Magnetfeld Amperemeter

Geschrieben von Alexander Pusch and Christoph Holz

Overview

Theoretischer Hintergrund: In einer schmalen Spule der Länge l mit N Windungen ist der Zusammenhang zwischen dem Betrag der magnetischen Feldstärke B entlang der Spulenrichtung und angelegter Stromstärke I in guter Näherung gegeben durch:

B = µ_0 * µ_r * I * N / l

Es kann daher Näherungsweise ein proportionaler Zusammenhang zwischen B und I angenommen werden.

Bestimmung der Stromstärke:

1. Eine kleine Spule wird gewickelt (z.B. 30 Windungen, um eine Stativstange) und über dem Magnetometer platziert (austesten mit einem kleinen Probemagneten). (vgl. Abb.1)
2. Das Experiment wird zu phyphox hinzugefügt: phyphox://phyphox.org/wiki/images/6/65/Amperemeter-Clip_Phyphox_App.phyphox und gestartet
3. Eine Kalibrierung wird im Phyphox experiment durchgeführt. Hierzu sind zwei Wertepaare erforderlich. Ein Wertepaar kann 0A und die gemessene Magnetische Feldstärke sein. Das zweite Wertepaar wird anhand einer bekannten angelegten Stromstärke aufgenommen. (vgl. Abb. 2 und 3)
4. Wenn das Experiment auf die gewickelte Spule kalibriert wurde, können verschiedene Stromstärken mit Phyphox bestimmt werden.

Abbildung 1: gewickelte Spule auf Smartphone mit optionalem 3D-Druckteil.

Hinweise zur Spule:

• Die Spule muss möglichst exakt und nah am Sensor positioniert werden.
• Der Innenwiderstand der Spule muss durch ausreichende Dimensionierung des Drahts vernachlässigbar klein sein.
• Die Position der Spule zum Smartphone und die des Smartphones zum Erdmagnetfeld dürfen beim Experimentieren nicht verändert werden.
• Mit einer Spule von ca. 30 Windungen können ohne Eisenkern Stromstärken bis etwa 20 mA zuverlässig gemessen werden.
• Die gemessenen Magnetfelder befinden sich je nach Stromstärke bei bis zu 3-facher Größe des Erdmagnetfeldes.
• Bei Nutzung eines Eisenkerns können die Größe des erzeugen Magnetfeldes und somit die Messgenauigkeit um ein Vielfaches erhöht werden.

Abbildung 2: Kalibrierung mittels zweier Wertepaare. Abbildung 3: Nutzung des Experiments zur Anzeige der Stromstärke.

Weiterführende Informationen zu dem Experiment, eine optionale 3D-Datei und Ideen für weitere Möglichkeiten (z.B. Permeabilitätszahl bestimmen) finden sich hier:

• Download STL-Datei: https://physikkommunizieren.de/3d-druck/spulenclip/
• Amperemeter-Experiment im Phyphox-Wiki: http://www.phyphox.org/wiki/index.php?title=Smartphones_as_ammeters
• Holz, C., & Pusch, A. (2022). Stromstärken mir einem Spulenclip messen. In Wilhelm, T., & Kuhn, J. (Hrsg.), Für alles eine App (S. 237–242). Springer VDI Verlag. doi: 10.1007/978-3-662-63901-6.
• Holz, C., Pusch, A., Wilhelm, T., & Kuhn, J. (2020). Smarte Physik. Stromstärken mit dem Handy messen. Physik in unserer Zeit, 2020 (02), 96–97. doi: 10.1002/piuz.202070212.
• Holz, C., & Pusch, A. (2019). Stromstärke und Permeabilitätszahl mit dem Smartphone messen. Ein Spulenclip aus dem 3D-Drucker für Phyphox-Experimente. Naturwissenschaften im Unterricht Physik, 169, 46–47.