Hufeisen Magnetfeld

Horsehoe Hufeisen Magnetfeld

Feldlinien Darstellung eines Magnetfeldes durch Feldlinien. Was ist das Magnetfeld eines Hufeisenmagneten? Die Magnetfelder eines Hufeisenmagneten lassen sich leicht mit z.B. Eisenspänen veranschaulichen.

In dem nichtmagnetischen Nagel befinden sich die Mini-. In dem Magnetnagel sind die Mini-Magnete alle in Ordnung.

magnetisches Feld

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Was ist das Magnetfeld eines Hufeisenmagneten?

Messung des Felds eines (Hufeisen-)Magneten - PeSX

Das in diesem Beitrag vorgestellte Experiment (und in Abb.[1] dargestellt) ist besonders geeignet als Einleitung in das Thema der Magnetostatik, da von den Studierenden keine physikalischen Anforderungen zu erfüllen sind und es eine sehr gute Einweisung in das Magnetfeldmodell gibt. Die Prüfung der Feldmessung eines (hufeisenförmigen) Magneten ist einfach in der Struktur (Zeitaufwand 5 Minuten), handlich bis komplex in der Bewertung und für ein tieferes Verstehen der Magnetostatik von großem Wert.

Angesichts der großen Wichtigkeit des Feldkonzeptes erscheint die Fragestellung, wie es gelehrt werden kann und welches Konzept tatsächlich vorgestellt wird, lohnend. Das Magnetfeld wird im dargestellten Experiment beispielhaft überprüft, indem das wirkende Magnetfeld mit einer Hallsonde an festen Messstellen abgetastet wird. Die so gewonnene Vorlage, ein aus einzelnen Pfählen bestehendes Nadelbild, das das Spielfeld darstellt, wurde vom Studenten in haptischer Hinsicht erfahrbar.

Während der Bewertung sind dem Studenten die Bedeutungen der einzelnen Zweige, ihre Größe, Ausrichtung und Intensität sowie die Bedeutungen des Abstandes zwischen den Zweigen bekannt. Aus diesem Grund hat das Modell der Magnetnadel, vor allem wenn es umfangreich vorgestellt wurde (wie hier), zu Recht einen bedeutenden Stellenwert neben dem traditionellen Modell der Feldlinie. Die Testmessung des Felds eines (Hufeisen-)Magneten ist sehr konstruktiv und auch in der Ausführung äußerst unkompliziert.

Das Auswerten sollte an sich keine große Aufgabe sein, aber es müssen viele Messwerte eingegeben und ausgewertet werden. Im Anschluss daran wird der Bau vor der endgültigen Beschreibung der Ausführung dargestellt, in dem auch Fragen der Testausführungen behandelt werden und eine Verlängerung des Tests versprochen wird.

Durch den in diesem Beitrag beschriebenen experimentellen Aufbau kann grundsätzlich das Magnetfeld eines jeden Objekts erfasst werden (innerhalb der Empfindlichkeit und Messunsicherheit der verwendeten Messgeräte). Es darf kein Hufeisen-Magnet benutzt werden. Der Einsatz anderer (auch hufeisenförmiger) Magnete kann jedoch zu sehr unterschiedlichen Resultaten anregen. Mit dem Experiment zum Reverb-Effekt kann die Funktion der Reverb-Sonde gut erklärt werden.

Wegen des Aufwandes, der Kompliziertheit und (viel später) der Vorsorge, die mit dem Rahmencurriculum verbunden sind, ist es jedoch nicht angebracht, diesen Ansatz im selben Framework zu verwirklichen. Für die Erfassung und Verarbeitung der Meßdaten ist ein Kalkulationsprogramm erforderlich. Zur Anzeige der Meßdaten wurde die Geometriesoftware GeoGebra eingesetzt. Abb. [3]: Beispiel für ein auf Transparentpapier erzeugtes Gitter mit Positionsangabe des Magneten. Der Magnet ist mit einer Markierung versehen.

Die Struktur des Experiments ist sehr einfach und findet in 9 Stufen statt: Zuerst wird der Haftmagnet zentral auf dem Diagrammpapier positioniert und es wird festgelegt, wie viele Messstellen in welchen Entfernungen voneinander zu nehmen sind. Auf dem Diagrammpapier ist die Lage des Magneten gekennzeichnet. Das Diagrammpapier zeichnet ein Gitter, auf dem die Messstellen identifiziert und leicht gefunden werden können (wie in Abb.[3] dargestellt).

Die Diagrammscheibe wird an der für das Experiment gewählten Stelle platziert und der Dauermagnet entsprechend der Kennzeichnung platziert. Der Testparameter wird neben dem Diagrammpapier eingerichtet. Eine neue Grafikdatei wird im Kalkulationsprogramm erstellt und aufbereitet, wie in der nachfolgenden Übersicht ersichtlich. In der angegebenen Auswahltabelle sind 120 aufgezeichnete Messstellen vorgesehen.

Unter dem folgenden Link steht die bisherige Übersicht auch als Kopiervorlage zur Verfügung: File:Messdatenmessung Hufeisenmagnet.xlsx. In die Maske werden die aufgezeichneten Werte (x- und y-Komponente des Feldes) unter den entsprechenden Koordinatensätzen eingegeben. Das Gitter wird ohne Magnet durchquert und die Feldstärke wird aufgezeichnet. Danach wird die eigentliche Prüfung wie im Setup angegeben durchgeführt.

Natürlich kann das Magnetfeld des zu untersuchenden Magnetes auch im Weltraum räumlich abtastet werden. Es werden jedoch wesentlich mehr Meßdaten erzeugt und vor allem die genaue und wiederholbare Annäherung an einzelne Meßpunkte ist schwierig. Mit der vorliegenden Prüfung muss zunächst eine ausführliche Bewertung der Meßdaten durchgeführt werden, bevor die Meßergebnisse aussagekräftig dargestellt werden können.

Mit der Aufbereitung der Tischplatte und dem Einsetzen der Messwerte hat die Bewertung der Messwerte bereits angefangen (siehe Ausführung). Der Funktionsumfang der Maske und die graphische Aufbereitung der Meßdaten sind im nachfolgenden Unterabschnitt Bewertung der Meßdaten beschrieben. Eine der Hauptkomponenten dieses Experiments ist die genaue Bewertung der während der Ausführung gewonnenen Informationen.

Mit Hilfe der Tabellenkalkulation werden die Meßdaten auch so berechnet, daß sie sofort für die grafische Repräsentation des Felds verwendet werden können. Nun werden die Messpunkte und in GeoGebra für die Repräsentation angelegt. Hierdurch wird ein Vektorpfeil von Ort zu Ort in der Anzeige generiert.

Für alle Messstellen werden die entsprechenden Pfeilen generiert, die die Anordnung und Intensität des Magnetfelds in der Anzeige wiedergeben. Abb. [4]: Repräsentation der bewerteten und umgesetzten Messwerte und der Position des Magneten in einem Diagramm. Aus den Ergebnissen dieses Tests wird eine grafische Darstellung erstellt (Abb.[4]).

Dabei handelt es sich um ein sogenanntes Magnetnadeln-Modell des Erregers. Jeder der Pfeile steht für die Ausrichtung (dargestellt durch die Pfeilrichtung ) und die Kraft (dargestellt durch die Pfeillänge ) des Felds. Dies erschwert zwar die Erkennung gleich starker Magnetfeldbereiche, lässt aber weniger Spielraum für Fehleinschätzungen.

Bei der Abtastung von beliebigen Punkten ist es naheliegend, dass auch zwischen den gewonnenen Pfählen ein Magnetfeld einwirkt, während ein feldarmer Zwischenraum zwischen den Feldlinien eingelenkt wird. Darüber hinaus kann im Unterschied zu Repräsentationen der Magnetfeldlinien die Feldstärke (und damit auch deren Abnahme) bewertet werden. Nachteilig ist jedoch, dass das Magnetfeld im Innern des Magnetes nicht gescannt werden kann und daher nicht in die Kurve eingelesen wird.

Die Idee davon kann durch dieses Experiment nicht unmittelbar aufgegriffen werden und muss durch weitere Erläuterungen und Experimente ("Fragmentierung" eines Magneten, Konstruktion eines Magneten, etc.) verstärkt werden. Um jedoch ein vollständiges Bild vom Feld eines Magneten und seinem Lauf im Weltraum zu erhalten, erscheint es vernünftig, das Magnetnadelmodell und das Feldlinienmodell nebeneinander zu unterrichten.

In der Regel wird das Magnetfeld manuell abgetastet. Bei Messstellen, an denen die x- und y-Komponente des Felds gleich groß sind, hat dies einen vergleichsweise kleinen Einfluß auf die Meßdaten und die zu erzeugende Kurve. An Messstellen, an denen die Bauteile einen sehr großen Unterschied aufweisen (z.B. zwischen den Polen des Hufeisens des Magneten, bei denen ein vergleichsweise gleichmäßiges Magnetfeld entlang der y-Richtung zu erwarten ist), kann schon ein sehr kleiner Versatz der Messsonde große Auswirkungen haben.

Wie in Figur 5 gezeigt, besteht die Messgröße aus den x- und y-Komponenten des Magnetfeldes in einem angewandten rechtwinkligen Koordinationssystem an der betreffenden Position. Daraus folgt, dass bei einer Feldstärkemessung die y-Komponente des Felds gleich Null ist.

Dies ist zwischen den Stäben des Horsehoe-Magneten leicht zu erkennen, wo ein gleichmäßiges Magnetfeld mit einer zum Stutzen der Stäbe des Horseshoe parallelen Anordnung zu erwarten ist. Obwohl für die x-Komponente des Felds der Zahl 0 zu erwarten ist, wurde ein Zahl von 0,5 mmT ermittelt. Der y-Anteil wurde auf der Basis von 14,2 m3 ermittelt.

Für diese Berechnung wurde angenommen, dass die y-Komponente des Felds 14,2 mmT war, was dem gemessenen Wert entspr. ist.

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