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SG102 Stromwaage

Magnetfeld

elektrische Feldkonstante

Glossar

Physik für Schülerinnen und Schüler

Mit einer Stromwaage wird die Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld gemessen. Daraus ergibt sich die Definition der magnetischen Flussdichte B.

In der Regel beschränkt man sich in der Schule auf Situationen, bei denen die Richtung des Magnetfelds B und die Stromrichtung (I) aufeinander senkrecht stehen. Die magnetische Kraft F auf den stromdurchflossenen Leiter ist in jedem Fall senkrecht zu B und zu I.

Sind B und I parallel, entsteht keine magnetische Kraft.

Wenn B nicht parallel zu I: F senkrecht B, F senkrecht I.

Wenn B senkrecht I: F maximal.

Wenn B parallel zu I: F = 0 (keine Kraft)

Abb. 1: Nachweis: F prop. I bzw. Windungszahl n bei konstanter magnetischer Flussdichte B mit einer Digitalwaage (Auflösung 1 g Masse entsprechend einer Kraft von 10 mN). Es wird eine Rahmenspule von 100 - 300 Windungen verwendet.

Keine Kraft entsteht, wenn der Strom parallel zu den Magnetfeldlinien fließt.

Die Kraftrichtung genügt der 3-Finger-Regel der rechten Hand , die mit der technischen Stromrichtung arbeitet.

(Es kann eine Digitalwaage zur Kraftmessung verwendet werden, weil diese üblicherweise die Gewichtskraft misst, aber für "übliche Orte" Gewicht in Masse umrechnet, die dann angezeigt wird.)

Abb. 2: Stromwaage: Nachweis F prop. I und Bügellänge ℓ mit einfachem Stromleiter (auf Platine; 1 Windung) und hochempfindlicher Digitalwaage (Auflösung 0,01 g Masse entsprechend einer Kraft von 0,1 mN).

Der Schieberegler im Hintergrund dient zur Feinjustierung der Stromstärke bzw. als Vorwiderstand zur Strombegrenzung. Ein kleineres Bauteil (genügend belastbar) würde nicht den Blick auf die wichtigeren Teile der Anordnung verstellen.

Ergebnis:

F prop. I· ℓ ·n

Dies gilt insbesondere, wenn die Windungszahl n = 1 ist, wie in Abb. 2. Die Proportionalitätskonstante hängt offenbar vom Magnetfeld ab. Deswegen ist es naheliegend, hierfür eine magnetische Flussdichte B zu definieren:

B = F/(I · ℓ )

mit der Einheit [B] = 1 N/A·m oder, da 1 N·m = 1 J = 1 V·A·s: [B] = 1 V·s/m2

Der Vektor B ist die eigentliche magnetische Feldstärke. Der Name ergibt sich daraus, dass 1 V·s auch magnetischer Fluss genannt wird, bezogen auf 1 m2 Fläche also Flussdichte. Aus historischen Gründen ist mit dem Namen "magnetische Feldstärke" leider eine andere Größe (H) belegt.

I · ℓ heißt manchmal "Stromelement". B = F/(I · ℓ) ähnelt dann der Definition E = F/q für das elektrische Feld, wenn die Ladung q durch das Stromelement ersetzt ist.

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( Juni 2014 )