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Physik · Klasse 12 · Kapitel

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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

Im Feld eines Hufeisenmagneten mit 50 mT: Was zeigt die Richtung einer magnetischen Feldlinie an?
NSKompassnadel im FeldFeldrichtung?
Schritt für Schritt
  1. Die Richtung des Magnetfelds ist über die Kompassnadel festgelegt.
  2. Der Nordpol einer kleinen Nadel zeigt in Feldrichtung.
  3. Also: wohin der Nordpol einer Kompassnadel zeigt
  1. Die Richtung des Magnetfelds ist über die Kompassnadel festgelegt.
  2. Der Nordpol einer kleinen Nadel zeigt in Feldrichtung.
  3. Also: wohin der Nordpol einer Kompassnadel zeigt
Ergebnis:
wohin der Nordpol einer Kompassnadel zeigt

ÜbenJetzt du

  1. ○1
    Wo beginnen und enden die magnetischen Feldlinien eines 6 cm langen Stabmagneten?
    NSStabmagnetAnfang und Ende?
    So fängst du an:
    Außen laufen die Linien vom Nord- zum Südpol.
    Lösung zeigen
    1. Außen laufen die Linien vom Nord- zum Südpol.
    2. Innen laufen sie weiter vom Süd- zum Nordpol: Jede Linie ist geschlossen.
    3. Also: nirgends, sie laufen innen vom Süd- zum Nordpol weiter
    Ergebnis:
    nirgends, sie laufen innen vom Süd- zum Nordpol weiter
  2. ●2
    Wie verlaufen die magnetischen Feldlinien um einen langen, geraden Leiter, durch den 2 A fließen?
    Strom aus der Ebene herausForm der Linien?
    Lösung zeigen
    1. Ein Strom ist von einem Magnetfeld umgeben.
    2. Kompassnadeln um den Leiter stellen sich tangential: Die Linien sind Kreise.
    3. Also: als geschlossene Kreise um den Leiter
    Ergebnis:
    als geschlossene Kreise um den Leiter
  3. ★3
    Ein 6 cm langer Stabmagnet wird in der Mitte durchgesägt. Was hat man danach?
    NSMagnet geteiltErgebnis?
    Lösung zeigen
    1. Magnetische Feldlinien sind geschlossen, es gibt keine einzelnen Pole.
    2. An der Schnittstelle entstehen zwei neue Pole.
    3. Also: zwei kleinere Magnete, jeder mit Nord- und Südpol
    Ergebnis:
    zwei kleinere Magnete, jeder mit Nord- und Südpol

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

Ein Leiterstück der Länge l = 5 cm steht senkrecht im Magnetfeld. Bei I = 5 A wirkt die Kraft F = 6,25 mN. Berechne B in mT.
Ill = 5 cmI = 5 AF = 6,25 mNB = ?
Schritt für Schritt
  1. B = F : (I · l)
  2. F = 6,25 · 10⁻³ N, l = 0,05 m
  3. B = 0,00625 N : (5 A · 0,05 m) = 25 mT
  1. B = F : (I · l)
  2. F = 6,25 · 10⁻³ N, l = 0,05 m
  3. B = 0,00625 N : (5 A · 0,05 m) = 25 mT
Ergebnis:
25 mT

AchtungEinheiten nicht angeglichen

So nicht
p = 200 N : 50 cm² = 4 Pa
So richtig
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

  1. ○4
    Ein Leiterstück der Länge l = 4 cm steht senkrecht im Magnetfeld. Bei I = 5 A wirkt die Kraft F = 2 mN. Berechne B in mT.
    Ill = 4 cmI = 5 AF = 2 mNB = ?
    So fängst du an:
    B = F : (I · l)
    Lösung zeigen
    1. B = F : (I · l)
    2. F = 2 · 10⁻³ N, l = 0,04 m
    3. B = 0,002 N : (5 A · 0,04 m) = 10 mT
    Ergebnis:
    10 mT
  2. ●5
    Ein Leiterstück der Länge l = 4 cm steht senkrecht im Magnetfeld. Bei I = 1 A wirkt die Kraft F = 8 mN. Berechne B in mT.
    Ill = 4 cmI = 1 AF = 8 mNB = ?
    Lösung zeigen
    1. B = F : (I · l)
    2. F = 8 · 10⁻³ N, l = 0,04 m
    3. B = 0,008 N : (1 A · 0,04 m) = 200 mT
    Ergebnis:
    200 mT
  3. ★6
    Stromwaage mit l = 8 cm: bei I₁ = 2 A zeigt der Kraftmesser 4,7 mN, bei I₂ = 4 A 7,9 mN. Bestimme B aus der Steigung.
    Ill = 8 cmI₁ = 2 A: 4,7 mNI₂ = 4 A: 7,9 mNB = ?
    Lösung zeigen
    1. B = ΔF : (ΔI · l)
    2. ΔF = 3,2 mN, ΔI = 2 A, l = 0,08 m
    3. B = 3,2 · 10⁻³ N : (2 A · 0,08 m) = 20 mT
    Ergebnis:
    20 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

Eine lange Spule ohne Kern hat N = 200 Windungen und die Länge l = 20 cm. Es fließt I = 1 A. Berechne die Flussdichte innen in mT.
lIN = 200l = 20 cmI = 1 AB = ?
Schritt für Schritt
  1. B = µ₀ · N · I : l
  2. l = 0,2 m, µ₀ = 1,257 · 10⁻⁶ V·s/(A·m)
  3. B = 1,26 · 10⁻³ T = 1,26 mT
  1. B = µ₀ · N · I : l
  2. l = 0,2 m, µ₀ = 1,257 · 10⁻⁶ V·s/(A·m)
  3. B = 1,26 · 10⁻³ T = 1,26 mT
Ergebnis:
1,26 mT

AchtungLängere Spule für stärker gehalten

So nicht
Spule doppelt so lang, gleiche Windungen: B doppelt so groß
So richtig
B = µ₀ · N · I : l: doppelte Länge, halbe Flussdichte

Schreib B = µ₀ · N · I : l hin. Die Länge steht im Nenner.

ÜbenJetzt du

  1. ○7
    Eine lange Spule ohne Kern hat N = 1000 Windungen und die Länge l = 20 cm. Es fließt I = 2,5 A. Berechne die Flussdichte innen in mT.
    lIN = 1000l = 20 cmI = 2,5 AB = ?
    So fängst du an:
    B = µ₀ · N · I : l
    Lösung zeigen
    1. B = µ₀ · N · I : l
    2. l = 0,2 m, µ₀ = 1,257 · 10⁻⁶ V·s/(A·m)
    3. B = 1,57 · 10⁻² T = 15,7 mT
    Ergebnis:
    15,7 mT
  2. ●8
    Eine lange Spule ohne Kern hat N = 600 Windungen und die Länge l = 10 cm. Es fließt I = 2,5 A. Berechne die Flussdichte innen in mT.
    lIN = 600l = 10 cmI = 2,5 AB = ?
    Lösung zeigen
    1. B = µ₀ · N · I : l
    2. l = 0,1 m, µ₀ = 1,257 · 10⁻⁶ V·s/(A·m)
    3. B = 1,89 · 10⁻² T = 18,9 mT
    Ergebnis:
    18,9 mT
  3. ★9
    Eine lange Spule mit N = 1200 Windungen und l = 10 cm soll innen B = 8 mT erzeugen. Berechne die nötige Stromstärke.
    lIN = 1200l = 10 cmB = 8 mTI = ?
    Lösung zeigen
    1. I = B · l : (µ₀ · N)
    2. B = 0,008 T, l = 0,1 m
    3. I = 0,008 T · 0,1 m : (1,257 · 10⁻⁶ V·s/(A·m) · 1200) = 0,53 A
    Ergebnis:
    0,53 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

Auf ein Proton, das senkrecht zum Feld B = 4 mT fliegt, wirkt die Lorentzkraft F = 3,2 · 10⁻¹⁶ N. Berechne seine Geschwindigkeit in km/s.
vein ProtonB = 4 mTF = 3,2 · 10⁻¹⁶ Nv = ?
Schritt für Schritt
  1. v = F : (e · B)
  2. B = 0,004 T, e = 1,602 · 10⁻¹⁹ C
  3. v = 4,99 · 10⁵ m/s = 499 km/s
  1. v = F : (e · B)
  2. B = 0,004 T, e = 1,602 · 10⁻¹⁹ C
  3. v = 4,99 · 10⁵ m/s = 499 km/s
Ergebnis:
499 km/s

AchtungUmrechnungszahl falsch

So nicht
2,5 km = 250 m
So richtig
2,5 km = 2,5 · 1000 m = 2500 m

Schreib den Vorsatz als Zahl: k heißt 1000, m heißt ein Tausendstel.

ÜbenJetzt du

  1. ○10
    Auf ein Elektron, das senkrecht zum Feld B = 20 mT fliegt, wirkt die Lorentzkraft F = 1,28 · 10⁻¹⁴ N. Berechne seine Geschwindigkeit in km/s.
    vein ElektronB = 20 mTF = 1,28 · 10⁻¹⁴ Nv = ?
    So fängst du an:
    v = F : (e · B)
    Lösung zeigen
    1. v = F : (e · B)
    2. B = 0,02 T, e = 1,602 · 10⁻¹⁹ C
    3. v = 4 · 10⁶ m/s = 4000 km/s
    Ergebnis:
    4000 km/s
  2. ●11
    Auf ein Elektron, das senkrecht zum Feld B = 0,5 mT fliegt, wirkt die Lorentzkraft F = 3,2 · 10⁻¹⁶ N. Berechne seine Geschwindigkeit in km/s.
    vein ElektronB = 0,5 mTF = 3,2 · 10⁻¹⁶ Nv = ?
    Lösung zeigen
    1. v = F : (e · B)
    2. B = 0,0005 T, e = 1,602 · 10⁻¹⁹ C
    3. v = 4 · 10⁶ m/s = 4000 km/s
    Ergebnis:
    4000 km/s
  3. ★12
    Auf einen Heliumkern mit der Ladung 2e, der senkrecht zum Feld B = 0,5 mT fliegt, wirkt die Lorentzkraft F = 8,01 · 10⁻¹⁷ N. Berechne seine Geschwindigkeit in km/s.
    vHeliumkernB = 0,5 mTF = 8,01 · 10⁻¹⁷ Nv = ?
    Lösung zeigen
    1. v = F : (2e · B)
    2. B = 0,0005 T, e = 1,602 · 10⁻¹⁹ C
    3. v = 5 · 10⁵ m/s = 500 km/s
    Ergebnis:
    500 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

Ein Elektron ruht zwischen den Polen eines Hufeisenmagneten mit 40 mT. Was passiert?
vElektron ruhtKraft?
Schritt für Schritt
  1. Die Lorentzkraft ist F = Q · v · B.
  2. Mit v = 0 m/s ist auch F = 0 N.
  3. Also: nichts, auf eine ruhende Ladung wirkt keine Lorentzkraft
  1. Die Lorentzkraft ist F = Q · v · B.
  2. Mit v = 0 m/s ist auch F = 0 N.
  3. Also: nichts, auf eine ruhende Ladung wirkt keine Lorentzkraft
Ergebnis:
nichts, auf eine ruhende Ladung wirkt keine Lorentzkraft

ÜbenJetzt du

  1. ○13
    Feld der Erdmasse, einer Ladung von 6 nC oder eines Stroms von 6 A: Bei welchem Feld sind die Feldlinien immer geschlossen?
    Gravitationelektrischmagnetischgeschlossene Linien?
    So fängst du an:
    Frag, wo die Linien jedes Felds beginnen und enden.
    Lösung zeigen
    1. Frag, wo die Linien jedes Felds beginnen und enden.
    2. Elektrische Linien an Ladungen, Gravitationslinien an Massen, magnetische nirgends.
    3. Also: beim magnetischen Feld
    Ergebnis:
    beim magnetischen Feld
  2. ●14
    Mit Probekörpern von 2 kg, 2 nC und 2 A Strom: Wie ist die Stärke der drei Felder jeweils festgelegt?
    GravitationelektrischmagnetischDefinition je Feld?
    Lösung zeigen
    1. Feldstärke ist Kraft je Eigenschaft des Probekörpers.
    2. Masse, Ladung oder Strom mal Länge stehen im Nenner.
    3. Also: g = F : m, E = F : Q, B = F : (I · l)
    Ergebnis:
    g = F : m, E = F : Q, B = F : (I · l)
  3. ★15
    Ein Elektron fliegt genau parallel zu den Feldlinien eines homogenen Magnetfelds von 12 mT. Was passiert?
    Bv parallel zu BBahn?
    Lösung zeigen
    1. Die Lorentzkraft hängt vom Winkel zwischen v und B ab.
    2. Parallel ist der Winkel 0°, sin 0° = 0: keine Kraft.
    3. Also: Es fliegt ungestört geradeaus weiter.
    Ergebnis:
    Es fliegt ungestört geradeaus weiter.

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

Zwei parallele Leiter im Abstand 1 cm führen gleichsinnige Ströme von 10 A und 5 A. Was geschieht mit den Leitern?
I₁I₂I₁ = 10 A, I₂ = 5 AgleichsinnigKraft?
Schritt für Schritt
  1. Leiter 1 erzeugt ein Magnetfeld am Ort von Leiter 2.
  2. Mit der Drei-Finger-Regel zeigt die Kraft auf Leiter 2 zu Leiter 1 hin.
  3. Also: Die Leiter ziehen sich an.
  1. Leiter 1 erzeugt ein Magnetfeld am Ort von Leiter 2.
  2. Mit der Drei-Finger-Regel zeigt die Kraft auf Leiter 2 zu Leiter 1 hin.
  3. Also: Die Leiter ziehen sich an.
Ergebnis:
Die Leiter ziehen sich an.

AchtungFormel falsch umgestellt

So nicht
V = ρ · m
So richtig
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

  1. ○16
    Zwei parallele Leiter im Abstand 3 cm führen gegensinnige Ströme von 8 A und 8 A. Was geschieht mit den Leitern?
    I₁I₂I₁ = 8 A, I₂ = 8 AgegensinnigKraft?
    So fängst du an:
    Leiter 1 erzeugt ein Magnetfeld am Ort von Leiter 2.
    Lösung zeigen
    1. Leiter 1 erzeugt ein Magnetfeld am Ort von Leiter 2.
    2. Mit der Drei-Finger-Regel zeigt die Kraft auf Leiter 2 von Leiter 1 weg.
    3. Also: Die Leiter stoßen sich ab.
    Ergebnis:
    Die Leiter stoßen sich ab.
  2. ●17
    Zwei parallele Leiter im Abstand 3 cm führen gegensinnige Ströme von 4 A und 10 A. Was geschieht mit den Leitern?
    I₁I₂I₁ = 4 A, I₂ = 10 AgegensinnigKraft?
    Lösung zeigen
    1. Leiter 1 erzeugt ein Magnetfeld am Ort von Leiter 2.
    2. Mit der Drei-Finger-Regel zeigt die Kraft auf Leiter 2 von Leiter 1 weg.
    3. Also: Die Leiter stoßen sich ab.
    Ergebnis:
    Die Leiter stoßen sich ab.
  3. ★18
    Zwei parallele Leiter, 2 cm entfernt, führen gleichsinnig 5 A und 2 A. Warum ziehen sie sich an?
    I₁I₂I₁ = 5 A, I₂ = 2 Ad = 2 cmUrsache?
    Lösung zeigen
    1. Jeder Strom ist von einem Magnetfeld umgeben.
    2. Der Strom in Leiter 2 fließt quer zu diesem Feld: Auf ihn wirkt F = I · l · B.
    3. Also: Leiter 1 erzeugt ein Magnetfeld, darin wirkt auf Leiter 2 eine Lorentzkraft.
    Ergebnis:
    Leiter 1 erzeugt ein Magnetfeld, darin wirkt auf Leiter 2 eine Lorentzkraft.

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

Eine Kompassnadel zeigt nach Norden. Eine Spule erzeugt dort quer dazu B_Sp = 34,6 µT. Die Nadel dreht sich um α = 60°. Berechne die Horizontalkomponente des Erdfelds.
lIB_Sp = 34,6 µT querα = 60°B_E = ?
Schritt für Schritt
  1. tan α = B_Sp : B_E
  2. B_E = B_Sp : tan α = 34,6 µT : tan 60°
  3. B_E = 20 µT
  1. tan α = B_Sp : B_E
  2. B_E = B_Sp : tan α = 34,6 µT : tan 60°
  3. B_E = 20 µT
Ergebnis:
20 µT

AchtungWinkelfunktion falsch zugeordnet

So nicht
tan α = B_E : B_Sp, also B_E = B_Sp · tan α
So richtig
tan α = Gegenkathete : Ankathete = B_Sp : B_E

Zeichne das rechtwinklige Dreieck und beschrifte Gegenkathete, Ankathete und Hypotenuse am Winkel.

ÜbenJetzt du

  1. ○19
    Eine Kompassnadel zeigt nach Norden. Eine Spule erzeugt dort quer dazu B_Sp = 17 µT. Die Nadel dreht sich um α = 45°. Berechne die Horizontalkomponente des Erdfelds.
    lIB_Sp = 17 µT querα = 45°B_E = ?
    So fängst du an:
    tan α = B_Sp : B_E
    Lösung zeigen
    1. tan α = B_Sp : B_E
    2. B_E = B_Sp : tan α = 17 µT : tan 45°
    3. B_E = 17 µT
    Ergebnis:
    17 µT
  2. ●20
    Eine 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.
    lIB_Sp = 25,7 µT querα = 55°B_E = ?
    Lösung zeigen
    1. tan α = B_Sp : B_E
    2. B_E = B_Sp : tan α = 25,7 µT : tan 55°
    3. B_E = 18 µT
    Ergebnis:
    18 µT
  3. ★21
    Spule mit N = 10, l = 20 cm und I = 524 mA quer zum Erdfeld: Eine Kompassnadel dreht sich um α = 60°. Bestimme die Horizontalkomponente des Erdfelds.
    lIN = 10, l = 20 cmI = 524 mAα = 60°B_E = ?
    Lösung zeigen
    1. B_Sp = µ₀ · N · I : l, dann B_E = B_Sp : tan α
    2. B_Sp = 32,9 µT
    3. B_E = 32,9 µT : tan 60° = 19 µT
    Ergebnis:
    19 µT

Vermischte Übungen

Alles durcheinander – wie in der Arbeit. Überleg bei jeder Aufgabe zuerst: Welches Ziel ist das?

Üben

  1. ●22
    Bei einem 24 cm langen Stabmagneten liegen die Feldlinien an den Polen am dichtesten. Was heißt das?
    NSLinien an den Polen dichtFolgerung?
    Lösung zeigen
    1. Die Dichte der Feldlinien zeigt die Stärke des Felds.
    2. Dichte Linien an den Polen heißt große Flussdichte dort.
    3. Also: An den Polen ist die Flussdichte am größten.
    Ergebnis:
    An den Polen ist die Flussdichte am größten.
  2. ●23
    Durch einen langen Leiter fließt Strom in die Zeichenebene hinein. Punkt P liegt 5 cm unter dem Leiter. Wohin zeigt dort das Magnetfeld?
    Strom hineinP unter dem LeiterB bei P?
    Lösung zeigen
    1. Rechte Hand: Daumen in Stromrichtung, die Finger zeigen den Umlaufsinn.
    2. Strom hinein: im Uhrzeigersinn. Bei P zeigt der Kreis nach links.
    3. Also: nach links
    Ergebnis:
    nach links
  3. ●24
    Ein Leiterstück der Länge l = 20 cm steht senkrecht im Magnetfeld. Bei I = 2,5 A wirkt die Kraft F = 10 mN. Berechne B in mT.
    Ill = 20 cmI = 2,5 AF = 10 mNB = ?
    Lösung zeigen
    1. B = F : (I · l)
    2. F = 10 · 10⁻³ N, l = 0,2 m
    3. B = 0,01 N : (2,5 A · 0,2 m) = 20 mT
    Ergebnis:
    20 mT
  4. ●25
    Ein Leiter der Länge l = 10 cm führt den Strom I = 2,5 A senkrecht zum Feld B = 20 mT. Berechne die Kraft auf den Leiter in mN.
    Ill = 10 cmI = 2,5 AB = 20 mTF = ?
    Lösung zeigen
    1. F = I · l · B
    2. l = 0,1 m, B = 0,02 T
    3. F = 2,5 A · 0,1 m · 0,02 T = 5 mN
    Ergebnis:
    5 mN
  5. ●26
    Eine lange Spule ohne Kern hat N = 1000 Windungen und die Länge l = 50 cm. Es fließt I = 1 A. Berechne die Flussdichte innen in mT.
    lIN = 1000l = 50 cmI = 1 AB = ?
    Lösung zeigen
    1. B = µ₀ · N · I : l
    2. l = 0,5 m, µ₀ = 1,257 · 10⁻⁶ V·s/(A·m)
    3. B = 2,51 · 10⁻³ T = 2,51 mT
    Ergebnis:
    2,51 mT
  6. ●27
    In einer langen Spule herrscht B = 3 mT. Die Windungszahl wird verdreifacht, die Länge halbiert, die Stromstärke bleibt. Berechne die neue Flussdichte.
    lIB = 3 mTN verdreifachtl halbiertB neu = ?
    Lösung zeigen
    1. B = µ₀ · N · I : l
    2. N: mal 3, l: geteilt durch 0,5
    3. B = 3 mT · 3 : 0,5 = 18 mT
    Ergebnis:
    18 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.

Kannst du das?

Je Ziel eine Aufgabe. Rechne sie ins Heft, dann kreuz ehrlich an. Keine Punkte, keine Note – der Test ist für dich.

ÜbenSelbsttest

  1. Ich kann Feldlinienbilder von Dauermagnet, geradem Leiter und Spule zeichnen und deuten.

    28
    Wie verlaufen die Feldlinien im Innern einer langen Spule mit 800 Windungen, durch die Strom fließt?
    Spule mit StromFeld innen?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    parallel und gleich dicht, das Feld ist homogen

  2. Ich kann die magnetische Flussdichte aus der Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter bestimmen.

    29
    Ein Leiterstück der Länge l = 2 cm steht senkrecht im Magnetfeld. Bei I = 2 A wirkt die Kraft F = 6 mN. Berechne B in mT.
    Ill = 2 cmI = 2 AF = 6 mNB = ?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    150 mT

  3. Ich kann die Flussdichte im Innern einer langen Spule berechnen und ihre Abhängigkeit von N, I und l begründen.

    30
    Eine lange Spule ohne Kern hat N = 300 Windungen und die Länge l = 20 cm. Es fließt I = 2,5 A. Berechne die Flussdichte innen in mT.
    lIN = 300l = 20 cmI = 2,5 AB = ?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    4,71 mT

  4. Ich kann Kräfte zwischen zwei stromdurchflossenen Leitern qualitativ begründen.

    31
    Zwei parallele Leiter im Abstand 1 cm führen gleichsinnige Ströme von 4 A und 5 A. Was geschieht mit den Leitern?
    I₁I₂I₁ = 4 A, I₂ = 5 AgleichsinnigKraft?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Die Leiter ziehen sich an.

  5. Ich kann die Horizontalkomponente des Erdmagnetfelds aus der Überlagerung mit dem Feld einer Spule bestimmen.

    32
    Eine Kompassnadel zeigt nach Norden. Eine Spule erzeugt dort quer dazu B_Sp = 11 µT. Die Nadel dreht sich um α = 30°. Berechne die Horizontalkomponente des Erdfelds.
    lIB_Sp = 11 µT querα = 30°B_E = ?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    19,1 µT

Bei „unsicher“ oder „noch nicht“: Lies den Abschnitt zum Ziel noch einmal und rechne seine drei Aufgaben.

Wörter

Gleichung
zwei Rechnungen, die gleich viel wert sind
Summe
was herauskommt, wenn man zusammenzählt

Lösungen

  1. nirgends, sie laufen innen vom Süd- zum Nordpol weiter
  2. als geschlossene Kreise um den Leiter
  3. zwei kleinere Magnete, jeder mit Nord- und Südpol
  4. 10 mT
  5. 200 mT
  6. 20 mT
  7. 15,7 mT
  8. 18,9 mT
  9. 0,53 A
  10. 4000 km/s
  11. 4000 km/s
  12. 500 km/s
  13. beim magnetischen Feld
  14. g = F : m, E = F : Q, B = F : (I · l)
  15. Es fliegt ungestört geradeaus weiter.
  16. Die Leiter stoßen sich ab.
  17. Die Leiter stoßen sich ab.
  18. Leiter 1 erzeugt ein Magnetfeld, darin wirkt auf Leiter 2 eine Lorentzkraft.
  19. 17 µT
  20. 18 µT
  21. 19 µT
  22. An den Polen ist die Flussdichte am größten.
  23. nach links
  24. 20 mT
  25. 5 mN
  26. 2,51 mT
  27. 18 mT
  28. parallel und gleich dicht, das Feld ist homogen
  29. 150 mT
  30. 4,71 mT
  31. Die Leiter ziehen sich an.
  32. 19,1 µT