Praktikum: Messung der magnetischen Ladung und der magnetischen Polarisation eines Stabmagneten

(Kursstufe > Elektro-Magnetismus)

Arbeitsauftrag

• Messen Sie die Nordpol- und die Südpolladung der Stabmagnete.
• Messen Sie die magnetische Polarisation der Stabmagnete.

Material

Stabmagnete, Netzgerät, Kabel, Spule mit 500 Windungen, Waage, Stativmaterial

Theoretischer Hintergrund

a) Die Feldstärke wurde ursprünglich als Ortsfaktor festgelegt: [math]H=\frac{F}{Q_m}[/math]

Die Kraft auf einen Probepol kann man leicht messen, aber wie soll man die magnetische Ladung des Pols messen? Man kann die Gleichung nach der Ladung auflösen und das als Festlegung der magnetischen Ladung interpretieren:

[math]Q_m=\frac{F}{H}[/math]

b) Die Feldstärke wurde dann mit Hilfe einer Spule festgelegt, was auch praktikabel ist: [math]H=\frac{n\, I}{l}[/math]

Befindet sich nun ein Magnetpol innerhalb einer Spule und man misst die Kraft auf den Pol, so kann man die magnetische Ladung des Pols bestimmen:

[math]Q_m=\frac{F}{H} = F\, \frac{l}{n\, I}[/math]

c) Die magnetische Polarisation innerhalb des Magneten hängt direkt mit der magnetischen Ladung der Pole und der Feldstärke zusammen. Die Maxwellsche Gleichung der Magnetostatik lautet: [math]\textrm{}\quad \mu_0\, \bar H \, A = Q_m = - \bar J \, A [/math] Man kann die magnetische Polarisation mit der rechten Seite der Gleichung bestimmen, indem man auflöst: [math]-J =\frac{Q_m}{A}[/math] Dabei ist die Fläche A die Stirnfläche des Stabmagneten. Die magnetische Polarisation entspricht also der Flächenladungsdichte der Pole.

Aufbau

Eine Haushaltswaage dient als Kraftmesser.

• Das Netzgerät bildet mit der Spule und dem Ampèremeter einen geschlossenen Stromkreis.

Das Ampèremeter wird zur Stromstärkemessung auf "10A" gestellt, und die entsprechende Buchse für das Kabel gewählt.

• Die Spule wird auf die Waage gestellt und der Stabmagnet mit Hilfe der Klemmen so positioniert, dass der Nord- oder Südpol innerhalb der Spule ist, der jeweils andere Pol möglichst weit weg von der Spule.

Bei kurzen Stabmagneten kann man das Messergebnis verbessern, wenn man zwei Stabmagnete zu einem langen Magnet verbindet.

Beobachtungen

Spule

   Windungsanzahl:  

Länge in cm und m:

Kleiner Stabmagnet

Abmessungen der Stirnfläche:
Stirnfläche in cm^2 und m^2:

         Stromstärke in A | "Masse" in g | Kraft in N 
Nordpol:                  |              |      
                          |              |
 Südpol:                  |              |     
                          |              |

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Alternativer Aufbau

Man kann die Kraft auch mit einem Federkraftmesser bestimmen. Das ist aber schwieriger als mit einer Waage, weil der Magnet entweder in die Spule hineingezogen oder abgestoßen wird und dabei seine Lage ändert. Andererseits sieht man dabei gut die anziehende oder abstoßende Wirkung.