Physik · Klasse 12 · Kapitel
Q1: Magnetfeld und Lorentzkraft
- Entdecken Frage, Vorstellung, Bild
- Merken kommt ins Heft
- Beispiel vorgerechnet, Schritt für Schritt
- Üben selbst rechnen
- Achtung typischer Fehler
- Weiterdenken zum Knobeln und Vernetzen
○ mit Starthilfe, ● für alle, ★ zum Weiterdenken. Du wählst mindestens eine ★-Aufgabe. Du rechnest ins Heft.
1Ich kann Feldlinienbilder von Dauermagnet, geradem Leiter und Spule zeichnen und deuten.
MerkenMagnetische Feldlinien
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.
BeispielMagnetische Feldlinienbilder
Schritt für Schritt
- Die Felder der einzelnen Windungen überlagern sich.
- Innen addieren sie sich zu parallelen, gleich dichten Linien.
- Also: parallel und gleich dicht, das Feld ist homogen
- Die Felder der einzelnen Windungen überlagern sich.
- Innen addieren sie sich zu parallelen, gleich dichten Linien.
- Also: parallel und gleich dicht, das Feld ist homogen
ÜbenJetzt du
- ○1Die Stromrichtung in einer Spule mit 500 Windungen wird umgekehrt. Was passiert mit ihrem Feldlinienbild?So fängst du an:Die Richtung des Felds folgt der Stromrichtung (rechte Hand).
Lösung zeigen
- Die Richtung des Felds folgt der Stromrichtung (rechte Hand).
- Andersherum fließender Strom dreht jede Feldlinie um: Die Pole tauschen.
- Also: Gleiches Bild, aber Nord- und Südpol tauschen.
Ergebnis:Gleiches Bild, aber Nord- und Südpol tauschen. - ●2Wie verlaufen die Feldlinien im Innern einer langen Spule mit 500 Windungen, durch die Strom fließt?
Lösung zeigen
- Die Felder der einzelnen Windungen überlagern sich.
- Innen addieren sie sich zu parallelen, gleich dichten Linien.
- Also: parallel und gleich dicht, das Feld ist homogen
Ergebnis:parallel und gleich dicht, das Feld ist homogen - ★3Ein Draht verläuft von Süden nach Norden genau über einer Kompassnadel. Jetzt wird ein Strom von 4 A eingeschaltet. Was passiert?
Lösung zeigen
- Der Strom erzeugt ein Magnetfeld, das den Draht umkreist.
- Unter dem Draht zeigt es quer zur Drahtrichtung. Es überlagert sich mit dem Erdfeld.
- Also: Die Nadel dreht sich deutlich quer zum Draht.
Ergebnis:Die Nadel dreht sich deutlich quer zum Draht.
2Ich kann die magnetische Flussdichte aus der Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter bestimmen.
MerkenMagnetische Flussdichte
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).
BeispielFlussdichte aus der Kraft auf einen Leiter
Schritt für Schritt
- B = F : (I · l)
- F = 8 · 10⁻³ N, l = 0,2 m
- B = 0,008 N : (4 A · 0,2 m) = 10 mT
- B = F : (I · l)
- F = 8 · 10⁻³ N, l = 0,2 m
- B = 0,008 N : (4 A · 0,2 m) = 10 mT
AchtungEinheiten nicht angeglichen
p = 200 N : 50 cm² = 4 Pa
50 cm² = 0,005 m², p = 200 N : 0,005 m² = 40 000 Pa
Rechne zuerst alle Angaben in die Einheiten der Formel um.
ÜbenJetzt du
- ○4Ein Leiterstück der Länge l = 2 cm steht senkrecht im Magnetfeld. Bei I = 2 A wirkt die Kraft F = 0,4 mN. Berechne B in mT.So fängst du an:B = F : (I · l)
Lösung zeigen
- B = F : (I · l)
- F = 0,4 · 10⁻³ N, l = 0,02 m
- B = 0,0004 N : (2 A · 0,02 m) = 10 mT
Ergebnis:10 mT - ●5Ein Leiterstück der Länge l = 8 cm steht senkrecht im Magnetfeld. Bei I = 5 A wirkt die Kraft F = 10 mN. Berechne B in mT.
Lösung zeigen
- B = F : (I · l)
- F = 10 · 10⁻³ N, l = 0,08 m
- B = 0,01 N : (5 A · 0,08 m) = 25 mT
Ergebnis:25 mT - ★6Stromwaage mit l = 4 cm: bei I₁ = 2 A zeigt der Kraftmesser 9,5 mN, bei I₂ = 5 A 21,5 mN. Bestimme B aus der Steigung.
Lösung zeigen
- B = ΔF : (ΔI · l)
- ΔF = 12 mN, ΔI = 3 A, l = 0,04 m
- B = 12 · 10⁻³ N : (3 A · 0,04 m) = 100 mT
Ergebnis:100 mT
3Ich kann die Flussdichte im Innern einer langen Spule berechnen und ihre Abhängigkeit von N, I und l begründen.
MerkenDie lange Spule
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.
BeispielFlussdichte in einer langen Spule
Schritt für Schritt
- B = µ₀ · N · I : l
- l = 0,2 m, µ₀ = 1,257 · 10⁻⁶ V·s/(A·m)
- B = 7,54 · 10⁻³ T = 7,54 mT
- B = µ₀ · N · I : l
- l = 0,2 m, µ₀ = 1,257 · 10⁻⁶ V·s/(A·m)
- B = 7,54 · 10⁻³ T = 7,54 mT
AchtungLängere Spule für stärker gehalten
Spule doppelt so lang, gleiche Windungen: B doppelt so groß
B = µ₀ · N · I : l: doppelte Länge, halbe Flussdichte
Schreib B = µ₀ · N · I : l hin. Die Länge steht im Nenner.
ÜbenJetzt du
- ○7Eine lange Spule ohne Kern hat N = 200 Windungen und die Länge l = 10 cm. Es fließt I = 2 A. Berechne die Flussdichte innen in mT.So fängst du an:B = µ₀ · N · I : l
Lösung zeigen
- B = µ₀ · N · I : l
- l = 0,1 m, µ₀ = 1,257 · 10⁻⁶ V·s/(A·m)
- B = 5,03 · 10⁻³ T = 5,03 mT
Ergebnis:5,03 mT - ●8Eine lange Spule ohne Kern hat N = 500 Windungen und die Länge l = 25 cm. Es fließt I = 3 A. Berechne die Flussdichte innen in mT.
Lösung zeigen
- B = µ₀ · N · I : l
- l = 0,25 m, µ₀ = 1,257 · 10⁻⁶ V·s/(A·m)
- B = 7,54 · 10⁻³ T = 7,54 mT
Ergebnis:7,54 mT - ★9Eine lange Spule mit N = 800 Windungen und l = 25 cm soll innen B = 5 mT erzeugen. Berechne die nötige Stromstärke.
Lösung zeigen
- I = B · l : (µ₀ · N)
- B = 0,005 T, l = 0,25 m
- I = 0,005 T · 0,25 m : (1,257 · 10⁻⁶ V·s/(A·m) · 800) = 1,24 A
Ergebnis:1,24 A
4Ich kann die Lorentzkraft auf bewegte Ladungen mit F = Q · v · B berechnen und ihre Richtung bestimmen.
MerkenLorentzkraft
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.
BeispielLorentzkraft berechnen
Schritt für Schritt
- v = F : (e · B)
- B = 0,005 T, e = 1,602 · 10⁻¹⁹ C
- v = 1 · 10⁶ m/s = 1000 km/s
- v = F : (e · B)
- B = 0,005 T, e = 1,602 · 10⁻¹⁹ C
- v = 1 · 10⁶ m/s = 1000 km/s
AchtungUmrechnungszahl falsch
2,5 km = 250 m
2,5 km = 2,5 · 1000 m = 2500 m
Schreib den Vorsatz als Zahl: k heißt 1000, m heißt ein Tausendstel.
ÜbenJetzt du
- ○10Auf ein Elektron, das senkrecht zum Feld B = 10 mT fliegt, wirkt die Lorentzkraft F = 1,28 · 10⁻¹⁴ N. Berechne seine Geschwindigkeit in km/s.So fängst du an:v = F : (e · B)
Lösung zeigen
- v = F : (e · B)
- B = 0,01 T, e = 1,602 · 10⁻¹⁹ C
- v = 7,99 · 10⁶ m/s = 7990 km/s
Ergebnis:7990 km/s - ●11Auf ein Proton, das senkrecht zum Feld B = 0,5 mT fliegt, wirkt die Lorentzkraft F = 3,2 · 10⁻¹⁶ N. Berechne seine Geschwindigkeit in km/s.
Lösung zeigen
- v = F : (e · B)
- B = 0,0005 T, e = 1,602 · 10⁻¹⁹ C
- v = 4 · 10⁶ m/s = 4000 km/s
Ergebnis:4000 km/s - ★12Auf einen Heliumkern mit der Ladung 2e, der senkrecht zum Feld B = 5 mT fliegt, wirkt die Lorentzkraft F = 1,6 · 10⁻¹⁵ N. Berechne seine Geschwindigkeit in km/s.
Lösung zeigen
- v = F : (2e · B)
- B = 0,005 T, e = 1,602 · 10⁻¹⁹ C
- v = 9,99 · 10⁵ m/s = 999 km/s
Ergebnis:999 km/s
5Ich kann Gravitationsfeld, elektrisches und magnetisches Feld vergleichen.
MerkenDrei Felder im Vergleich
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.
BeispielDrei Felder im Vergleich
Schritt für Schritt
- Feldstärke ist Kraft je Eigenschaft des Probekörpers.
- Masse, Ladung oder Strom mal Länge stehen im Nenner.
- Also: g = F : m, E = F : Q, B = F : (I · l)
- Feldstärke ist Kraft je Eigenschaft des Probekörpers.
- Masse, Ladung oder Strom mal Länge stehen im Nenner.
- Also: g = F : m, E = F : Q, B = F : (I · l)
ÜbenJetzt du
- ○13Ein Elektron ruht zwischen den Polen eines Hufeisenmagneten mit 30 mT. Was passiert?So fängst du an:Die Lorentzkraft ist F = Q · v · B.
Lösung zeigen
- Die Lorentzkraft ist F = Q · v · B.
- Mit v = 0 m/s ist auch F = 0 N.
- Also: nichts, auf eine ruhende Ladung wirkt keine Lorentzkraft
Ergebnis:nichts, auf eine ruhende Ladung wirkt keine Lorentzkraft - ●14Ein Elektron ruht zwischen den Polen eines Hufeisenmagneten mit 200 mT. Was passiert?
Lösung zeigen
- Die Lorentzkraft ist F = Q · v · B.
- Mit v = 0 m/s ist auch F = 0 N.
- Also: nichts, auf eine ruhende Ladung wirkt keine Lorentzkraft
Ergebnis:nichts, auf eine ruhende Ladung wirkt keine Lorentzkraft - ★15Ein Proton kreist im Feld B = 3 mT. Ändert die Lorentzkraft den Betrag seiner Geschwindigkeit?
Lösung zeigen
- Arbeit verrichtet nur eine Kraft mit einem Anteil längs des Wegs.
- Die Lorentzkraft steht immer senkrecht zum Weg: W = 0 J, die Energie bleibt.
- Also: Nein, sie steht senkrecht zu v und verrichtet keine Arbeit.
Ergebnis:Nein, sie steht senkrecht zu v und verrichtet keine Arbeit.
6Ich kann Kräfte zwischen zwei stromdurchflossenen Leitern qualitativ begründen.
MerkenZwei Leiter
Jeder Strom liegt im Magnetfeld des anderen.
Gleichsinnige Ströme ziehen sich an, gegensinnige stoßen sich ab. Kraft und Gegenkraft sind gleich groß.
BeispielKräfte zwischen zwei Leitern
Schritt für Schritt
- Leiter 1 erzeugt ein Magnetfeld am Ort von Leiter 2.
- Mit der Drei-Finger-Regel zeigt die Kraft auf Leiter 2 zu Leiter 1 hin.
- Also: Die Leiter ziehen sich an.
- Leiter 1 erzeugt ein Magnetfeld am Ort von Leiter 2.
- Mit der Drei-Finger-Regel zeigt die Kraft auf Leiter 2 zu Leiter 1 hin.
- Also: Die Leiter ziehen sich an.
AchtungFormel falsch umgestellt
V = ρ · m
ρ = m : V | · V | : ρ → V = m : ρ
Setz einfache Zahlen ein, zum Beispiel 6 = 12 : 2. Stell zuerst mit Zahlen um, dann mit Buchstaben.
ÜbenJetzt du
- ○16Zwei parallele Leiter im Abstand 5 cm führen gleichsinnige Ströme von 2 A und 10 A. Was geschieht mit den Leitern?So fängst du an:Leiter 1 erzeugt ein Magnetfeld am Ort von Leiter 2.
Lösung zeigen
- Leiter 1 erzeugt ein Magnetfeld am Ort von Leiter 2.
- Mit der Drei-Finger-Regel zeigt die Kraft auf Leiter 2 zu Leiter 1 hin.
- Also: Die Leiter ziehen sich an.
Ergebnis:Die Leiter ziehen sich an. - ●17Zwei parallele Leiter im Abstand 2 cm führen gegensinnige Ströme von 10 A und 10 A. Was geschieht mit den Leitern?
Lösung zeigen
- Leiter 1 erzeugt ein Magnetfeld am Ort von Leiter 2.
- Mit der Drei-Finger-Regel zeigt die Kraft auf Leiter 2 von Leiter 1 weg.
- Also: Die Leiter stoßen sich ab.
Ergebnis:Die Leiter stoßen sich ab. - ★18Zwei parallele Leiter führen 8 A und 10 A. Der Strom in Leiter 1 wird verdoppelt. Wie ändern sich die Kräfte auf beide Leiter?
Lösung zeigen
- Die Kraft auf Leiter 2 hängt vom Feld des Stroms I₁ ab.
- Doppeltes I₁ heißt doppeltes Feld und doppelte Kraft. Die Gegenkraft ist gleich groß.
- Also: Beide verdoppeln sich und bleiben gleich groß.
Ergebnis:Beide verdoppeln sich und bleiben gleich groß.
7Ich kann die Horizontalkomponente des Erdmagnetfelds aus der Überlagerung mit dem Feld einer Spule bestimmen.
MerkenErdmagnetfeld messen
Steht das Spulenfeld quer zum Erdfeld, zeigt die Kompassnadel in Richtung der Summe.
Aus dem Drehwinkel folgt tan α = B_Sp : B_E.
BeispielHorizontalkomponente des Erdmagnetfelds
Schritt für Schritt
- tan α = B_Sp : B_E
- B_E = B_Sp : tan α = 19 µT : tan 45°
- B_E = 19 µT
- tan α = B_Sp : B_E
- B_E = B_Sp : tan α = 19 µT : tan 45°
- B_E = 19 µT
AchtungWinkelfunktion falsch zugeordnet
tan α = B_E : B_Sp, also B_E = B_Sp · tan α
tan α = Gegenkathete : Ankathete = B_Sp : B_E
Zeichne das rechtwinklige Dreieck und beschrifte Gegenkathete, Ankathete und Hypotenuse am Winkel.
ÜbenJetzt du
- ○19Eine Kompassnadel zeigt nach Norden. Eine Spule erzeugt dort quer dazu B_Sp = 25,7 µT. Die Nadel dreht sich um α = 55°. Berechne die Horizontalkomponente des Erdfelds.So fängst du an:tan α = B_Sp : B_E
Lösung zeigen
- tan α = B_Sp : B_E
- B_E = B_Sp : tan α = 25,7 µT : tan 55°
- B_E = 18 µT
Ergebnis:18 µT - ●20Eine Kompassnadel zeigt nach Norden. Eine Spule erzeugt dort quer dazu B_Sp = 29,4 µT. Die Nadel dreht sich um α = 60°. Berechne die Horizontalkomponente des Erdfelds.
Lösung zeigen
- tan α = B_Sp : B_E
- B_E = B_Sp : tan α = 29,4 µT : tan 60°
- B_E = 17 µT
Ergebnis:17 µT - ★21Spule mit N = 20, l = 20 cm und I = 205 mA quer zum Erdfeld: Eine Kompassnadel dreht sich um α = 55°. Bestimme die Horizontalkomponente des Erdfelds.
Lösung zeigen
- B_Sp = µ₀ · N · I : l, dann B_E = B_Sp : tan α
- B_Sp = 25,8 µT
- B_E = 25,8 µT : tan 55° = 18 µT
Ergebnis:18 µT
Vermischte Übungen
Alles durcheinander – wie in der Arbeit. Überleg bei jeder Aufgabe zuerst: Welches Ziel ist das?
Üben
- ●22Wie verlaufen die magnetischen Feldlinien um einen langen, geraden Leiter, durch den 10 A fließen?
Lösung zeigen
- 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 - ●23Durch einen langen Leiter fließt Strom in die Zeichenebene hinein. Punkt P liegt 1 cm über dem Leiter. Wohin zeigt dort das Magnetfeld?
Lösung zeigen
- Rechte Hand: Daumen in Stromrichtung, die Finger zeigen den Umlaufsinn.
- Strom hinein: im Uhrzeigersinn. Bei P zeigt der Kreis nach rechts.
- Also: nach rechts
Ergebnis:nach rechts - ●24Ein Leiterstück der Länge l = 4 cm steht senkrecht im Magnetfeld. Bei I = 5 A wirkt die Kraft F = 20 mN. Berechne B in mT.
Lösung zeigen
- B = F : (I · l)
- F = 20 · 10⁻³ N, l = 0,04 m
- B = 0,02 N : (5 A · 0,04 m) = 100 mT
Ergebnis:100 mT - ●25Eine lange Spule ohne Kern hat N = 500 Windungen und die Länge l = 15 cm. Es fließt I = 1,5 A. Berechne die Flussdichte innen in mT.
Lösung zeigen
- B = µ₀ · N · I : l
- l = 0,15 m, µ₀ = 1,257 · 10⁻⁶ V·s/(A·m)
- B = 6,29 · 10⁻³ T = 6,29 mT
Ergebnis:6,29 mT - ●26In einer langen Spule herrscht B = 4 mT. Die Windungszahl wird halbiert, die Länge verdreifacht, die Stromstärke bleibt. Berechne die neue Flussdichte.
Lösung zeigen
- B = µ₀ · N · I : l
- N: mal 0,5, l: geteilt durch 3
- B = 4 mT · 0,5 : 3 = 0,667 mT
Ergebnis:0,667 mT
Auf einen Blick
MerkenDas Wichtigste
- Magnetische Feldlinien
- Magnetische Feldlinien sind geschlossen: außen vom Nord- zum Südpol, innen zurück.
- Magnetische Flussdichte
- Ein Leiter quer zum Feld erfährt die Kraft F = I · l · B, wenn Strom fließt.
- Die lange Spule
- Im Innern einer langen Spule ist das Feld homogen.
- Lorentzkraft
- Eine Ladung quer zum Feld erfährt F = Q · v · B senkrecht zu Bahn und Feld.
- Drei Felder im Vergleich
- Gravitation wirkt auf Masse und zieht nur an.
- Zwei Leiter
- Jeder Strom liegt im Magnetfeld des anderen.
- Erdmagnetfeld messen
- Steht das Spulenfeld quer zum Erdfeld, zeigt die Kompassnadel in Richtung der Summe.
Wörter
- Gleichung
- zwei Rechnungen, die gleich viel wert sind
- Summe
- was herauskommt, wenn man zusammenzählt
Lösungen
- Gleiches Bild, aber Nord- und Südpol tauschen.
- parallel und gleich dicht, das Feld ist homogen
- Die Nadel dreht sich deutlich quer zum Draht.
- 10 mT
- 25 mT
- 100 mT
- 5,03 mT
- 7,54 mT
- 1,24 A
- 7990 km/s
- 4000 km/s
- 999 km/s
- nichts, auf eine ruhende Ladung wirkt keine Lorentzkraft
- nichts, auf eine ruhende Ladung wirkt keine Lorentzkraft
- Nein, sie steht senkrecht zu v und verrichtet keine Arbeit.
- Die Leiter ziehen sich an.
- Die Leiter stoßen sich ab.
- Beide verdoppeln sich und bleiben gleich groß.
- 18 µT
- 17 µT
- 18 µT
- als geschlossene Kreise um den Leiter
- nach rechts
- 100 mT
- 6,29 mT
- 0,667 mT