Basiswissen

Zwei große nebeneinander stehende Luftspulen mit fast homogenem Magnetfeld innen: hier wird kurz erklärt, wie man mit zwei Spulen ein homogenes (gleichmäßiges) Magnetfeld erzeugt.

Bildbeschreibung und Urheberrecht — Man sieht die Zeichnung einer Helmholtzspule. © User Ansag Hellwig on Wikimedia Commons ☛

Definition

Als Helmholtz-Spule bezeichnet man eine besondere Spulenanordnung, die auf den deutschen Physiker Hermann von Helmholtz (1821–1894) zurückgeht: zwei Spulen mit großem Radius R werden im Abstand R auf derselben Achse parallel aufgestellt und gleichsinnig von Strom durchflossen (bei gegensinnigem Stromfluss siehe Maxwellspule).

Zweck der Helmholtz-Spule

Das magnetische Feld jeder einzelnen Spule ist inhomogen. Inhomogen heißt, dass die Feldlinien in unteschiedliche Richtungen zeigen und an verschiedenen Stellen unterschiedlich eng beieinander liegen. Durch die Überlagerung beider Felder ergibt sich zwischen beiden Spulen nahe der Spulenachse jedoch ein Bereich mit weitgehend homogenem Magnetfeld. Ein homogenes Magnetfeld ist für viele Versuche erünscht, da man so die Richtung und die Stärke des Magnetfeldes kennt. Ein weiterer Vorteil der Helmholtz-Spule ist, dass der Bereich mit dem homogenen Magnetfeld leicht zugänglich ist. Ein typischer Anwendungsfall ist das sogenannte 👉 Fadenstrahlrohr

Was ist die Spulenachse?

Die Spulenachse ist die gerade Strecke vom Mittelpunkt der einen Spule durch den Mittelpunkt der anderen Spule. Im Inneren der ganzen Apparatur und entlang dieser Achse ist das Magnetfeld ziemlich gleichmäßig, also 👉 homogen

Formel

B = µ mal 8 mal I mal N durch Wurzel 125 durch R

Legende

µ = My, Magnetische Feldkonstante = 1,2566370614 mal 10 hoch -6 N/A²

I = elektrische Stromstärke, z. B. in Ampere

N = Anzahl der Windungen einer der beiden Spulen

R = Radius jeder Spule, horizontaler Abstand der Spulen zueinander

Anmerkungen

Die Formel gilt exakt nur für ein 👉 Vakuum

Die Formel gilt näherungsweise für 👉 Luft

Beispielwerte

Helmholtz-Spulen gehören zum klassischen Sortiment von Firmen für Lehrmittel. Dort kann man leicht realistische Werte für echte Spulen finden. Hier sind die Werte eines Anbieters:^[1]

Spulendurchmesser 300 mm

Windungszahl je Spule 124

max. Dauerstromstärke 5 A

max. mag. Flusdichte (5A) 3,7 mT

Die Flussdichte von 3,7 mT kann auch geschrieben werden als 0,0037 oder 3,7 mal 10⁻³ Tesla. Die Flussdichte des Erdmagnetfeldes liegt in der Größenordnung von 30 Mikrotesla und ist damit deutlich schwächer. Sehr starke Elektromagnete kommen auf wenige 👉 Tesla

Fußnoten

[1] Eine Helmholtz-Spule für Versuche mit einem Fadenstrahlrohr wird zum Beispiel angeboten von der Firma PHYWE Systeme GmbH & Co. KG aus Göttingen. Die Artikel-Nr.: 06960-0. Preis: 510 Euro (Stand 2026). Die zwei Spulen haben je 300 mm Durchmesser und jeweils 124 Windungen. Mit einer Dauerstromstärke von 5 Ampere wird eine Flussdichte B von 3,7 Millitesla erreicht.