Physik Forum

[einserschüler]

hallo.
wir müssen für den physikunterricht einen besonders starken elektromagneten bauen.
wir dürfen 9 volt benutzen und hatten die idee ein hufeisen mit einem kupferdraht mit 0,8 mm dicht zu umwickeln.
ist das effektiv oder habt ihr bessere ideen?

[Frank]

[GvC]

Die Grundidee ist zwar richtig. Aber Ihr solltet Euch noch ein paar zusätzliche Gedanken machen:

1. Die Stärke des Magnetfeldes ist proportional dem Produkt aus Windungszahl und dem in der Wicklung fließenden Strom (Durchflutung N*I).

2. Der Strom ist bei vorgegebener Spannung (9V) umgekehrt proportional dem ohmschen Widerstand des aufgewickelten Drahtes.

3. Der Widerstand wächst aber zunächst proportional mit der Windungszahl (da die Länge des aufgewickelten Drahtes proportional zur Windungszahl zunimmt). Also I~1/N. Bei mehreren Wicklungslagen (Achtung: Der aufgespulte Draht muss isoliert sein, sonst gibts Kurzschluss) wächst der Widerstand sogar überproportional zur Windungszahl, da die Drahtlänge jeder Windung in den äußeren Lagen länger ist als in den inneren Lagen. Eine hohe Windungszahl ist also NICHT maßgeblich für die Stärke des Magnetfeldes, sofern - wie bei Euch - die Spannung vorgegeben ist. Es ist also sinnvoll, nur eine einlagige Wicklung vorzusehen, sofern das möglich ist.

4. Ob das möglich ist, hängt von der Wärmeentwicklung ab, die der Strom in dem aufgewickelten Draht verursacht. Die ist wiederum abhängig von der Stromdichte. Außerdem ist die Wärmeabfuhr entscheidend, die bei einer dicken mehrlagigen Wicklung natürlich schlechter ist als bei einer einlagigen Wicklung. Ich würde als Anhaltswert mal nicht mehr als 10A/mm² zulassen. Da bei einem Drahtdurchmesser von 0,8mm die Querschnittsfläche ziemlich genau 0,5mm² beträgt, entspräche das einem Strom von 5 A. Ich hoffe, dass die 9V, die Ihr benutzen "dürft", im Labor von einem Gleichspannungskonstanter zur Verfügung gestellt werden. Falls es sich allerdings um eine Batterie handelt, ist es fraglich, wie lange die einen Stron von 5A zu liefern imstande ist.

5. Um bei 9V einen Strom von 5A fließen zu lassen, muss die Spule einen Widerstand von 1,8Ohm haben. Bei dem von Euch vorgesehenen Kupferdraht entspricht das einer Länge von 50m. Wenn das auf eine M20 Gewindestange einlagig aufgewickelt wird, sind das etwa 800 Windungen, das ergibt bei 0,8mm Drahtdurchmesser (lackisoliert) ca. 65cm Spulenlänge, also zu viel.

6. Abhilfe: Entweder doch mehrlagig wickeln oder ein anders Leitermaterial mit deutlich geringerem spez. Widerstand verwenden oder ausprobieren, ob ein höherer Strom den Draht nicht zu heiß werden lässt (höherer Strom heißt geringerer Widerstand, das wiederum heißt geringere Drahtlänge, und das heißt geringerer Platzbedarf. Oder einen dickeren Wickelkörper nehmen (Nachteil: Je weiter der Strom vom Eisenkern entfernt ist, umso größer ist der magnetische Streufluss und umso geringer die effektive Magnetfeldstärke)

7. Fazit: Für ein möglichst starkes Magnetfeld ist ein möglichst hoher Strom erforderlich, der möglichst dicht um den Eisenkern herumgeführt wird. Die Windungszahl spielt für die Stärke des Magnetfeldes (bei vorgegebener Spannung) keine Rolle. Sie ist allerdings notwendig, um den Strom zu begrenzen. Insgesamt sollte man ruhig ein bisschen herumexperimentieren.

[isi1]