Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule

Aus der Mittelsufe ist schon bekannt, dass eine stromdurchflossenen Spule ein Magnetfeld erzeugt. An dieser Stelle soll das Phänomen mathematisiert werden. Das heißt, dass die Eigenschaften des Elektromagneten in einen Zusammenhang gebracht werden, durch den auch die Berechnung der magnetischen Flussdichte B ermöglicht wird.

Die Schülerinnen und Schüler arbeiten in Partnerarbeit oder in Dreiergruppen. Die möglichen Einflussfaktoren für die Stärke des Magnetfeldes sollten vorher im Plenum thematisiert und Vermutungen gesammelt werden. Die Schülerinnen und Schüler sollten darauf hingewiesen werden, dass die Messwerte auch schwanken können. Der Umgang mit zu starken Abweichungen vom vermuteten Zusammenhang sollte vorher mit den Schülern besprochen werden. In diesem Fall sollte entweder mehrmals mit dem gleichen Aufbau gemessen werden oder der Messwert als Ausreißer bei der Auswertung nicht beachtet werden.

Die Erfindung des Elektromagneten war eine wichtiger Schritt bei der Entwicklung der Technik, die heute viel genutzt wird. Durch die Berechnung der Stärke des Magnetfeldes kann sowohl Sicherheit als auch verantwortungsvoller Umgang mit Ressourcen gewährleistet werden.

Die Schülerinnen und Schüler können als Erweiterung die Zusatzaufgabe bearbeiten. Diese dient der Verallgemeinerung der mathematischen Funktionsvorschrift zur Beschreibung der magnetischen Flussdichte in Abhängigkeit von der Windungszahl, der Länge der Spule und der Stromstärke. Eine besondere Herausforderung wäre noch die Bestimmung der Permeabilitätskonstante. Diese Zusammenhänge werden zwar im Plenum nach der Messung thematisiert, können aber schon vorher zur Differenzierung während der Auswertungsphase genutzt werden.

Bei der Messung des Magnetfeldes mit dem Smartphone kann es bei kleinen Windungszahlen und schwachen Strömen starke Schwankungen geben. Der Strom sollte immer nur kurz fließen, damit die Spule nicht überhitzt und 2A nicht übersteigen.