Bauanleitung: Die "Monster-Induktionsspule".

Ich habe eine "Monster-Induktionsspule" selbst gewickelt, mit der man Induktionsversuche in der Helmholtzspule durchführen kann.
Das ist gar nicht schwierig. Das könnten auch Schüler in einer Arbeitsgemeinschaft oder einem NWT-Projekt durchführen.

Als "Grundträger" diente mir eine 30 x 15 cm große Holzplatte, die ich mir im Baumarkt habe zuschneiden lassen. Die Holzstärke sollte so um die 2,0 cm betragen, um genügend Windungen aufnehmen zu können. Auf beiden Seiten wurde die Holzplatte mit Acrylglasplatten beplankt, die ringsum etwa 1,5 bis 2,0 cm über die Holzplatte überstehen. Um nicht kleben zu müssen, habe ich die drei Platten einfach mit Gewindeschrauben zusammengeschraubt. Es empfiehlt sich, die Schrauben relativ nahe am Rand zu setzen, damit später beim Wickeln der Spule kein Draht zwischen Acrylglas und Holz eindringen kann. Natürlich könnte man die Acrylglasplatten auch verkleben. Die drei Platten ("Sandwich" Acrylglas-Holz-Acrylglas) bilden den Grundträger der Induktionsspule. (vgl. Foto)

Damit man die Spule leicht in ein Feld einbringen und sogar im Feld drehen kann, wurden 8 mm starke Buchen-Rundstäbe mittig in den schmäleren Seitenteilen befestigt. Dazu wurden Löcher gebohrt und die Stäbe mit Holzleim eingeklebt.
Man sollte darauf achten, dass man die Löcher möglichst rechtwinklig bohrt, damit die Spule später beim Drehen nicht "eiert". Hier ist unbedingt Sorgfalt nötig.

Anschließend wird die Spule gewickelt. Es eignet sich ein Kupferlackdraht von etwa 0,3 bis 0,5 mm Durchmesser. Dünnere Drähte reißen zu leicht und haben einen zu großen Widerstand, dickere Drähte beanspruchen zu viel Platz.
Denken Sie aber daran, dass eine Windung eine Länge von fast 1,0 m hat. Sie brauchen also schon mindestens 200 m Lackdraht - besser mehr.

Es ist auch nicht ganz einfach ausreichende Mengen an geeignetem Lackdraht kostengünstig zu bekommen. Ich wurde beim Online-Auktionshaus Ebay fündig.
Ist der Draht nicht lang genug, müssen Sie eben anlöten.
Die Drahtenden werden an Laborbuchsen angelötet, die man ins Acrylglas einschraubt.

Meine Spule hat 200 Windungen, bei 100 Windungen habe ich eine Anzapfung (gelbe Buchse) gemacht.
Vorsicht: Das Acrylglas kann beim Bohren leicht reißen oder ausbrechen, vor allem, wenn man zu nahe am Rande bohrt und der Bohrer schon etwas stumpf ist..

Soll die Spule auch zur Demonstration der Induktion beim Drehen einer Spule genutzt werden, so wird über den 8 mm Buchenstab noch ein passendes Aluminiumrohr gestülpt und mit einer 3 mm Schraube befestigt. Solche 1,0 m langen Rohre (8 mm Innendurchmesser, Außendurchmesser 10,5 mm) gibt es ebenfalls im Baumarkt. Unter die Mutter klemmt man noch eine Lötöse für die Spulenenden und verbindet so die Drehachsen mit den Buchsen, an denen die Drahtenden angelötet sind (vgl. Foto). So kann man die entstehende Induktionsspannung über die Aluminiumrohr-Achsen abführen, wenn man die Induktion durch Drehen einer Spule im konstanten Magnetfeld mit der Anordnung vorführen möchte.

Neben der beschriebenen Spule habe ich noch eine zweite quadratische Spule mit 15 x 15 cm Seitenlänge angefertigt, die ebenfalls 200 Windungen hat. Sie hat also die gleiche Windungszahl, aber die halbe Fläche der beschriebenen Spule. Mit den beiden Spulen lassen sich Abhängigkeiten von der Fläche A und von der Windungszahl sehr gut erforschen.

Vorteile der Monster-Spule.

Für die Induktion erster Art gilt : U_ind = n * d * v * B.

a) Magnetische Flussdichte B.

Die Helmholtzspule erzeugt ein homogenes Magnetfeld, dessen Flussdichte B in der gleichen Größenordnung wie das der langen NEVA-Spule ist. Bei einer Stromstärke von 4,0 A erhält man eine magnetische Flussdichte von etwa 2,8 mT ( Neva-Spule 4,2 mT bei 100 mA).

Die magnetischen Flussdichten beider Feldspulen sind ähnlich groß.

b) Die Geschwindigkeit v.

Bei der Neva-Spule verwendet man zur Bewegung der Spulen meist einen langsam laufenden Motor, der maximal 4 mm/s als Geschwindigkeit zulässt.
Hätte man einen Motor, der die Spule mit 4 cm/s in das Feld einbringt, hätte man die zehnfache Induktionsspannung. Bei einem Spulendurchmesser von etwa 8 cm (Neva-Spule) ist dann aber der Induktionsvorgang nach 2 s bereits zu Ende. Das ist kaum zu beobachten.

Anders ist es bei der Helmholtzspule, sie hat 40 cm Durchmesser. Hier kann die Geschwindigkeit ohne weiteres 4 cm/s und mehr betragen. Der Induktionsvorgang dauert dann immer noch bis zu10 s, was lange genug für eine Beobachtung ist.

Bisher habe ich die Spule nur von Hand eingeführt, man könnte aber einen langsam laufenden Motor verwenden, oder sich hierfür einen Schlitten mit einem Schrittmotor bauen.
Hier eröffnet sich noch ein Betätigungsfeld für kreative Köpfe!

Bei der Geschwindigkeit gewinnt man einen Faktor 10.

c) Die Grundlänge d

Die große Induktionsspule hat bei Seitenlängen von 15 cm bzw. 30 cm eine drei- bzw. sechsmal so große Grundlänge wie die gängigen Induktionsspulen. (5 cm)

Bei der Grundlänge gewinnt man einen Faktor 3 bis 6. Die Spulenfläche ist ebenfalls deutlich größer.

d) Windungszahl n.

Man wird kaum 500 Windungen auf die Spule wickeln wollen, aber auch schon 200 Windungen genügen vollkommen.

Zusammenfassung:

Fasst man alles zusammen, kommt man auf Induktionsspannungen in der Größenordnung von einigen Millivolt.
Für n = 200 , d = 0,3 m, v = 10 cm/s und B = 2,8 mT kommen Sie schon auf 16,8 mV.
Diese Spannung lässt sich mit einem Steckskaleninstrument von Phywe ohne weiteren Messverstärker nachweisen, was den Aufbau und das Verständnis erleichtert . Mehr dazu auf der nächsten Seite.
( zu möglichen Problemen hierbei mehr bei der Induktion 2. Art.).

[ Übersicht ] [ Weiter]