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3. Theoretische Grundlagen
Die Flachspule wird in einem externen magneti-
schen Feld gedreht, so dass eine induzierte Span-
nung an den Enden der Spulen gemessen werden
kann.
Um eine genaue Aussage über die Höhe der indu-
zierten Spannung machen zu können, müssen die
Variablen, von denen die induzierte Spannung ab-
hängt, bekannt sein. Es handelt sich hier um die
Stärke des externen magnetischen Feldes, die Ge-
schwindigkeit, mit der die magnetischen Feldlinien
durchquert werden und die Ladung der geladenen
Teilchen, die das magnetische Feld durchqueren.
Diese 3 Variablen werden durch die so genannte
„Lorenz Kraft" miteinander verbunden:
r
r
r
=
⋅
×
F
q
v
B
Diese Kraft wirkt senkrecht zum Feld B und zur
Bewegungsrichtung der geladenen Teilchen.
Durch die Form der Spule und die Beschaffenheit
des Mediums, in dem sich die Teilchen bewegen,
entsteht an den Enden der Kupferschleife eine
durch die Anzahl von Windungen verstärkte indu-
zierte Spannung, die sich mit einem normalen Mess-
instrument messen lässt.
Um eine gleichmäßige Bewegung zu erzeugen, wird
die Drehspule an einen sich langsam drehenden
Motor angeschlossen. Ein externes, in einem großen
Raum in Stärke und Richtung konstantes magneti-
sches Feld wird mittels einer Anordnung von Helm-
holtzspulen erzeugt.
Die Ladungsträger sind die in der Kupferschleife frei
beweglichen Elektronen, deren Ladung auch kon-
stant ist.
Durch die Drehbewegung der Spule im Feld entsteht
eine sinusförmige Wechselspannung:
=
⋅
ω
U
U
sin
t
mit
m
ω 2
=
π ⋅
f ⋅
n = Anzahl der Windungen der Spule
B = magnetische Feldstärke
A = Fläche der Spule
f = Drehfrequenz der Spule im Feld
A und n lassen sich direkt bestimmen. B kann über
die Helmholtz-Anordnung indirekt bestimmt wer-
den. Die Drehfrequenz der Spule f kann durch die
Drehfrequenz des Motor eingestellt und mittels
einer Lichtschranke gemessen werden.
Die induzierte Spannung kann mit einem Oszil-
loskop oder mit einem Spannungsmesser mit Null-
punkt Mitte bestimmt werden.
Für sehr langsame Drehbewegungen der Flachspule
kann ein Messverstärker nötig sein.
=
⋅
⋅
⋅
ω
U
n
A
B
und
m
•
Den Drehrahmen mit der Flachspule mit seinen
Trägern an den Querhalterungen der Helm-
holtz-Spulen festschrauben, so dass sich die
Flachspule in der Mitte des homogenen Feldes
der Helmholtz-Spulen drehen lässt.
•
Zuerst einen Vorversuch durchführen und mit-
tels Handbetrieb die Höhe der Induktionsspan-
nung abschätzen.
•
Anschließend die Schnurrolle mittels Schnur mit
dem Motor verbinden.
•
In dieser Anordnungen dann die Versuche
durchführen.
5. Versuchsbeispiele
Zur Durchführung der Experimente werden folgen-
den Geräte zusätzlich benötigt:
1 AC/DC Netzgerät 0–20 V, 5 A
2 Multimeter Escola 10
1 Helmholtz-Spulenpaar
5.1 Spannungsinduktion im Magnetfeld
•
Helmholtz-Spulen auf der Tischplatte aufstellen
und über ein Amperemeter mit der Gleich-
stromversorgung in Reihe schalten.
•
Den Drehrahmen mit der Flachspule mit seinen
Trägern an den Querhalterungen der Helm-
holtz-Spulen festschrauben, so dass sich die
Flachspule in der Mitte des homogenen Feldes
der Helmholtz-Spulen drehen lässt.
•
Voltmeter mit Nullpunkt Mitte direkt an die
Flachspule anschließen.
•
Strom von ca. 1,5 A als Versorgung für die Spu-
len einstellen.
•
Handkurbel betätigen und den Ausschlag im
Voltmeter beobachten.
•
Drehgeschwindigkeit verändern, bis ein großer
Ausschlag erreicht wird. Die Drehgeschwindig-
keit muss niedrig sein.
Zur Erreichung einer konstanten Drehgeschwindig-
keit empfiehlt es sich den Drehrahmen über einen
langsam drehenden Motor (z. B. Gleichstrommotor,
12 V U8552330) anzutreiben.
Der genaue Spannungsverlauf kann auch mit einem
Oszilloskop beobachtet und gemessen werden.
5.2. Bestimmung des Erdfeldes aus der Indukti-
onsspannug
Mit demselben Versuchsaufbau kann auch das mag-
netische Erdfeld gemessen werden.
•
Helmholtzspulen so ausrichten, dass die Mag-
netfelder der Helmholtzspule und der Erde pa-
rallel verlaufen
2
4. Bedienung
U8521131
U8531160
U8481500
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