Magnetische Induktion - Carl-Engler

Carl-Engler-Schule Karlsruhe
Laborversuch:
1.
Physik-Labor (BS/BK/FS)
1 (2)
Magnetische Induktion
Grundlagen
Ändert sich die Stärke eines Magnetfeldes in einer Spule, dann wird dort eine Spannung induziert. Die
Grösse der Spannung hängt von den geometrischen Daten der Spule (Länge der Spule, Windungszahl) ab
und ist proportional zur Änderungsgeschwindigkeit der magnetischen Induktion.
Führt man einen Stabmagneten mit konstanter Geschwindigkeit vollständig durch eine Spule, ist das
Magnetfeld nicht homogen und ändert sich nichtlinear mit der Zeit. Ausserdem findet ein
Richtungswechsel und damit ein Polaritätswechsel der Spannung statt. Bei nicht geradlinigen Durchgang
(Drehung des Magneten) oder beschleunigter Bewegung verliert das Signal auch seine zeitliche Symmetrie.
Die Induktionsspannung hängt von der Windungszahl n der Spule und von der Änderungsgeschwindigkeit
des magnetischen Flusses dΦ/dt ab.
U = n * dΦ/dt
Bei allen Induktionsvorgängen, bei denen am Ende der gleiche Zustand des magnetischen Feldes wie am
Anfang erreicht wird, muss nach der Theorie das Integral über den zeitlichen Verlauf der
Induktionsspannung den Wert Null ergeben.
2.
Vorbereitung
Eine Spule mit 600 Windungen (Leybold-Spule 500 Windungen, 2.5 Ohm) wird mit Stativmaterial so
befestigt, dass ein Stabmagnet senkrecht durch das Spuleninnere fallen kann. Zur Führung des Magneten
kann ein Rohr aus Pappe angebracht werden. Der Magnet soll in eine mit Schaumstoff ausgekleidete Kiste
fallen.
Die Induktionsspannung (ca. 2 Volt) wird mit einem geeigneten Messsystem (Systemmultimeter SIEMENS
B3220, Speicheroszilloskop, cDAQ-System) gemessen, das über eine Schnittstelle am Computer
angeschlossen ist. Für die Steuerung und die Datenübernahme wird ein LabVIEW-Programm erstellt.
3.
Aufgaben
3.1
Programmerstellung
Spannungsmessung mit Abtastrate etwa 100/s und Datenspeicherung
3.2
Datenerfassung
Das Messsystem wird für eine schnelle Messung parametriert. Während der Messzeit muss der Magnet
durch die Spule fallen. Das gemessene Signal wird am Bildschirm angezeigt. Von dort können die Daten
zur Auswertung in die Tabellenkalkulation übertragen werden.
Zu untersuchen sind mindestens drei verschiedene Fall-Ereignisse. Variationen können sein:





Orientierung des Magneten
verschiedene Starthöhen beim Fall
Start bei teilweise eingetauchtem Magneten
Störungen während des Falls (Anstossen)
Kombination zweier Magnete
3.3
Auswertung
Sind die Daten in die Tabellenkalkulation übertragen, können die Bereiche mit verschwindendem Signal
abgeschnitten werden.
Mit Hilfe des Trapezverfahrens wird die Integralfunktion numerisch berechnet.
Signal und Integralfunktion werden als Diagramm grafisch dargestellt.
Der Endwert des Integrals, sowie die Integrale über die beiden Teilabschnitte werden abgelesen bzw.
berechnet.
Die einzelnen Diagramme werden kommentiert und Messunsicherheiten abgeschätzt.
induktion.odt
Geßler / Müller
Nov 2010
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Die einzelnen Versuchsdurchgänge werden miteinander verglichen.
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