Der Kompass in deiner Tasche
The Compass in Your Pocket
Im Smartphone steckt keine Kompassnadel: Drei Hall-Plättchen messen die drei Komponenten des Erdmagnetfelds (rund 50 µT) als Spannungen, und aus diesem Richtungsvektor rechnet das Telefon die Nordrichtung aus. Damit fallen zwei Fehlvorstellungen: dass im Gerät ein kleiner Magnet Norden sucht, und dass ein Magnetfeld auf jede Ladung wirkt — es packt nur die bewegten. Der Bogen führt vom Alltagsgerät zurück zur Physik des statischen magnetischen Feldes.
Können & Üben
Magnetfeld-Werkstatt — B messen statt raten
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physiksaal
Vier Stationen nach dem Prinzip Vermuten – Beobachten – Erklären in Kleingruppen, Rotation nach etwa 20 Minuten. Alle Aufbauten laufen mit Niederspannung; hohe Ströme werden nur kurzzeitig eingeschaltet, damit Spulen und Leiter nicht heiß werden. Station 1 — Stromwaage, Teil 1: F(I). Vermuten: Verdoppelt sich die Kraft auf die halb ins Feld eingetauchte Probespule, wenn der Strom verdoppelt wird? Beobachten: Messreihe F bei I = 0,25 / 0,5 / 0,75 / 1,0 A — die Punkte liegen auf einer Ursprungsgeraden. Erklären: Bei den senkrechten Leiterstücken heben sich die Kräfte auf, wirksam ist nur das waagrechte Stück; F ist proportional zu I. Station 2 — Stromwaage, Teil 2: F(l) und die Definition von B. Vermuten: Was ändert sich mit einer doppelt so langen Probespule bei gleichem Strom? Beobachten: F wächst proportional zur wirksamen Länge l. Erklären: F/(I·l) ist für alle Probespulen gleich — diese Größe beschreibt das Feld selbst und heißt magnetische Flussdichte B, Einheit Tesla. Modellgrenze: Das gilt nur, solange die Spule im homogenen Feldbereich hängt; am Rand des Magneten kippt die Proportionalität. Station 3 — Hallsonde am geraden Leiter und an der Spule. Vermuten: Wie fällt B mit dem Abstand r vom Leiter — linear, quadratisch, gar nicht? Und wovon hängt B im Inneren einer Spule ab? Beobachten: Mit der tangentialen Sonde am Leiter zeigt sich B proportional zu I und zu 1/r; mit der axialen Sonde in der Spule wächst B mit I und mit der Windungsdichte N/l, ist im Inneren aber erstaunlich ortsunabhängig. Erklären: B = μ0·I/(2π·r) am Leiter und B = μ0·N/l·I in der langgestreckten Spule. Modellgrenze: Die Spulenformel gilt nur für l deutlich größer als der Durchmesser und nicht an den Spulenenden; vor jeder Messreihe die Sonde gegen das Erdmagnetfeld nullen. Vorbereitung oder Nachbereitung: der Handy-Kompass-Artikel in der App — dort misst dieselbe Hallspannung das Erdmagnetfeld im Smartphone-Chip. Station 4 — Parallele Leiter und die Amperedefinition. Vermuten: Ziehen sich zwei parallele Leiter mit gleichgerichtetem Strom an oder stoßen sie sich ab? Beobachten: Gleichsinnige Ströme ziehen die Streifen zusammen, gegensinnige drücken sie auseinander. Erklären: Jeder Leiter liegt im B-Feld des anderen; aus Feldformel und Kraftformel folgt die historische Amperedefinition über die Kraft pro Meter Leiterlänge. Sicherheitshinweis: Für die sichtbare Kraft sind hohe Ströme nötig — nur im Kurzbetrieb schalten, Leiter nicht berühren. Abschluss in der Runde: Die Stromwaage definiert B über die Kraft, die Hallsonde misst B direkt — warum passen beide Wege zusammen? Kurz klären, dass in der Sonde derselbe Effekt (Kraft auf bewegte Ladungen, Hall-Spannung) steckt, den die Waage makroskopisch wiegt.
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