Aufgabe 3 · Abitur NRW Physik GK · Hochfeld-Magnetspule 2025

Hochfeld-Magnetspulen

Im Hochfeld-Magnetlabor des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) werden unter Verwendung von Spulen extrem starke Magnetfelder erzeugt. Mithilfe dieser starken Magnetfelder können neue Materialien entwickelt werden.

Material 1: Magnetfeld einer von Strom durchflossenen Zylinderspule

Material 2: Erfassung des Zusammenhangs zwischen der magnetischen Flussdichte im Inneren einer Spule und der Stärke des Spulenstromes

Die Messspitze des Magnetfeldsensors befand sich während der Messungen auf der Spulenachse im Punkt P und in der Mitte der Spule. Vor dem Anlegen der Spannung $U$ wurde der Messwert des Magnetfeldsensors auf $0\text{ mT}$ gesetzt.

Folgende Messwerte wurden aufgenommen:

$I$ in $\text{mA}$ · $B$ in $\text{mT}$

31 · 0,9

61 · 1,9

90 · 2,8

119 · 3,4

151 · 4,5

Material 3: Hochfeld-Magnetspulen des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR)

Bei den Hochfeld-Magnetspulen des HZDR werden Flussdichten von bis zu $100\text{ Tesla}$ erreicht, indem die Spulen von Strömen mit Stärken bis $400\text{ kA}$ durchflossen werden. Die Spulen werden wie folgt betrieben:

Der Strom fließt „gepulst“ durch die Spulen, das heißt, dass der Strom jeweils nur einige Millisekunden fließt und den Strompulsen jeweils eine kurze Pause folgt.

Die Spulen werden kontinuierlich mit flüssigem Stickstoff gekühlt.

Die Abbildung 3 zeigt den zeitlichen Verlauf der magnetischen Flussdichte in einer im HZDR getesteten Hochfeld-Magnetspule. Im Inneren dieser Spule befindet sich Luft. Für den Zusammenhang zwischen der magnetischen Flussdichte $B$ im Inneren der Spule und der Stromstärke $I$ durch die Spule gilt $B = k_\mathrm{H} \cdot I$ mit $k_\mathrm{H} = 3{,}93 \cdot 10^{-4}\ \frac{\text{T}}{\text{A}}$.

Material 4: Biologische und gesundheitliche Wirkungen statischer Magnetfelder

In einer Veröffentlichung des Bundesamts für Strahlenschutz 2 wird ausgeführt:

„Biologische und gesundheitliche Wirkungen statischer Magnetfelder: Statische Magnetfelder üben Kräfte auf magnetisierbare Metalle [...] aus.

Der Mensch nutzt stärkere Magnetfelder beispielsweise für bildgebende medizinische Verfahren.

Untersuchungen zeigten bisher keine [...] negativen biologischen und gesundheitlichen Wirkungen statischer Magnetfelder bis zu einer Magnetflussdichte von vier Tesla.

Die Auswirkungen stärkerer statischer Magnetfelder müssen weiter erforscht werden.“

2 in Anlehnung an: Bundesamt für Strahlenschutz (2025). Elektromagnetische Felder. Verfügbar unter: https://www.bfs.de/DE/themen/emf/nff/wirkung/statische/statische.html (Zugriff am 13.11.2025)

3 a

Weisen Sie anhand der im Material 2 gegebenen Messwerte nach, dass der Zusammenhang zwischen $B$ und $I$ mithilfe der Gleichung $B = k \cdot I$ angegeben werden kann.

b

Ermitteln Sie unter Berücksichtigung aller Messwerte einen Wert für $k$.

c

Erklären Sie, dass sich bei Vergrößerung der Windungszahl der Spule unter sonst gleichen Bedingungen die Größe $k$ ändert. Geben Sie dabei auch an, wie sich $k$ qualitativ ändert.