Magnetfeldmessung mittels Indutionsspule

Wissenschaft Physik
#1

Hallo,
ich habe vor eine Induktionsspule zu bauen, mit der ich das Erdmangetfeld messen, oder zumindest nachweisen kann.
Bisher habe ich vor eine quadratische Drehspule, ca. 33x33cm mit~1500 Windungen, also ca 160m² Spulenfläche zu verwenden.
Bei einer Feldstärke von 25 Mikrotesla und einer Drehfrequenz von 0,5-2 Hz sollte das theoretische Scheitelspannungen von über 10 Millivolt ergeben.
Da ich aber noch nie etwas derartiges gemacht habe hätte ich ein paar kleine Fragen dazu:
1.Welchen Draht soll ich verwenden? Am besten scheint mir Kupferlackdraht geeignet, aber welcher Durchmesser wäre zu empfehlen? (http://stores.ebay.de/Kupferlackdraht-Shop)
2.Soll ich einen Kommutator, oder einen einfachen Stromabnehmer verwenden?
Also pulsierende Gleichspannung oder Wechselspannung?
3.Reicht zur Messung der Spannung ein einfaches Multimeter oder sollte ich ein Oszilloskop verwenden?

im Voraus vielen Dank für eure Mühe
mfg
Raphael

#2

Hallo,
ich habe vor eine Induktionsspule zu bauen, mit der ich das
Erdmangetfeld messen, oder zumindest nachweisen kann.
Bisher habe ich vor eine quadratische Drehspule, ca. 33x33cm
mit~1500 Windungen, also ca 160m² Spulenfläche zu verwenden.
Bei einer Feldstärke von 25 Mikrotesla und einer Drehfrequenz
von 0,5-2 Hz sollte das theoretische Scheitelspannungen von
über 10 Millivolt ergeben.

Ich habe es auch noch nie gemacht. Meine Ideen kriegst Du trotzdem:

1.Welchen Draht soll ich verwenden? Am besten scheint mir
Kupferlackdraht geeignet, aber welcher Durchmesser wäre zu
empfehlen? (http://stores.ebay.de/Kupferlackdraht-Shop)

Ein Draht mit 1mm Durchmesser hat eine Querschnittsfläche von 0,79 mm². Pro Meter Drahtlänge hat der Draht also ein Masse von 7 g. Die Länge Deines Drahtes wäre 4 * 0,33m * 1500 = 1980 m. Der reine Draht (ohne Lack und Halterung) hätte also schon eine Masse von 14 kg. Das scheint mir sehr scher.

Wenn Du den Draht um eine Zehnerpotenz dünner dimensionierst, sinkt die Masse um den Faktor 100. 140 g für einen Durchmesser von 0,1 mm erscheint braucbarer. Aber da ergibt sich das nächste Problem: Der ohmsche Widerstand des Drahtes nimmt um denselben Faktor zu:

Für den 1mm starken Draht beträgt er 44 Ohm, für den 0,1mm starken Draht entsprechend 4400 Ohm. Das könnte bei der Spannungsmessung Probleme machen. Je näher sich die Innenwiderstände von Spannungsquelle und Messgerät kommen, um so ungenauer ist die Spannungsmessung. (… und umso ungenauer ist meine Ausdrucksweise. Was ich meine: Die gemessene Spannung unter „Last“ könnte erheblich von dem erwarteten Wert abweichen).

Ich würde einen Draht mit einem Durchmesser von 0,2 mm ausprobieren (unter anderem auch deshalb, weil es eine Drahtdicke ist, die sich leicht verarbeiten lässt).

2.Soll ich einen Kommutator, oder einen einfachen
Stromabnehmer verwenden?
Also pulsierende Gleichspannung oder Wechselspannung?

Ich würde für einen möglichst einfachen Aufbau plädieren. Je einfacher die Konstruktion, umso geringer die Fehleranfälligkeit. Also: Wechselstrom.

3.Reicht zur Messung der Spannung ein einfaches Multimeter
oder sollte ich ein Oszilloskop verwenden?

Wenn Du die Frequenz tatsächlich so niedrig wählen möchtest wie angegeben, eignen sich beide Geräte nicht: Dem Multimeter ist die Frequenz vermutlich zu gering, um eine Wechselspannung zu messen. Das Oszi liefert für so niedrige Frequenzen keine vernünftige Anzeige mehr (in diesem Fall ist unser Auge zu schnell). Es sei denn, Du hast ein Speicheroszi.

Ich würde empfehlen, die Frequenz deutlich höher zu wählen (>10 Hz). Dann wird außerdem die induzierte Spannung größer. Da müssten dann beide Messgeräte geeignet sein.

Michael

P.S.: Ich wünsche viel Spaß beim Wickeln!

#3

Richtigstellung
Berichtigung:

Je näher sich die
Innenwiderstände von Spannungsquelle und Messgerät kommen, um
so ungenauer ist die Spannungsmessung.

Das ist natürlich quatsch. Richtig muss es heißen: „Je größer der Innenwiderstand der Spannungsquelle und je kleiner der Innenwiderstand des Messgeräts sind, …“

Michael

#4

Hallo Michael.
vielen Dank für die schnelle Antwort.
Ich geb nochn bisschen Senf dazu um alles genauer zu erklären:

Ich würde einen Draht mit einem Durchmesser von 0,2 mm
ausprobieren (unter anderem auch deshalb, weil es eine
Drahtdicke ist, die sich leicht verarbeiten lässt).

laut Angaben des Verkäufers hat dieser(http://cgi.ebay.de/Kupferlackdraht-0-200-mm-1-00-kg_…) 0,2 mm draht einen Widerstand von 0,5441 Ohm/m also bei 1980m wären das knapp 1080 Ohm, das sollte also hinhauen.

2.Soll ich einen Kommutator, oder einen einfachen
Stromabnehmer verwenden?
Also pulsierende Gleichspannung oder Wechselspannung?

Ich würde für einen möglichst einfachen Aufbau plädieren. Je
einfacher die Konstruktion, umso geringer die
Fehleranfälligkeit. Also: Wechselstrom.

So ähnlich war mein gedankengang auch.
Der Vorteil vom Gleichstom wäre halt, dass man dann evtl mit einem trägen Zeigerinstrument messen könnte, was allerdings auch nur bei hohen Frequenzen genau wird.

3.Reicht zur Messung der Spannung ein einfaches Multimeter
oder sollte ich ein Oszilloskop verwenden?

Wenn Du die Frequenz tatsächlich so niedrig wählen möchtest
wie angegeben, eignen sich beide Geräte nicht: Dem Multimeter
ist die Frequenz vermutlich zu gering, um eine Wechselspannung
zu messen. Das Oszi liefert für so niedrige Frequenzen keine
vernünftige Anzeige mehr (in diesem Fall ist unser Auge zu
schnell). Es sei denn, Du hast ein Speicheroszi.

Ich würde empfehlen, die Frequenz deutlich höher zu wählen
(>10 Hz). Dann wird außerdem die induzierte Spannung
größer. Da müssten dann beide Messgeräte geeignet sein.

Michael

Ich würde sehr gerne mit höheren Frequenzen arbeiten, allerdings wollte ich vorsichtig kalkulieren, und wer weiß schon, wie schnell man meine Konstruktion am Ende drehen können wird :wink:
Ich werde wenn es soweit ist mit Bohrmaschiene und Modellbau-motoren rumexperimentieren.
Begrenzender Faktor wird dann vermutlich die Aufhängung des Holzrahmens werden.

P.S.: Ich wünsche viel Spaß beim Wickeln!

*grml*

Ich spiele auch mit dem Gedanken noch ein paar mehr Wicklungen aufzutragen, falls ich eine annehmbare wickel-Methode finde…aber das wird sich zeigen.

mfg
Raphael

#5

Hi,

was mich interessieren würde: Warum auf diese Weise? Und welchem Zweck dient das Experiument?
Es gibt heute auch andere Methoden, ein Magnetfeld zu bestimmen.

Gruß
Moriarty

#6

Hi,

was mich interessieren würde: Warum auf diese Weise? Und
welchem Zweck dient das Experiument?

Ganz einfach:
das ist (unter anderem) mein Facharbeitsthema.

Es gibt heute auch andere Methoden, ein Magnetfeld zu
bestimmen.

Bin für alle Vorschläge offen…mein Lehrer is tolerant, dem kann ich auch was anderes vorsetzen.

Gruß
Moriarty

#7

Hallo!

Es gibt heute auch andere Methoden, ein Magnetfeld zu
bestimmen.

Bin für alle Vorschläge offen…mein Lehrer is tolerant, dem
kann ich auch was anderes vorsetzen.

Wie wäre es damit:

Du nimmst eine lange Spule und platzierst einen Kompass im Inneren. Dann richtest Du die Spule genau senkrecht zum Erdmagnetfeld aus. Nun schickst Du einen Strom durch die Spule. Die Kompassnadel richtet sich in Richtung des B-Feldes aus, das aus der vektoriellen Überlagerung vom Magnetfeld der Erde und dem Magnetfeld der Spule entsteht. Das Magnetfeld der Spule ist bekannt, also kannst Du aus der „Missweisung“ der Kompassnadel die Stärke des Erdmagnetfeldes berechnen.

Damit das Ergebnis möglichst genau ist, solltest Du darauf achten, dass keine Eisengegenstände in der Nähe sind. (Eisengegenstände sind auch Wasserleitungen, Tischbeine, usw. an die man nicht auf Anhieb denkt).

Michael

#8

Hallo!

Es gibt heute auch andere Methoden, ein Magnetfeld zu
bestimmen.

Bin für alle Vorschläge offen…mein Lehrer is tolerant, dem
kann ich auch was anderes vorsetzen.

Wie wäre es damit:

Du nimmst eine lange Spule und platzierst einen Kompass im
Inneren. Dann richtest Du die Spule genau senkrecht zum
Erdmagnetfeld aus. Nun schickst Du einen Strom durch die
Spule. Die Kompassnadel richtet sich in Richtung des B-Feldes
aus, das aus der vektoriellen Überlagerung vom Magnetfeld der
Erde und dem Magnetfeld der Spule entsteht. Das Magnetfeld der
Spule ist bekannt, also kannst Du aus der „Missweisung“ der
Kompassnadel die Stärke des Erdmagnetfeldes berechnen.

eine hochinteressante Idee!
Mir fallen leider spontan 3 Probleme ein:

  1. Das Erdmangetfeld ist in Deutschland leider nicht parallel zur Erdoberfläche, sondern schließt mit der Horizontalen laut Wikipedia einen Winkel von ca. 60° ein.
    Entweder messe ich also nur die parallel-Komponente, und rechne dann nach, oder ich neige den gesamten Versuchsaufbau entsprechend.
  2. Wie bestimme ich die „Missweisung“ der Nadel, wenn sich diese in der Spule befindet? Eine Spiegelkonstruktion käme evtl. in Frage, allerdings nur mit unmetallischen Spiegeln…
    3.Ist die anzulegende Stromstärkenoch im messbaren Bereich?
    Werde gleich mal ein wenig rumrechnen…

vielen Dank!
Raphael

#9

Hallo!

eine hochinteressante Idee!
Mir fallen leider spontan 3 Probleme ein:

  1. Das Erdmangetfeld ist in Deutschland leider nicht parallel
    zur Erdoberfläche, sondern schließt mit der Horizontalen laut
    Wikipedia einen Winkel von ca. 60° ein.
    Entweder messe ich also nur die parallel-Komponente, und
    rechne dann nach, oder ich neige den gesamten Versuchsaufbau
    entsprechend.

Richtig, man misst die Horizonatlkomponente. Wenn Du die Magnetfeldstärke (also den gesamten Betrag) messen wolltest, müsstest Du einen Kompass ohne Inklinationsausgleich verwenden. Jeder vernünftige Kompass, den Du in einem Outdoorladen kriegst, hat aber einen Inklinationsausgleich.

  1. Wie bestimme ich die „Missweisung“ der Nadel, wenn sich
    diese in der Spule befindet? Eine Spiegelkonstruktion käme
    evtl. in Frage, allerdings nur mit unmetallischen Spiegeln…

Man verwendet einfach eine Spule mit verhältnismäßig großem Windungsabstand, dann siehst Du von außen hinein. (Wenn Du keine fertige Spule dieser Bauart hast, kannst Du z. B. den Draht auf ein Plexiglasrohr wickeln).

3.Ist die anzulegende Stromstärkenoch im messbaren Bereich?
Werde gleich mal ein wenig rumrechnen…

Ich habe den Versuch schön öfters durchgeführt. Aus dem Kopf (ohne nachzurechnen): 30 Windungen, Länge: 40 cm, Stromstärke: ca. 1 A. (Der Draht war ca. 2 mm stark. Wenn Du einen dünneren Draht verwendest: höhere Windungszahl, geringere Stromstärke).

Michael

#10

Ich habe den Versuch schön öfters durchgeführt. Aus dem Kopf
(ohne nachzurechnen): 30 Windungen, Länge: 40 cm, Stromstärke:
ca. 1 A. (Der Draht war ca. 2 mm stark. Wenn Du einen dünneren
Draht verwendest: höhere Windungszahl, geringere Stromstärke).

Michael

Danke für die Tips, ich denke damit ließe sich sicher einiges Anfangen, jedoch wäre das schon fast zu einfach.
Ein derartiger Versuchsaufbau ist auch 1:1 in unserem Schulbuch erklärt, und deshalb würde ich das ungern in meiner Facharbeit verwenden, zumal ich dann vermutlich mehr Theorie machen müsste, was mir weniger Spaß macht :wink:
Aber trotzdem danke für die Infos!
grüße
Raphael