Q1: Magnetfeld und Lorentzkraft
Das lernst du
- Ich kann Feldlinienbilder von Dauermagnet, geradem Leiter und Spule zeichnen und deuten.
- Ich kann die magnetische Flussdichte aus der Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter bestimmen.
- Ich kann die Flussdichte im Innern einer langen Spule berechnen und ihre Abhängigkeit von N, I und l begründen.
- Ich kann die Lorentzkraft auf bewegte Ladungen mit F = Q · v · B berechnen und ihre Richtung bestimmen.
- Ich kann Gravitationsfeld, elektrisches und magnetisches Feld vergleichen.
- Ich kann Kräfte zwischen zwei stromdurchflossenen Leitern qualitativ begründen.
- Ich kann die Horizontalkomponente des Erdmagnetfelds aus der Überlagerung mit dem Feld einer Spule bestimmen.
- Ich bereite die Klausur vor.
Merksätze
Magnetische Feldlinien sind geschlossen: außen vom Nord- zum Südpol, innen zurück.
Um gerade Leiter laufen sie im Kreis, in langen Spulen parallel. Die Richtung gibt die rechte Hand.
Ein Leiter quer zum Feld erfährt die Kraft F = I · l · B, wenn Strom fließt.
Die Flussdichte ist B = F : (I · l), in Tesla: 1 T = 1 N : (A · m).
Im Innern einer langen Spule ist das Feld homogen.
Es gilt B = µ₀ · µr · N · I : l. Mehr Windungen, mehr Strom oder ein Eisenkern verstärken es, mehr Länge schwächt es.
Eine Ladung quer zum Feld erfährt F = Q · v · B senkrecht zu Bahn und Feld.
Die Richtung gibt die Drei-Finger-Regel der rechten Hand für Plus. Für Elektronen kehrt sie sich um.
Gravitation wirkt auf Masse und zieht nur an.
Elektrische Felder wirken auf Ladung längs der Feldlinie. Magnetfelder wirken nur auf bewegte Ladung, quer zu ihren geschlossenen Linien.
Jeder Strom liegt im Magnetfeld des anderen.
Gleichsinnige Ströme ziehen sich an, gegensinnige stoßen sich ab. Kraft und Gegenkraft sind gleich groß.
Steht das Spulenfeld quer zum Erdfeld, zeigt die Kompassnadel in Richtung der Summe.
Aus dem Drehwinkel folgt tan α = B_Sp : B_E.
Selbst abfragen
Tippen dreht um, Wischen blättert.Leertaste dreht um, Pfeiltasten blättern.
So geht es – ein Beispiel je Aufgabenart
Wie verlaufen die magnetischen Feldlinien um einen langen, geraden Leiter, durch den 2 A fließen?
- Ein Strom ist von einem Magnetfeld umgeben.
- Kompassnadeln um den Leiter stellen sich tangential: Die Linien sind Kreise.
- Also: als geschlossene Kreise um den Leiter
Ergebnis: als geschlossene Kreise um den Leiter
Durch einen langen Leiter fließt Strom aus der Zeichenebene heraus. Punkt P liegt 5 cm rechts neben dem Leiter. Wohin zeigt dort das Magnetfeld?
- Rechte Hand: Daumen in Stromrichtung, die Finger zeigen den Umlaufsinn.
- Strom heraus: gegen den Uhrzeigersinn. Bei P zeigt der Kreis nach oben.
- Also: nach oben
Ergebnis: nach oben
Ein Leiterstück der Länge l = 2 cm steht senkrecht im Magnetfeld. Bei I = 5 A wirkt die Kraft F = 1 mN. Berechne B in mT.
- B = F : (I · l)
- F = 1 · 10⁻³ N, l = 0,02 m
- B = 0,001 N : (5 A · 0,02 m) = 10 mT
Ergebnis: 10 mT
Ein Leiter der Länge l = 2 cm führt den Strom I = 5 A senkrecht zum Feld B = 10 mT. Berechne die Kraft auf den Leiter in mN.
- F = I · l · B
- l = 0,02 m, B = 0,01 T
- F = 5 A · 0,02 m · 0,01 T = 1 mN
Ergebnis: 1 mN
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- PhET-Simulation (University of Colorado Boulder): Wellen auf einer Schnur (CC BY-NC 4.0 – nur verlinkt)
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