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Thomsonscher Ringversuch


Elektromagnetismus


Basiswissen


Ein häufig gezeigter Lehrversuch zur magnetischen Induktion und der Lenzschen Regel. Auf Englisch wird der Versuch auch passend als Thomsons jumping ring experiment bezeichnet. Der Versuchsaufbau und die grundlegenden physikalischen Prinzipien sind hier kurz erklärt.

Aufbau


Eine Luftspule wird senkrecht auf eine Fläche gestellt. Im inneren der Luftspule befindet sich ebenfalls senkrecht auf dem Tisch stehend ein Eisenstab. Dieser Eisenstab ragt oben etwas über die Luftspule hinaus. Oben auf den Eisenstab wird ein Metallring, oft aus Aluminium, Kupfer oder Messing, aufgeschoben. Der Ring umschließt gerade so den Stab, dass er noch etwas nach unten rutscht, bis er auf der Luftspule aufliegt. Die Luftspule wird wahlweise an eine Wechselspannungsquelle, Gleichspannungsquelle oder einen sehr stark aufgeladenen Kondensator angeschlossen.

Durchführung


Wird Strom durch die Spule geschickt, schießt der Ring mit oft großer Geschwindikeit nach oben weg. Befestigt man den Ring, sodass er nicht aufsteigen kann, wird er sich sehr stark erwärmen.

Erklärung


Jeder elektrische Strom umgibt sich immer mit einem Magnetfeld (Oerstedsches Gesetz). Lässt man Strom durch die Spule fließen, entsteht um die Spule dadurch also ein Magnetfeld (Oersted). Aufgrund der hohen magnetischen Permeabilität von Eisen (μ) wird das Magnetfeld durch den Eisenstab sehr verstärkt. Solange sich die Stromstärke ändert, ändert sich auch die Stärke des Magnetfeldes. Ein sich änderndes Magnetfeld bewirkt immer, dass in seiner Umgebung auch ein elektrisches Feld mit elektrischer Spannung entsteht. Das nennt man das Induktionsprinzip. Die elektrische Spannung durchdringt dann folglich auch den Aluminiumring. Da es in dem Aluminiumring frei bewegliche Elektronen gibt (wie in jedem Metall), beginnen sich diese Elektronen gemeinsam in dem Ring zu bewegen. Sich gemeinsam in eine Richtung bewegende Ladungen sind aber wieder ein elektrischer Strom, im Aluminiumring fließt jetzt ein sogenannter Wirbelstrom. Und dieser Wirbelstrom umgibt sich - wie jeder Strom - immer mit einem Magnetfeld (Oersted). Wir haben jetzt zwei Magnetfelder: eins um den Eisenstab und eins um den Aluminium. Nach der Lenzschen Regel stoßen sich die beiden Magnetfelder immer gegenseitig ab, unabhängig von der Polung der Stromquelle an der Spule. Dadurch steigt der Ring auf, wenn er nicht festgehalten wird. Hält man ihn fest, wird er durch die Wirbelströme in seinem Material erhitzt. Hier noch einmal die wichtigsten Prinzipien


Benennenung


Die Kanone ist benannt nach dem britisch-amerikanischen Elektroingenieur Elihu Thomsons (1853 bis 1937). Er führte den Versuch vor dem American Institute of Electrical Engineers im Jahr 1887 zum ersten öffentlich vor[1]. Siehe auch Elihu Thomson ↗

Fußnoten