Magnetfeld eines stromdurchflossenen Drahtes
1 · Vorhersagen
Ein gerader Draht führt einen konstanten Strom. Wenn Sie einen Testpunkt weiter vom Draht entfernen, nimmt die magnetische Feldstärke dann genauso ab wie das Feld einer elektrischen Ladung?
- Ja – es handelt sich um einen einfachen 1/r²-Abfall, genau wie bei einer Punktladung.
- Das Feld hängt nicht vom Abstand zum Draht ab.
- Nein – das Feld eines stromführenden Drahtes fällt anders ab als das einer Punktladung, da Strom eine ausgedehnte (Linien-)Quelle und kein Punkt ist.
2 · Aufbauen
- Öffnen Sie die Drahtfeldvoreinstellung und drücken Sie Zurücksetzen. Der Draht führt einen festen Strom von 8 A über ein 4.8 m-Segment.
- Aktivieren Sie die Feldstärkeanzeige.
- Stellen Sie für jeden Versuch den senkrechten Abstand vom Mittelpunkt des Drahtes ein und zeichnen Sie die Feldstärke auf.
3 · Daten sammeln
| Senkrechter Abstand d (m) | Feldstärke |B_z| (µT) |
|---|---|
| 0.50 | |
| 1.00 | |
| 2.00 |
Plot |B_z| (y-Achse) gegen 1/d (x-Achse) für Ihre drei Versuche. Sieht es linearer aus als die Darstellung gegen 1/d²?
4 · Auswerten
- Berechnen Sie für einen Versuch |B| = μ₀|I|L_half/(2πd√(L_half² + d²)) unter Verwendung von μ₀ = 4π×10⁻⁷ H/m, I = 8 A, L_half = 2.4 m. Vergleichen Sie mit der Tabelle.
- Vergleichen Sie die Form dieser Formel mit der Formel für das elektrische Feld des Linienladungsexperiments. Erklären Sie, warum sowohl ein endlicher geladener Stab als auch ein endlicher stromführender Draht Felder mit der gleichen Abstandsabhängigkeit erzeugen – nahe 1/d in der Nähe des Drahtes, näher bei 1/d² weit entfernt.
5 · Vertiefen
- Für einen idealisierten unendlichen Draht vereinfacht sich das Feld zum klassischen B = μ₀I/(2πd) – ein sauberer 1/d-Falloff. Bei welchem Abstand im Vergleich zur 4.8 m-Länge dieses Drahtes würden Sie erwarten, dass die Finite-Draht-Formel dieses Experiments dieser Approximation für unendliche Drähte weitgehend entspricht?
- Eine Kompassnadel, die in der Nähe eines stromführenden Drahtes platziert wird, wird abgelenkt, um sich an das Magnetfeld des Drahtes anzupassen. Erklären Sie mithilfe der Rechte-Hand-Regel, warum das Feld um den Draht kreist und nicht wie ein elektrisches Feld radial nach außen zeigt.
Die Physik hinter diesem Experiment
Feld eines endlichen stromführenden Drahtes
Das Biot-Savart-Gesetz, integriert entlang eines endlichen geraden Drahtes, ergibt ein Magnetfeld, das den Draht umkreist und durch die gleiche interpolierende Form wie eine endliche Ladungslinie sowohl vom senkrechten Abstand als auch von der Länge des Drahtes abhängt.