Magnetfeld von Spulen

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1 c Doris Samm Magnetfeld von Spulen 1 Der Versuch im Überblick Magnetfelder spielen überall eine große Rolle, sei es in der Natur oder der Technik. So schützt uns das natürliche Erdmagnetfeld vor der kosmischen Teilchenstrahlung. Elektronen und Protonen, ausgesandt von der Sonne, werden vom Magnetfeld der Erde eingefangen und verhindern ihren Aufprall auf die Erde (Abb. 1). Abbildung 1: Das Erdmagnetfeld schützt die Erde vor der intensiven kosmischen Teilchenstrahlung und sperrt die kosmische Strahlung in Bereiche um die Erde ein. Abbildung 2: Ionisierende Teilchen erzeugen in der Nähe der Pole prachtvolle Farbspiele, die Polarlichter. An den Polen lenkt das Erdmagnetfeld die Teilchen in die Erde hinein (zum Glück in ungefährlichen Konzentrationen) und führt zum faszinierenden Schauspiel des Polarlichts (Abb. 2).

2 2 Magnetfeld von Spulen In einem Fusionsexperiment werden mit Hilfe riesiger Spulen starke Magnetfelder erzeugt, die heiße Plasmen einschließen. Damit wird verhindert, dass das Plasma auf die Gefäßwand auftrifft (Abb. 3). Magnetfelder bringen den Transrapid zum Schweben (Abb.4) und ermöglichen ein Fahren ohne Räder. Abbildung 3: Das mit Hilfe von Spulen erzeugte Magnetfeld schließt heiße Plasmen in einem Gefäß ein. Abbildung 4: Der Transrapid auf einer Teststrecke. Magnetfelder im Schienensystem lassen ihn schweben. Die Frage ist: Wie kann man Magnetfelder erzeugen? Allgemein gilt, dass jede bewegte elektrische Ladung Ursache für ein Magnetfeld ist. So erzeugt z.b. jeder stromdurchflossene Leiter ein Magnetfeld, das je nach Bauart des Leiters homogen oder inhomogen sein kann.

3 c Doris Samm Das Magnetfeld einer kreisförmigen Leiterschleife ist inhomogen, ein Spulenpaar in Helmholtz-Anordnung ist dagegen Ursache für ein homogenes Magnetfeld. Im Rahmen dieses Praktikumversuchs werden mit Hilfe einer Spule, bzw. zweier Spulen in Helmholtz-Anordnung (Abb. 5), Magnetfelder erzeugt. Abbildung 5: Helmholtz-Anordnung von Spulen mit eingespannten Hallsonden zur Messung des axialen und des radialen Magnetfelds. Ihre Aufgabe besteht in der Messung der Magnetfelder mit Hilfe von Hallsonden. Insbesondere sollen Sie im Fall der Helmholtzspulen messen, in welchen Bereichen der Helmholtzspulen das Magnetfeld homogen ist. Außerdem ist es Ihre Aufgabe, die Überlagerung der beiden Einzelfelder zum Gesamtfeld des Spulenpaares zu messen. Ihre Messwerte müssen Sie mit den theoretischen Werten vergleichen und eventuelle Abweichungen diskutieren. Benötigte Kenntnisse: Grundlagen der Kinematik und Dynamik, Grundlagen der Elektrodynamik.

4 4 Magnetfeld von Spulen 2 Grundlagen In diesem Kapitel werden Sie zunächst mit der Theorie zur Berechnung von Magnetfeldern vertraut gemacht. Sie lernen, wie man das Magnetfeld einer einzelnen stromdurchflossenen Spule und das eines Spulenpaars in Helmholtz-Anordnung berechnet. Zur Messung der Magnetfelder wenden Sie den Halleffekt an. Er basiert auf der Ablenkung von bewegten Ladungsträgern in Magnetfeldern und wird Ihnen in Abschnitt 2.3 erläutert. Doch zunächst wenden wir uns der Erzeugung von Magnetfeldern zu. 2.1 Magnetfeld einer Punktladung Magnetische und elektrische Felder haben ähnliche Ursachen. Die Ursache für ein elektrisches Feld E sind elektrische Ladungen. So ist das elektrische Feld in einem Abstand r von einer Punktladung proportional zur Ladung q und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands. Es gilt: E = 1 q 1 4πǫ 0 r2ˆr, (1) wobei ǫ 0 die elektrische Feldkonstante des Vakuums ist und ˆr der Einheitsvektor, der von der Punktladung in Richtung eines Raumpunktes zeigt. Ähnliches gilt für Magnetfelder. Auch hier ist die Ursache eine elektrische Ladung, auch hier ist das Feld proportional zur Ladung und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes. Aber es gibt einen wesentlichen Unterschied: Die Ladung darf nicht ruhen, sondern muss sich mit einer Geschwindigkeit v bewegen. Es gilt: Bewegte Ladungen sind Ursache für ein Magnetfeld. Quantitativ gilt für das Magnetfeld B einer Punktladung, die sich mit der Geschwindigkeit v bewegt, die fundamentale Gleichung: B = µ 0 v ˆr q, (2) 4π r 2 r ist der Abstand von der Punktladung zu einem Raumpunkt, ˆr der Einheitsvektor in Richtung des Raumpunktes und µ 0 ist die magnetische Feldkonstante des Vakuums, mit µ 0 = 4π 10 7 N s 2 /C 2.

5 c Doris Samm Abbildung 6: Links: Magnetfeld einer bewegten Punktladung. Rechts: Magnetfeld einer positiven Ladung, die sich in die Zeichenebene hineinbewegt. Für den Betrag des Magnetfelds gilt: B = µ 0 v sinφ q, (3) 4π r 2 wobei φ der Winkel zwischen dem Geschwindigkeitsvektor v und dem Ortsvektor r ist (Abb. 6). In Abbildung 6 ist das Magnetfeld B an verschiedenen Raumpunkten dargestellt. An allen Punkten entlang einer Linie, die durch die Ladung geht und parallel zur Geschwindigkeit v ist, wird das Magnetfeld null, da in diesem Fall gilt: sinφ = sin0 = 0. Das Magnetfeld ist - bei gegebenem r - am größten, falls φ = 90 ist und somit sinφ = 1 wird. Die magnetischen Feldlinien bilden geschlossene Kreise um die Punktladung. In Abb. 6 sind einige Feldlinien einer positiven Ladung dargestellt, die sich in die Papierebene hineinbewegt. Im Allgemeinen ist nicht das Magnetfeld einer einzelnen Punktladung von Interesse, sondern das eines elektrischen Stromes, also einer bewegten Ladungsverteilung. 2.2 Magnetfeld eines Stromelements Im Fall einer Ladungsverteilung erhält man die Gesamtfeldstärke aus der Vektorsumme der Felder der einzelnen Punktladungen. Dies ist leicht gesagt, leider nicht so leicht getan. Betrachten wir als Beispiel das Magnetfeld eines infinitesimal kleinen Stromelements d l, dargestellt in Abb. 7.

6 6 Magnetfeld von Spulen Abbildung 7: Links: Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiterelements. Rechts: Magnetfeld der positiven Ladungsträger, die sich in die Papierebene hineinbewegen. Das Volumen V des kleinen Elements der Querschnittsfläche A ist durch V = A dl gegeben. Mit der Ladungsdichte n (= Zahl der Ladungen pro Volumen) erhält man für die Gesamtladung dq des kleinen Stromelements dq = nqa dl. (4) Für den Betrag des Magnetfeldes erhält man durch Einsetzen von Gl. (4) in Gl. (3) oder Gl. (5) umgeschrieben db = µ 0 v sinφ dq = µ 0 v sinφ nqadl (5) 4π r 2 4π r 2 db = µ 0 dl sinφ nqva. (6) 4π r 2 Das Produkt nqva ist identisch mit dem elektrischen Strom I (bitte selbst klarmachen). Damit erhält man db = µ 0 dlsinφ I. (7) 4π r 2 Mit Hilfe der Abbildung 7 kann man Gl. (7) vektoriell schreiben und erhält das Biot-Savart sche Gesetz d B = µ 0 4π I d l ˆr r 2, (8)

7 c Doris Samm wobeidervektordesstromelementesd l inrichtungdeselektrischenstromeszeigt. Dieses Gesetz ermöglicht es, das Magnetfeld eines infinitesimal kleinen Leitungselements zu berechnen. Will man das Gesamtmagnetfeld eines endlichen elektrischen Leiters wissen, muss man lediglich über die einzelnen Stromelemente integrieren: B = µ 0 4π I d l ˆr r 2. (9) Wie aus Abb. 7 ersichtlich, sind die Feldvektoren d B und die Magnetfeldlinien identisch mit denen einer positiven Punktladung (vergleiche Abb. 6), die sich in Richtung der Driftgeschwindigkeit v d bewegen. Die Feldlinien sind Kreisbahnen in einer Ebene, die senkrecht zu d l sind und deren Zentren auf der Richtung von d l liegen. 2.3 Magnetfeld einer kreisförmigen Leiterschleife Wir wenden das Biot-Savart sche Gesetz auf die im Praktikum genutzte Leiterschleife an. Die Leiterschleife mit dem Radius R wird von einem konstanten Strom I durchflossen. Abbildung 8: Schematische Darstellung einer stromdurchflossenen Leiterschleife. Sie befindet sich in der yz-ebene und der Koordinatenursprung ist im Mittelpunkt der Leiterschleife. Der Vektor des Stromelements d l liegt in der yz-ebene, d B und r liegen in der xy-ebene. Wir wollen nun das Magnetfeld berechnen. Hierzu beschränken wir uns auf das Feld, das entlang der x-achse erzeugt wird.

8 8 Magnetfeld von Spulen Da d l und ˆr senkrecht zueinander sind, gilt unter Nutzung des Biot-Savart schen Gesetzes für den Betrag des Magnetfeldes des Stromelements db = µ 0 dl I. (10) 4π r 2 Nach Pythagoras folgt r 2 = R 2 +x 2, und durch Einsetzen in Gleichung (10) erhält man db = µ 0 4π I dl. (11) R 2 +x 2 Der Vektor d B läßt sich in eine radiale Komponente db y und eine axiale Komponente db x zerlegen (Abb. 8). Für die radialen Komponenten des Magnetfeldes db y gilt, dass sie sich aus Symmetriegründen paarweise aufheben. Man erhält somit für die radiale Komponente entlang der x-achse B y = 0. (12) Die Komponenten db x haben für alle Leiterelemente d l dieselbe Richtung. Ihre Addition ergibt eine positive Gesamtfeldstärke. Aus Abbildung 8 erhält man für die x-komponente des Magnetfeldes R db x = dbcosθ = db( R2 +x 2) = µ 0 4π I dl R 2 +x 2 R R2 +x 2. (13) Um das Feld der gesamten Leiterschleife zu erhalten, integrieren wir über die gesamte Leiterschleife, die eine geschlossene Kreislinie ist. B x = db x = µ0 IR 4π(R 2 +x 2 ) 3/2dl. (14) Die Größen x, R und I können wir vor das Integral ziehen, da sie nicht von der Integrationsvariablen abhängen. Damit erhält man B x = µ 0 IR 4π(R 2 +x 2 ) 3/2 dl. (15) Das Linienintegral entlang einer Kreislinie ergibt gerade den Umfang des Kreises 2πR, so dass das Endergebnis lautet: B x = µ 0 4π IR (R 2 +x 2 ) (2πR) = µ 0 3/2 2 R 2 I (R 2 +x 2 ) 3/2. (16)

9 c Doris Samm Liegen N gleiche Leiterschleifen dicht beieinander, so ergibt sich das Gesamtmagnetfeld durch Multiplikation mit der Zahl der Windungen N. B x = µ 0 2 NR 2 I (R 2 +x 2 ) 3/2. (17) In Abbildung 9 ist das Magnetfeld B x als Funktion von x (in Einheiten des Spulenradius R) dargestellt. Das Magnetfeld ist maximal bei x = 0 und fällt für Abstände, die wesentlich größer sind als der Spulenradius R, mit 1/x 3 ab. Abbildung 9: Qualitative Darstellung der x-komponente des Magnetfeldes als Funktion des axialen Abstands x von der Spulenmitte. Soweit zum Magnetfeld einer Leiterschleife mit N (eng beieinander liegenden) Windungen, nun zum Helmholtzspulenpaar. 2.4 Das Magnetfeld von Helmholtzspulen Helmholtzspulen werden zur Erzeugung homogener Magnetfelder genutzt. Sie bestehen aus zwei hintereinander geschalteten Spulen (Abb. 10), die vom gleichen Strom I durchflossen werden. Die Spulen haben jeweils die Windungszahl N und den Radius R. Ihr Abstand a ist gleich dem Spulenradius: a = R. Zur Berechnung des Magnetfeldes entlang der x Achse, legen wir das Koordinatensystem in den Mittelpunkt der Helmholtzspulen (Abb. 11). Aus der Überlagerung der Magnetfelder der beiden Spulen folgt für das Gesamtmagnetfeld entlang der x Achse (y = 0,z = 0) (Bitte selbst herleiten.) mit B(x) = µ 0 2 NI R ( 1 (1+A 2 1) + 1 3/2 (1+A 2 3/2), (18) 2) A 1 = x a 2 R, A 2 = x+ a 2 R.

10 10 Magnetfeld von Spulen Abbildung 10: Spulenpaar in Helmholtz-Anordnung. Abbildung 11: Schematische Darstellung eines Spulenpaars in Helmholtz- Anordnung. Gleichung (18) kann man nicht sofort ansehen, unter welcher Bedingung man ein homogenes Magnetfeld erhält. Hier hilft die Taylorreihe. Entwickelt man Gleichung (18) in einer Taylorreihe um x = 0 erhält man (Beweis siehe Anhang A) B x (x) µ 0NIR 2 (R 2 + 3µ 0NIR2 (R2 a2 ) x 2 +0(x 3 ). (19) a2 4 )3/2 2(R 2 + a2 4 )7/2 Aus Gleichung (19) können wir sofort ablesen, unter welcher Bedingung das Magnetfeld homogen, also unabhängig von der x Koordinate ist, nämlich dann, wenn der Radius der Spulen R gleich dem Abstand a der beiden Spulen ist. Für den Wert des Magnetfeldes erhält man

11 c Doris Samm B x (x) = µ 0N ( 5 4 )3/2 R I. Wir können zusammenfassend feststellen: Das Magnetfeld ist proportional zur Windungzahl N und dem Strom I. Für den Fall, dass der Spulenabstand a gleich dem Spulenradius R ist, erhält man im Bereich R 2 < x < + R 2 ein nahezu homogenes Magnetfeld (Abb. 12). Abbildung 12: Magnetfeld B als Funktion von x, Parameter ist der Spulenabstand a. Beachten Sie, dass Gleichung (19) eine Näherung für kleine Werte von x ist. Nur dann kann man das zweite Glied der Reihenentwicklung vernachlässigen. Soweit zur Erzeugung von Magnetfeldern. Wie aber misst man Magnetfelder? Hierzu nutzt man den sogenannten Halleffekt, der im folgenden Abschnitt beschrieben wird. 2.5 Der Halleffekt Magnetfelder äußern sich durch ihre Kraft auf bewegte elektrische Ladungen. Diesen Effekt nutzt man zur Messung von Magnetfeldern. Quantitativ gilt für die Kraft, die ein Magnetfeld B auf eine Punktladung q der Geschwindigkeit v ausübt, - Lorentzkraft F L genannt - folgender Zusammenhang: F L = q v B. (20)

12 12 Magnetfeld von Spulen Diese Kraft nutzt man beim Halleffekt zur Messung von Magnetfeldern. Betrachten wir zur Erklärung des Halleffektes folgendes Beispiel: Ein Strom I fließt durch einen quaderförmigen Leiter der Dicke d und Höhe b entlang der y-richtung. Der Leiter befindet sich in einem homogenen Magnetfeld B, wobei das Magnetfeld senkrecht zur Stromrichtung steht (Abb. 13 a)). Abbildung 13: a) Stromdurchflossener Leiter in einem homogenen Magnetfeld. b) Wirkende Kräfte auf positive Ladungsträger. c) Wirkende Kräfte auf negative Ladungsträger. Wir nehmen an, dass der Strom durch positive Ladungsträger der Größe der Elementarladung e transportiert wird. Dann ist die Geschwindigkeit der Ladungsträger parallel zur Stromrichtung. Wegen der Lorentzkraft erfahren die Ladungsträger eine Ablenkung in x-richtung. Diese Ladungsverschiebung erzeugt ein elektrisches Feld E H, das Hallfeld genannt wird. Das elektrische Feld übt eine Kraft aus, die antiparallel zur Lorentzkraft ist.

13 c Doris Samm Die Ladungsträger werden durch die Lorentzkraft F L so lange entlang der x- Richtung verschoben, bis zwischen der Lorentzkraft und der Coulombkraft F E ein Gleichgewicht entsteht. Es gilt: F E = F L = q E H = q ( v B). (21) Da B und v senkrecht zueinander sind, gilt für den Betrag E H = v B. (22) Unter Ausnutzung des Zusammenhangs zwischen der Stromstärke I und der Geschwindigkeit der Ladungsträger v mit der Elementarladung e (hatten wir bereits bei Gleichung (6) genutzt) erhält man mit der Fläche A = bd I = nea v = v = I nea, (23) E H = IB nebd. (24) Das transversale elektrische Feld kann wie bei einem Plattenkondensator aus der transversalen Spannung in diesem Fall Hallspannung genannt und der Leiterhöhe b (Abb. 13 a)) berechnet werden. Es gilt Damit ergibt sich für die Hallspannung E H = U H b. (25) U H = 1 I B. (26) ned Die Hallspannung ist proportional zur Stärke des Magnetfeldes B und ermöglicht - bei gleichbleibendem Strom - die Messung von Magnetfeldern.

14 14 Magnetfeld von Spulen 3 Versuchsanordnung Zur Durchführung des Versuchs steht Ihnen ein Spulenpaar in Helmholtz-Anordnung zur Verfügung (Abb. 14). Das Magnetfeld können Sie mit Hilfe von Hallsonden messen. Abbildung 14: Der Versuchsaufbau. Mit der axial angeordneten Hallsonde wird die Komponete des Magnetfeldes entlang der Verbindungslinie der Spulenmitten (= axiales Feld) gemessen. Die radial angeordnete Hallsonde dient zur Messung der Komponente des Feldes senkrecht zur Verbindungslinie der Spulenmitten (= radiales Feld). Weiterhin besteht der Versuchsaufbau aus dem Netzgerät und zwei Teslametern. Mit Hilfe des Netzgerätes können Sie den Strom ändern, der durch die Helmholtzspulen fließt. Mit Hilfe der Hallsonde wird die Hallspannung gemessen. Im Teslameter wird die Hallspannung in die Magnetfeldstärke umgewandelt und auf der Digitalanzeige dargestellt. Das Teslameter (Abb. 15) enthält folgende Bedienelemente: 1 Buchse zum Anschluss der Hallsonde, 2 Stellschraube zur Grobeinstellung des Nullpunktes 3 Stufenschalter zur Wahl von Messbereichen 0 20 mt mit einer Auflösung von 0,01 mt, mt mit einer Auflösung von 0,1 mt und mt mit einer Auflösung von 1 mt

15 c Doris Samm Abbildung 15: Teslameter mit Hallsonde. 4 Schalter zur Wahl der Betriebsart (Gleich- oder Wechselfeldmessung), 5 Digitalanzeige, 6 Ausgang zum Anschluss eines externen Messgerätes, 7 Feinabgleich des Nullpunkts. 4 Versuchsdurchführung Sie sollen folgende Messungen durchführen: Messung der Magnetfelder der einzelnen Spulen, Messung des resultierenden Magnetfeldes beider Spulen in Helmholtz-Anordnung. Die Spulen sind unabhängig von der Art der Messung immer in der Helmholtz- Anordnung aufgebaut. Für die einzelnen Messungen müssen Sie beachten, ob Spule 1, Spule 2 oder beide Spulen von einem Strom durchflossen werden. 4.1 Messung der Magnetfelder der einzelnen Spulen 1. Zunächst sollen Sie das Magnetfelds von Spule 1(Spule 2 ist nicht angeschlossen) entlang der Spulenmitte messen. Schließen Sie Spule 1 an die Spannungsversorgung an. Zur Strommessung müssen Sie zusätzlich ein Amperemeter anschließen.

16 16 Magnetfeld von Spulen Der Spulenstrom darf nicht größer als 3,5 A sein. Die Spule 2 darf nicht angeschlossen sein. Stellen Sie am Teslameter den Betriebsschalter 4 auf die Position Gleichfeld. Gleichen Sie mit den Stellknöpfen 2 und 7 das Magnetfeld auf 0 Tesla ab. Schalten Sie die Spannungsversorgung ein. Messen Sie das axiale Magnetfeld der Spule 1 entlang der Verbindungslinie der Spulenmitten (Abb. 16). Die Schrittbreite sollte dabei 2 cm betragen. Falls es notwendig ist, müssen Sie mehr Messpunkte aufnehmen. Ihre erste Messung sollte 20 cm links von der Spulenmitte, die letze 20 cm rechts von der Spulenmitte durchgeführt werden. Abbildung 16: Versuchsaufbau mit einer Spule und axialer Anordnung der Hall- Sonde. Messen Sie das radiale Magnetfeld (Abb. 17) der Spule 1 entlang der Spulenmitte. Die Schrittbreite sollte dabei 2 cm betragen. Falls es notwendig ist, müssen Sie mehr Messpunkte aufnehmen. 2. Wiederholen Sie die Messungen für Spule 2 (Spule 1 ist nicht angeschlossen). 3. Stellen Sie für beide Fälle das axiale Feld (B x ) und das radiale Feld (B y ) als Funktion von x grafisch dar. 4. Zeichnen Sie in die grafische Darstellung Ihrer Messwerte die theoretische Funktion ein. 5. Diskutieren Sie Ihre Messwerte.

17 c Doris Samm Abbildung 17: Versuchsaufbau mit einer Spule und radialer Anordnung der Hall- Sonde. 4.2 Messung des Magnetfelds einer Helmholtzspule Abbildung 18: Spulenpaar mit Hallsonde in axialer Anordnung. 1. Schließen Sie beide Spulen an die Spannungsversorgung an. Die beiden Spulen werden in Serie geschaltet. Der Betriebsschalter 4 muss weiterhin auf Position Gleichfeld sein. Gleichen Sie für beide Spulen mit den Stellknöpfen 2 und 7 das Magnetfeld auf 0 Tesla. Schalten Sie die Spannungsversorgung ein. 2. Messen Sie das axiale Magnetfeld des Spulenpaars (beide Spulen sind angeschlossen) entlang der Verbindungslinie der Spulenmitten (Abb. 18). Die Schrittbreite soll dabei 2 cm betragen.

18 18 Magnetfeld von Spulen 3. Messen Sie das radiale Magnetfeld des Spulenpaares (beide Spulen sind angeschlossen) entlang der Verbindunglinie der Spulenmitten (Abb. 19). Die Schrittbreite soll dabei 2 cm betragen. Abbildung 18: Spulenpaar mit Hallsonde in radialer Anordnung. 4. Messen Sie das axiale Magnetfeld des Spulenpaares 10 cm oberhalb der Verbindungslinie der Spulenmitten. Die Schrittbreite soll dabei 2 cm betragen. 5. Messen Sie das radiale Magnetfeld des Spulenpaares 10 cm oberhalb der Vebindungslinie der Spulenmitten. Die Schrittbreite soll dabei 2 cm betragen. 6. Stellen Sie die Messergebnisse als Funktion von x dar. 7. Zeichnen Sie in die Grafiken (falls möglich) die theoretische Funktion ein. 8. Diskutieren Sie die Messergebnisse.

19 c Doris Samm Anhang A Taylorentwicklung zur Bestimmung der Helmholtz-Bedingung Wir hatten für die x Komponente des Magnetfeldes B x gefunden: mit B(x) = µ 0 2 NI R ( 1 (1+A 2 1) + 1 3/2 (1+A 2 3/2), (27) 2) A 1 = x a 2 R, A 2 = x+ a 2 R. Um eine Bedingung zu finden, bei der das magnetische Feld bezüglich der x Achse homogen also unabhängig von x ist, entwickeln wir B x in einer Taylorreihe um den Nullpunkt (x = 0). Dieser Spezialfall einer Taylor schen Reihe heißt Mac Laurin sche Reihe und lautet f(x) = f(0)+ x 1! f (0)+ x2 2! f (0)+...+ xn n! f(n) (0)+... Zur Taylorentwicklung von Gl.(27) wird sie umgeformt zu: B(x,y = 0) = µ 0 2 NIR2 [ 1 1 ] ( ) 3/2 + ( ) 3/2. (28) R2 +(x a 2 )2 R2 +(x+ a 2 )2 Das erste Glied der Taylorreihe B(0) können wir sofort angeben, in dem wir in Gl. (28) x = 0 setzen. Man erhält B x (0) = µ 0NIR 2 (R 2 + a2 4 )3/2. (29) Um den zweiten Term der Taylorreihe zu erhalten, differenzieren wir Gl. (28) nach x und erhalten Für x = 0 gilt: db dx = µ 0NIR 2 [ 3(x a) 3(x+ a 2 ( ) 2 5/2 + ) ] 2 ( ) 5/2. (30) R2 +(x a 2 )2 R2 +(x+ a 2 )2 db dx = µ 0NIR 2 x=0 2 [ 3 a 2 (R 2 + a2 4 3a ] 2. (31) )5/2 (R 2 + a2 4 )5/2

20 20 Magnetfeld von Spulen Zur Bildung der zweiten Ableitung setzen wir T = 3(x a 2 ) ( R2 +(x a 2 )2 ) 5/2 und leiten T nach x ab: dt dx = 3 ( R 2 +(x a 2 )2) 5/2 +3(x a 2 )5( R 2 +(x a 2 )2) 3/2 (x a ) 2 ( ) 10/2. R2 +(x a 2 )2 Wir vereinfachen die Gleichung dt dx = 3(R2 +(x a 2 )2 )+15(x a)(x a) 2 2 ( ) 7/2 R2 +(x a 2 )2 und setzen x = 0 dt dx = 3(R2 + a2 x=0 4 )+15a2 4 = 3(R2 a2 ) (R 2 + a2 4 )7/2 (R 2 + a2 4 )7/2. (32) Für die zweite Ableitung des Magnetfeldes nach x erhält man für x = 0 d 2 B x dx 2 x=0 = 3µ 0NIR 2 (R 2 a 2 ) (R 2 + a2 4 )7/2. (33) Da die Taylorreihe 2. Ordnung bereits hinreichend genau die ursprünglich Funktion darstellt, gilt: B x (x) B x (0)+ db x(0) dx x+ 1 d 2 B x (0) x 2 +0(x 3 ). (34) 2 dx 2 Wir setzen die Gleichungen (29),(31) und (33) in Gl.(34) ein und erhalten für die x Komponente des Magnetfelds als Funktion von x B x (x) µ 0NIR 2 (R 2 + 3µ 0NIR2 (R2 a2 ) x 2 +0(x 3 ). (35) a2 4 )3/2 2(R 2 + a2 4 )7/2 Aus Gleichung (35) kann man ablesen, unter welcher Bedingung das Feld homogen ist, nämlich wenn gilt: a = R für kleine x.