.
Gehen Sie dabei von der in Tabelle 5.6.1 gegebenen gegenseitigen Induktivität
L12 = 13.54 mH der beiden Spulen aus und berechnen Sie jeweils aus der Stromstärke
in der Primärspule den magnetischen Fluss Φ durch die Spulen. Berechnen Sie dann
die Regressionsgerade durch den Ursprung zu den Wertepaaren aus Φ und Galvanometerausschlag.3
2. Berechnen Sie für jeden Messort
• die Horizontal- und Vertikalkomponente (Bh bzw. Bv ) des Erdmagnetfeldes,
• den Betrag der gesamten magnetischen Flussdichte B,
• den Inklinationswinkel ϑ (Winkel gegen die Horizontale) und
• den Winkel zwischen der von Ihnen bestimmten magnetischen Nordrichtung
und der Fensterfront des Praktikumsraumes. Vergleichen Sie mit der Karte in
Abbildung 5.6.7.
Fragen und Aufgaben
1. Wie hängen die magnetische Feldstärke und die magnetische Flussdichte zusammen? Hinweis: Erläuterungen hierzu finden Sie u. a. in der Versuchsanleitung zum
Konstanzer AP-Versuch Ferromagnetische Hysteresekurve“.
”
3
Diese Vorgehensweise berücksichtigt besser die höhere Zuverlässigkeit der Messwerte bei den hohen
Stromstärken, als wenn Sie jeweils einzeln zu jeder Stromstärke einen Kalibrierfaktor bestimmen und
diese dann mitteln.
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5. Versuche zur Elektrizitätslehre
2. Begründen Sie den Faktor 2 in der letzten Zeile der Gleichung 5.6.4.
3. Rechnen Sie die in Gleichung 5.6.1 als Literaturwerte gegebenen magnetischen
Feldstärken H (Einheit 1 A/m) in die entsprechenden magnetischen Flussdichten B
(Einheit 1 T) um (für die Permeabilitätskonstante von Luft kann in guter Näherung
μr ≈ 1 gesetzt werden), und berechnen Sie auch hier den Gesamtbetrag sowie den
Inklinationswinkel.
Ergänzende Informationen
Die Entstehung des Erdmagnetfeldes gibt auch heute noch viele Rätsel auf.
Mit der Annahme eines Dauermagneten im Erdmittelpunkt lässt sich das irdische Magnetfeld zwar vergleichsweise gut beschreiben, nicht aber erklären, denn sie hat eine entscheidende Schwachstelle: magnetisches Gesteinsmaterial verliert seinen permanenten Magnetismus (d. h. seine ferromagnetischen Eigenschaften), wenn es auf Temperaturen oberhalb
der Curie-Temperatur erhitzt wird, die bei ca. 500 ◦ C liegt. Derartige Temperaturen herrschen bereits in Tiefen von 20 bis 30 km. Das Gesteinsmaterial kann dort also nicht mehr
magnetisch sein – und unser hypothetischer Dipol läge immerhin in ca. 6000 km Tiefe.
Eine interessante Erklärungsmöglichkeit bietet die Dynamo-Theorie: Erst seit Mitte des
20. Jahrhunderts scheinen Geophysiker mit dieser Erklärungsmöglichkeit auf dem richtigen Weg zu sein. Die zuerst von J. Larmor (* 1857, † 1942) angesprochene Idee, dass bei
geeignetem Bewegungsverlauf elektrisch gut leitender Materie im Erdkörper diese sich wie
ein selbsterregender Dynamo verhalten könnte, wurde später Anfang der 50er Jahre von
W. Elsasser und E. Bullard und anderen Geophysikern aufgenommen und zu einer
Theorie weiterentwickelt, die man heute auch als Magneto-Hydrodynamische Theorie des
Erdfeldes bezeichnet. So wie bei der 1866 von Siemens erfundenen (Einzelheiten zur Entdeckungsgeschichte s. u.) Dynamomaschine elektrischer Strom erzeugt wird, der seinerseits
wieder ein Magnetfeld induziert (auch die sog. Lichtmaschine“ im Auto funktioniert nach
”
diesem Prinzip), versucht man, mit Hilfe von Materialströmungen im Erdinneren zu erklären, wie das innere Magnetfeld entstehen kann. Solch ein Dynamo wird im Bereich des
flüssigen Erdkerns vermutet. Weil flüssiges Eisen leicht strömen kann und Eisen zudem
ein guter elektrischer Leiter ist, könnte der Erdkern als bewegter Leiter eines Dynamos
fungieren.
In der Geophysik ist man der Auffassung, dass das flüssige Eisen durch Wärmeenergie in
Bewegung gesetzt wird, die ursprünglich aus radioaktivem Zerfallsvorgängen im Kernbereich stammt. Durch einen Prozess, der in allen Einzelheiten noch immer nicht verstanden
wird, erzeugt diese Bewegung vermutlich einen elektrischen Strom, der das Magnetfeld
aufrechterhält, das den Dynamo im Kern in Gang hält. Ein solcher Erd-Dynamo liefert
derzeit die beste Erklärung für die beobachteten Phänomene im Zusammenhang mit dem
Erdmagnetfeld.
Entdeckungsgeschichte der Dynamomaschine:4
Werner Siemens (* 1816, † 1892, nobilitiert 1888) fand 1866 anlässlich der Verbesserung eines Minenzündgeräts, dass der
im Eisen des Elektromagneten eines Generators zurückbleibende (= remanente) Magnetismus ausreicht, um eine zunächst
4
Der Text entspricht der Darstellung in [Mus00].
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5.6 Erdinduktor
499
schwache Spannung im rotierenden Anker zu induzieren. Ein dadurch bewirkter Strom lässt sich benutzen, um den Magnetismus im Feldelektromagnet fortschreitend bis zur Sättigung zu verstärken. Diese Selbsterregung eines elektrischen Generators
unter Ausnutzung des im Weicheisenkern des Elektromagneten zurückbleibenden Magnetismus wird dynamo-elektrisches
Prinzip genannt; die Bezeichnungen Dynamo und Dynamomaschine hängen damit zusammen. Eine Dynamomaschine wurde
auf der Weltausstellung in Paris 1867 ausgestellt, auf der Werner Siemens mit dem Orden der Französischen Ehrenlegion
ausgezeichnet wurde.
Am 17.1.1867 legte Gustav Heinrich Magnus (* 1802, † 1870), dem zusammen mit einigen anderen Physikern W. Siemens
im Jahr 1866 eine von ihm umgebaute Versuchsmaschine vorgestellt hatte, der Akademie der Wissenschaften in Berlin
Siemens’ Abhandlung über den neuen Gleichstrom-Generator vor: Über die Umwandlung von Arbeitskraft in elektrische
”
Ströme ohne Anwendung permanenter Magnete“. Sie schloss mit den Worten: Der Technik sind gegenwärtig die Mittel
”
gegeben, electrische Ströme von unbegrenzter Stärke auf billige und bequeme Weise überall da zu erzeugen, wo Arbeitskraft
disponibel ist.“
Am 14.2.1867 schon hielt der Bruder von Werner Siemens, William Siemens (* 1823, † 1883), in der Royal Society
of London einen Vortrag über die Entdeckung, und unmittelbar nach ihm stellte Ch. Wheatstone die seinige vor. Die
beiden Konstruktionen unterschieden sich darin, dass Siemens den gesamten Strom zur Erzeugung des Erregerfeldes nutzte
(Hauptschlussmaschine), während Wheatstone nur einen Teil desselben dazu verwandte (Nebenschlussmaschine). Der
Vortrag von Wheatstone war zwar zwei Wochen später angemeldet worden als der von William Siemens, allerdings
hatte Wheatstone damit die Priorität für die Selbsterregung mittels Parallelschaltung von Anker- und Feldwicklung,
die für die Kraftwerkstechnik wichtig war; denn bei deren Hintereinanderschaltung nach Siemens würde die Spannung
mit der Belastung unzulässig geschwankt haben. Ungefähr zur gleichen Zeit, Ende Dezember 1866, reichten auch Samuel
Alfred Varley und sein Bruder eine provisorische Spezifikation zu einem englischen Patent auf einen Stromerzeuger
ein, dessen Elektromagnete nur mit dem Ankerstrom gespeist wurden; ihre Einzelheiten wurden allerdings erst ein Jahr
nach der Siemensschen Spezifikation bekannt gegeben. Der Ungar Anianus Jedlick (* 1800, † 1895) hatte bei seiner
Unipolarmaschine schon 1851/53 mit dem von der Maschine selbst erzeugten Strom die Feldmagnete gespeist und auch
die Selbsterregung beschrieben, aber keinen praktischen Gebrauch davon gemacht. Dem dänischen Eisenbahningenieur
Sören Hjorth (* 1801, † 1870) wurde 1854 eine Scheibenankermaschine mitsamt Rückkopplung“ patentiert, die sowohl
”
Dauermagnete als auch Elektromagnete enthielt; er war damit der erste, der die Selbsterregung gefunden und ausgeführt
hatte. Werner Siemens kann für sich in Anspruch nehmen, die Selbsterregung wieder ins Gespräch gebracht zu haben;
schon am 4.12.1866 schrieb er an seinen Bruder William: Ich habe eine neue Idee gehabt, die aller Wahrscheinlichkeit
”
nach reüssieren und bedeutende Resultate geben wird. [. . . ] Die Sache ist sehr ausbildungsfähig und kann eine neue Aera
des Elektromagnetismus anbahnen! In wenigen Tagen wird ein Apparat fertig sein. Magnet-Elektrizität wird hierdurch
billiger werden, und kann nun für Licht, Galvanometallurgie usw., selbst für kleine elektromagnetische Maschinen, die ihre
Kraft von großen erhalten, möglich und nützlich werden.“ Das Zeitalter der Starkstromtechnik mit elektrischem Licht,
elektrischen Antrieben und elektrischer Heizung hatte begonnen, auch wenn es noch lange dauerte, bis es sich durchgesetzt
hatte; allerdings wurde bei der Stromerzeugung das Prinzip der Fremderregung nicht aufgegeben.
Literaturhinweise
Diverse Standardlehrbücher, z. B. [Gob87, Vog95, HMS99, Tip00].
Eine sehr gute Möglichkeit, sich das Magnetfeld der Erde im Wandel der Zeit interaktiv
anzeigen zu lassen, gibt es unter [(NO03b]. Weitere ausführliche Informationen rund um
das Thema Erdmagnetfeld finden sich z. B. bei [(NO03a, Ste01].
Zwei leicht verständliche Videos zum Thema Erdmagnetfeld aus der Fernsehsendung Al”
pha Centauri“ des Bayerischen Rundfunks sind abrufbar unter:
Was passiert, wenn das Erdmagnetfeld verschwindet?“: http://www.br-online.de/
”
cgi-bin/ravi?v=alpha/centauri/v/&g2=1&f=050330.rm
Zerfällt das Erdmagnetfeld?“: http://www.br-online.de/cgi-bin/ravi?v=alpha/
”
centauri/v/&f=010722.rm oder alternativ http://www.br-online.de/cgi-bin/ravi?
v=alpha/centauri/v/&g2=1&f=010722-l.rm
Literaturverzeichnis
[Ahe02]
Ahern, Judson L.: http: // www. gcn. ou. edu/ ~ jahern/ g&m/ mag_
earth/ mag_ earth. html , 2002.
[Ber90]
Berckheimer, Hans: Grundlagen der Geophysik. 1990.
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500
[Gob87]
5. Versuche zur Elektrizitätslehre
Gobrecht, Heinrich: Bergmann-Schaefer – Lehrbuch der Experimentalphysik, Band II: Elektrizität und Magnetismus. Walter de Gruyter, Berlin, 7.
Auflage, 1987.
[HMS99] Hering, Ekbert, Rolf Martin und Martin Stohrer: Physik für Ingenieure. Springer-Verlag, Berlin, 7. Auflage, 1999.
[KH60]
Kohlrausch, Friedrich und Dietrich Hahn: Praktische Physik. TeubnerVerlag, Stuttgart, 1960.
[Mus00]
Museum, Deutsches: Meisterwerke aus dem Deutschen Museum, Band III.
München, 1. Auflage, 2000. siehe auch http://www.deutsches-museum.de/
information/veroeffentlichungen/meisterwerke/ (16.05.2007).
[©N02]
© NASA, Bild: Steele Hill: http: // www. astronomie. de/
sonnensystem/ erde/ forsche. htm , 2002.
[(NO03a] (NOAA), National Oceanic & Atmospheric Administration: Geomagnetic field frequently asked questions, http: // web. ngdc. noaa. gov/
seg/ potfld/ faqgeom. html , 2003.
[(NO03b] (NOAA), National Oceanic & Atmospheric Administration: Views
of earth’s magnetic field based on the international geomagnetic reference
field (IGRF), http: // web. ngdc. noaa. gov/ cgi-bin/ seg/ gmag/ igrfpg.
pl , 2003.
[Ste01]
Stern, David P.: The great magnet, the earth, http: // www. phy6. org/
earthmag/ demagint. htm , 2001.
[Tip00]
Tipler, Paul A.: Physik. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg · Berlin, 2000. (amerikanische Originalausgabe 1976, 1982, 1991; deutsche Übersetzung 1994, 1995, 1998, 2000).
[Vog95]
Vogel, Helmut: Gerthsen - Physik. Springer-Verlag, Berlin · Heidelberg,
18. Auflage, 1995.
© Physikalisches Anfängerpraktikum der Universität Konstanz — zum internen Gebrauch bestimmt
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5.6 Erdinduktor
501
Abbildung 5.6.7.: Lageplan der Universität Konstanz. Unten im Bild ist die Nordrichtung
mit eingezeichnet.
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