EXP:Magnetfeldmessung

In diesem Experiment wird mit Hilfe eines Hall-Sensors, kombiniert mit einem Ultraschallsensor zur Bestimmung des Abstands, das Magnetfeld von Spulen vermessen. Die Messdaten werden durch einen Arduino-Controller erfasst und ausgewertet. Es werden Diagramme erstellt, die das Magnetfeld in Abhängigkeit vom Abstand entlang der Spulenachse darstellen.

Ziel ist es, das Magnetfeld einer Spule zu untersuchen und zu zeigen, inwiefern dieses innerhalb der Spule homogen ist. Die Ergebnisse bieten eine Grundlage, um das theoretische Konzept des Magnetfelds einer idealen Spule mit den experimentellen Werten zu vergleichen.

Theoretische Zusammenfassung

Magnetfeld stromdurchflossener Leiter und Spule

Ein stromdurchflossener Leiter erzeugt ein Magnetfeld, denn bewegte elektrische Ladungen (also ein elektrischer Strom) erzeugen ein magnetisches Feld um sich herum.

Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters

Dies wird durch das Ampère’sche Gesetz beschrieben. Die Magnetfeldlinien verlaufen dabei kreisförmig um den Leiter, wobei ihre Richtung mit der sogenannten Rechte-Hand-Regel bestimmt werden kann: Wenn der Daumen der rechten Hand in die Richtung des Stromflusses zeigt, dann geben die gekrümmten Finger die Richtung des Magnetfelds um den Leiter.

Das Magnetfeld, das durch einen stromdurchflossenen Leiter erzeugt wird, gehört zu den grundlegenden Phänomenen des Elektromagnetismus. Eine Spule bestehend aus vielen Windungen eines Leiters, ist besonders geeignet, ein starkes und gleichmäßiges Magnetfeld zu erzeugen.

Eine stromdurchflossene Spule erzeugt ein Magnetfeld, das sich sowohl innerhalb als auch außerhalb der Spule ausbreitet. Die Stärke des Magnetfeldes $B$ im Inneren einer idealen, langen und luftgefüllten Spule hängt von der Stromstärke $I$ und der Anzahl der Windungen $n$ ab. Die Beziehung zwischen diesen Größen wird durch die folgende Formel beschrieben

 $B={\mu }_0\cdot n\cdot I$.

Dabei ist ${\mu }_0$ magnetische Feldkonstante, auch als Permeabilität des Vakuums bekannt. Innerhalb der idealen, langen Spule ist das Magnetfeld nahezu homogen, das heißt, die Feldlinien verlaufen parallel und mit gleichmäßiger Dichte. An den Enden der Spule, sowie außerhalb, treten sogenannte „Randeffekte“ auf, bei denen das Magnetfeld abnimmt und inhomogener wird. Im Versuch soll die Stärke des Magnetfeldes an verschiedenen Punkten innerhalb und außerhalb der Spule gemessen werden, um den theoretischen Verlauf zu überprüfen.

Hall-Effekt und Hall-Sensor

Zur Messung des Magnetfelds der Spule wird im Versuchsaufbau ein Hall-Sensor verwendet, der auf dem Hall-Effekt beruht. Der Hall-Effekt tritt auf, wenn ein Strom durch ein leitfähiges Material fließt, das in einem senkrechten Magnetfeld steht. Die Lorentzkraft bewirkt eine Verschiebung der Ladungsträger zu einer Seite des Leiters. Dies führt zu einer Ladungstrennung, da sich durch die Verschiebung mehr Elektronen auf der einen Seite des Leiters befinden. Aufgrund der Ladungstrennung entsteht eine Hall-Spannung, die der Hall-Sensor abgreift. Da die Hall-Spannung proportional zur Magnetfeldstärke ist, kann mit dieser die Stärke des Magnetfelds bestimmt werden.

Hall-Sensor

Ultraschall-Sensor

Zur Abstandsmessung wird im Versuchsaufbau ein Ultraschallsensor verwendet. Ein Ultraschallsensor sendet hochfrequente Schallwellen aus, die für das menschliche Ohr nicht hörbar sind. Diese Wellen prallen auf ein Objekt und werden als Echo zurückgeworfen. Der Sensor misst die Zeitspanne zwischen dem Aussenden des Schalls und dem Empfang des Echos. Da die Schallgeschwindigkeit konstant ist, kann der Sensor anhand dieser Zeit die Entfernung zum Objekt berechnen.

Didaktischer Rahmen

Fachdidaktische Zielsetzung

Auf welche prozessbezogene Kompetenz soll hier Wert gelegt werden? Beschreibe hier genauer was die SuS mit diesem Experiment lernen sollen.

Nötige Vorkenntnisse

Beschreibe hier genauer welche Vorkenntnisse ein*e SuS benötigt um das Experiment verstehen zu können. Dabei müssen auch die nötigen Vorkenntnisse aus anderen Fächern beachtet werden.

Mögliche Schülerschwierigkeiten

Beschreibe hier welche Schwierigkeiten die SuS beim Beobachten des Demonstrationsexperiments bzw. beim eigenständigen Durchführen des Experiments haben könnten. GGf. kannst du hier auch Lösungsansätze beschreiben.

Schülervorstellungen, die hier relevant werden

Gibt es in der Literatur (z.B. Schecker, Horst; Wilhelm, Thomas; Hopf, Martin; Duit Reinders (Hrsg.) (2018): Schülervorstellungen und Physikunterricht. Berlin: Springer-Verlag GmbH) bereits erforschte Schülervorstellungen, die bei diesem Experiment relevant werden könnten? Beschreibe die Schülervorstellungen mit eigenen Worten und beschreibe warum sie hier relevant sind. GGf. kannst du auch einen Lösungsansatz beschreiben.

Die Auswahl des Bildes sollte symbolisch den gesamten Versuch beschreiben und ansprechend sein

Allgemein

Klassenstufe	Klasse
Kategorie	?
Einordnung in den Bildungsplan von BW	Kapitel, Abschnitt

Versuchsanleitung

Benötigtes Material

• Gleichspannungsquelle
• 2x Messleitungen (4mm, 0,5m)
• Verschiedene Spulen
• Schullineal
• 2x Optische Bänke
• 3x Reiter
• 2x Stativklemmen
• 2x Stativstangen (kurz)
• 2x Klemmen
• Holzstück (oder ähnliches zur Variation der Spulenhöhe)
• Doppelseitiges Klebeband
• Arduino Microcontroller (MC)
• 8x Jumper-Kabel
• Hall-Sensor
• Ultraschall-Sensor

Versuchsaufbau

Schritt 1

Für diesen Versuch ist der Download von Arduino notwendig.

Schritt 2

Der Versuch wird wie in der Abbildung dargestellt aufgebaut.

Schritt 3

Die Pins des Hall- und Ultraschallsensor werden mit dem Arduino Microcontroller verbunden.

Hierbei wird jeweils Ground des Sensoren auf Ground des MC (schwarz) und als Spannungsversorgung VCC bzw. + der Sensoren auf 5V des MC (rot) gesteckt.

Die Eingänge lassen sich aus dem Python Code ablesen:

#define Hall_Sensor_Pin A0
int Digital_Eingang = 3;
const int trigPin = 9;
const int echoPin = 10;
float duration, distance;

Die Eingänge werden demnach wie folgt gesteckt:

Hall-Sensor

• A0 auf Analogeingang A0 des MC (blau)
• D0 auf Digitaleingang 3 des MC (grün)

Ultraschall-Sensor

• trigPin auf Digitaleingang 9 des MC (grün)
• echoPin auf Digitaleingang 10 des MC (blau)

Durch das geschickte Setzen von Umgebungen kann das Bild des Kolibris hier an dieser Stelle erscheinen und könnte jetzt zum Beispiel den ersten Schritt des Experiments beschreiben

Versuchsdurchführung

Beschreibe hier genauer was man zur Durchführung tun muss. Auf was muss dabei geachtet werden?

Auswertung

Hier sollen Diagramme, Werte und eine Fehlerabschätzung zum Experiment hin. Gegebenenfalls können hier auch Gleichungen eingebunden werden. Mathematische Ausdrücke werden durch den <math>-Tag initiiert:

$\mathrm{i}\hslash \frac{\partial }{\partial t}|\psi (t)⟩=\hat{H}|\psi (t)⟩.$

Beim Vergleich mit Literaturwerten oder ähnlichem sollte durch die Referenzumgebung <ref> auf geeignete Quellen verwiesen werden, diese erscheinen dann auch automatisch am Seitenende.

Mögliche Probleme und ihre Lösungen

Treten beim Experiment häufiger Fehler auf? Bitte beschreibe sie hier.

Sicherheitshinweise

Hier nötige Sicherheitshinweise notieren. Ggf. Betriebsanweisung verlinken.

• Influenzmaschine

Fotos

Am Ende des Dokuments kommt eine Galerie aller Bilder, die zu diesem Experiment unter dem Namensraum "Datei:" bereits vorhanden sind. Im Allgemeinen lohnt es sich häufig auch, bereits bestehende Texte und deren Syntax zu betrachten:

• slide 1

       Bildbeschreibung
  

• 

      Platzhalter
  

• 

       Ein Kolibri
  

Literatur

Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, AG Physik und ihre Didaktik, lizenziert unter CC BY-NC-SA 4.0