Abitur Thüringen Physik 2025 · GK · Hochfeld-Magnetspule

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)

1 a

Geben Sie die Polung der im Material 1 dargestellten Spannungsquelle an.

1 b

Beschreiben Sie drei Eigenschaften des im Material 1 dargestellten Magnetfeldes.

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)

2 In einem Experiment wurde die magnetische Flussdichte $B$ im Inneren einer luftgefüllten Spule in Abhängigkeit von der Stromstärke $I$, von der die Spule durchflossen wird, gemessen. Im Material 2 sind der Versuchsaufbau und das Ergebnis der Messung aufgeführt.

Beschreiben Sie unter Beachtung des Materials 2 die wesentlichen Schritte der Durchführung des Versuchs.

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.

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)

4 Berechnen Sie die maximale Stromstärke der im Material 3 beschriebenen Hochfeld-Magnetspule. Nutzen Sie dazu das Diagramm in Material 3.

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)

5 Die sehr großen Ströme, die den Spulendraht der Hochfeld-Magnetspulen durchfließen, würden nach kurzer Zeit zur Zerstörung der Spulen durch Erhitzen führen. Erläutern Sie unter Verwendung des Materials 3 zwei Maßnahmen, durch die das verhindert wird.

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)

6 Aus Gründen des Arbeitsschutzes soll geprüft werden, ob von den im Material 3 beschriebenen, stromdurchflossenen Hochfeld-Magnetspulen eine Gefahr für Personen ausgeht, die sich in der Nähe dieser Spulen befinden.

a)

Beurteilen Sie, ob es prinzipiell eine physikalische Wirkung auf eine Person im Magnetfeld einer Hochfeld-Magnetspule geben kann. Berücksichtigen Sie, dass menschliches Gewebe elektrischen Strom leiten kann.

b)

Beurteilen Sie, ob das Material 4 geeignet ist, um gesundheitliche Gefahren für Personen zu bewerten, die sich in der Nähe von in Betrieb befindlichen Hochfeld-Magnetspulen aufhalten.