Big Bang HTL 3, Schulbuch

48 Ausgewählte Kapitel der klassischen Physik (III. Jg., 5. Sem.) 5.3 Magnet im Tiefflug Die Spule Hier geht es darum, wie man mit Hilfe von Spulen Magnet- felder erzeugen kann. Spulen sind unverzichtbare Bestand- teile in der Elektrotechnik. Das Magnetfeld eines geraden Leiters ist dir bekannt. Die Richtung der Feldlinien kannst du mit der rechten Hand be- stimmen (siehe Abb. 5.2, S. 44). Stell dir nun vor, dass der Leiter zu einer Schleife gebogen wird (Abb. 5.17 a). An der Windungsrichtung der Feldlinien ändert sich nichts, aller- dings sind sie in der Mitte der Schleife sehr dicht gedrängt (b). Das Feld ist ganz ähnlich wie das eines Stabmagneten bzw. der Erde ( F8 ; siehe auch Abb. 5.9, S. 46). Dass letzte- res auf einen Kreisstrom im Inneren zurückgeführt wird, erscheint dadurch sehr schlüssig. Abb. 5.17: Das Feld einer Leiterschleife ( F8 ) von oben (a) und von der Seite (b). Es ähnelt dem eines kurzen Stabmagneten (c) bzw. dem Erdmagnetfeld (Abb. 5.9, S.46). Von einer Spule spricht man, wenn zumindest mehrere sol- cher Schleifen hintereinander aufgewickelt sind. Im Inneren verlaufen die Feldlinien dann annähernd parallel, das mag- netische Feld ist dort also so gut wie homogen (Abb. 5.18 a). Die Polung einer Spule lässt sich mit der rechten Hand be- stimmen (b). Die magnetische Induktion im Inneren einer langen Spule kann man folgendermaßen berechnen: In Abb. 5.15 siehst du die geöffnete Festplatte eines PCs. Hast du schon einmal überlegt, wie das Lesen und Schreiben der Daten funktio- niert? Du weißt, wie das Magnetfeld eines geraden Leiters aussieht (Abb. 5.16 a). Wie könnte das Magnetfeld einer Leiterschleife aussehen, also quasi eines Kreisstroms (Abb. 5.16 b)? F7 A2 Abb. 5.15: Offene Harddisk eines PCs F8 A2 Abb. 5.16 Formel: magnetische Induktion einer langen Spule B = µ 0 · N · I ___ l B …magnetische Induktion [T] N … Anzahl der Windungen µ 0 …magnetische Feldkonstante I … Stromstärke [A] µ 0 = 4· π ·10 –7 Vs/Am l … Länge der Spule [m] Abb. 5.18: a) Feldlinienverlauf in einer Spule; b) Wenn du die Finger der rechten Hand in technische Stromrichtung auf eine Spule legst, dann zeigt der Daumen zum Nordpol der Spule. Die magnetische Feldkonstante µ 0 ist, wie auch die elektri- sche (Kap. 4.3, S. 36), eine Naturkonstante und kann nur ex- perimentell bestimmt werden. Beide spielen bei der Aus- breitungsgeschwindigkeit von elektromagnetischen Wellen eine bedeutende Rolle (siehe Kap. 7.2, S. 69). Man kann die Stärke eines Elektromagneten wesentlich erhöhen, indem man in seinen Innenraum einen Eisenkern gibt (Abb. 5.19). Durch das Magnetfeld der Spule richten sich dann dessen Elementarmagnete (Abb. 5.5, S. 45) aus, bis sie im Extremfall alle in Richtung des äußeren Magnetfeldes zeigen. Durch diesen Trick kann man die Stärke eines Elekt- romagneten um den Faktor 100 bis 1000 erhöhen. Info: Relative Permeabilität -> S. 49 Zu den kleinsten und schwächsten Elektromagneten gehö- ren die Schreib-/Leseköpfe in den Festplatten von PCs. Sie erzeugen nur Bruchteile von 1 T. Die stärksten Elek- tromagnete der Welt liefern momentan (Stand 2017) 45 T im Dauerbetrieb. Sie sind damit 45.000-mal so stark wie ein Hufeisenmagnet und rund 2 Millionen Mal stärker als das Erdmagnetfeld (siehe Tab. 5.1, S. 47)! Info: Magnet im Tiefflug -> S. 49 Zusammenfassung Mit Hilfe einer stromdurchflossenen Spule kann man Ma- gnetfelder erzeugen. Die magnetische Induktion lässt sich sehr verstärken, wenn man in die Mitte der Spule einen Eisenkern bringt. F Ohne Eisenkern (a) wird die Magnetnadel nur leicht abgelenkt, mit Eisenkern (b) sehr stark. Z Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv