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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

Bei einem 30 cm langen Stabmagneten liegen die Feldlinien an den Polen am dichtesten. Was heißt das?
NSLinien an den Polen dichtFolgerung?
Schritt für Schritt
  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.
  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.

ÜbenJetzt du

  1. ○1
    Wie verlaufen die magnetischen Feldlinien um einen langen, geraden Leiter, durch den 6 A fließen?
    Strom aus der Ebene herausForm der Linien?
    So fängst du an:
    Ein Strom ist von einem Magnetfeld umgeben.
    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
  2. ●2
    Wie verlaufen die magnetischen Feldlinien um einen langen, geraden Leiter, durch den 15 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
    Zwei lange Leiter mit entgegengesetzten Strömen von je 6 A liegen dicht nebeneinander. Wie stark ist ihr Feld weit entfernt?
    I₁I₂gleiche Ströme, entgegenFeld weit weg?
    Lösung zeigen
    1. Die Felder beider Leiter überlagern sich.
    2. Weit weg sind beide Felder gleich stark und entgegengesetzt.
    3. Also: sehr schwach, die beiden Felder heben sich fast auf
    Ergebnis:
    sehr schwach, die beiden Felder heben sich fast auf

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 = 20 cm steht senkrecht im Magnetfeld. Bei I = 2,5 A wirkt die Kraft F = 100 mN. Berechne B in mT.
Ill = 20 cmI = 2,5 AF = 100 mNB = ?
Schritt für Schritt
  1. B = F : (I · l)
  2. F = 100 · 10⁻³ N, l = 0,2 m
  3. B = 0,1 N : (2,5 A · 0,2 m) = 200 mT
  1. B = F : (I · l)
  2. F = 100 · 10⁻³ N, l = 0,2 m
  3. B = 0,1 N : (2,5 A · 0,2 m) = 200 mT
Ergebnis:
200 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 = 20 cm steht senkrecht im Magnetfeld. Bei I = 4 A wirkt die Kraft F = 8 mN. Berechne B in mT.
    Ill = 20 cmI = 4 AF = 8 mNB = ?
    So fängst du an:
    B = F : (I · l)
    Lösung zeigen
    1. B = F : (I · l)
    2. F = 8 · 10⁻³ N, l = 0,2 m
    3. B = 0,008 N : (4 A · 0,2 m) = 10 mT
    Ergebnis:
    10 mT
  2. ●5
    Ein Leiterstück der Länge l = 8 cm steht senkrecht im Magnetfeld. Bei I = 4 A wirkt die Kraft F = 3,2 mN. Berechne B in mT.
    Ill = 8 cmI = 4 AF = 3,2 mNB = ?
    Lösung zeigen
    1. B = F : (I · l)
    2. F = 3,2 · 10⁻³ N, l = 0,08 m
    3. B = 0,0032 N : (4 A · 0,08 m) = 10 mT
    Ergebnis:
    10 mT
  3. ★6
    Stromwaage mit l = 4 cm: bei I₁ = 1 A zeigt der Kraftmesser 4,6 mN, bei I₂ = 3 A 7,8 mN. Bestimme B aus der Steigung.
    Ill = 4 cmI₁ = 1 A: 4,6 mNI₂ = 3 A: 7,8 mNB = ?
    Lösung zeigen
    1. B = ΔF : (ΔI · l)
    2. ΔF = 3,2 mN, ΔI = 2 A, l = 0,04 m
    3. B = 3,2 · 10⁻³ N : (2 A · 0,04 m) = 40 mT
    Ergebnis:
    40 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 = 15 cm. Es fließt I = 3 A. Berechne die Flussdichte innen in mT.
lIN = 200l = 15 cmI = 3 AB = ?
Schritt für Schritt
  1. B = µ₀ · N · I : l
  2. l = 0,15 m, µ₀ = 1,257 · 10⁻⁶ V·s/(A·m)
  3. B = 5,03 · 10⁻³ T = 5,03 mT
  1. B = µ₀ · N · I : l
  2. l = 0,15 m, µ₀ = 1,257 · 10⁻⁶ V·s/(A·m)
  3. B = 5,03 · 10⁻³ T = 5,03 mT
Ergebnis:
5,03 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 = 200 Windungen und die Länge l = 50 cm. Es fließt I = 1,5 A. Berechne die Flussdichte innen in mT.
    lIN = 200l = 50 cmI = 1,5 AB = ?
    So fängst du an:
    B = µ₀ · N · I : l
    Lösung zeigen
    1. B = µ₀ · N · I : l
    2. l = 0,5 m, µ₀ = 1,257 · 10⁻⁶ V·s/(A·m)
    3. B = 7,54 · 10⁻⁴ T = 0,754 mT
    Ergebnis:
    0,754 mT
  2. ●8
    Eine lange Spule ohne Kern hat N = 1200 Windungen und die Länge l = 10 cm. Es fließt I = 3 A. Berechne die Flussdichte innen in mT.
    lIN = 1200l = 10 cmI = 3 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 = 4,53 · 10⁻² T = 45,3 mT
    Ergebnis:
    45,3 mT
  3. ★9
    Eine lange Spule mit N = 600 Windungen und l = 30 cm soll innen B = 6 mT erzeugen. Berechne die nötige Stromstärke.
    lIN = 600l = 30 cmB = 6 mTI = ?
    Lösung zeigen
    1. I = B · l : (µ₀ · N)
    2. B = 0,006 T, l = 0,3 m
    3. I = 0,006 T · 0,3 m : (1,257 · 10⁻⁶ V·s/(A·m) · 600) = 2,39 A
    Ergebnis:
    2,39 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 Elektron, das senkrecht zum Feld B = 4 mT fliegt, wirkt die Lorentzkraft F = 6,41 · 10⁻¹⁶ N. Berechne seine Geschwindigkeit in km/s.
vein ElektronB = 4 mTF = 6,41 · 10⁻¹⁶ Nv = ?
Schritt für Schritt
  1. v = F : (e · B)
  2. B = 0,004 T, e = 1,602 · 10⁻¹⁹ C
  3. v = 1 · 10⁶ m/s = 1000 km/s
  1. v = F : (e · B)
  2. B = 0,004 T, e = 1,602 · 10⁻¹⁹ C
  3. v = 1 · 10⁶ m/s = 1000 km/s
Ergebnis:
1000 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 = 5 mT fliegt, wirkt die Lorentzkraft F = 8,01 · 10⁻¹⁵ N. Berechne seine Geschwindigkeit in km/s.
    vein ElektronB = 5 mTF = 8,01 · 10⁻¹⁵ Nv = ?
    So fängst du an:
    v = F : (e · B)
    Lösung zeigen
    1. v = F : (e · B)
    2. B = 0,005 T, e = 1,602 · 10⁻¹⁹ C
    3. v = 1 · 10⁷ m/s = 10.000 km/s
    Ergebnis:
    10.000 km/s
  2. ●11
    Auf 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.
    vein ProtonB = 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 = 20 mT fliegt, wirkt die Lorentzkraft F = 1,28 · 10⁻¹⁴ N. Berechne seine Geschwindigkeit in km/s.
    vHeliumkernB = 20 mTF = 1,28 · 10⁻¹⁴ Nv = ?
    Lösung zeigen
    1. v = F : (2e · B)
    2. B = 0,02 T, e = 1,602 · 10⁻¹⁹ C
    3. v = 2 · 10⁶ m/s = 2000 km/s
    Ergebnis:
    2000 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

Auf welche Körper übt ein Magnetfeld von 20 mT eine Kraft aus?
GravitationelektrischmagnetischProbekörper je Feld?
Schritt für Schritt
  1. Vergleiche, was jedes Feld als Probekörper braucht.
  2. Das Magnetfeld braucht eine bewegte Ladung, einen Strom oder einen Magneten.
  3. Also: auf bewegte Ladungen und Ströme quer zum Feld, auf Magnete
  1. Vergleiche, was jedes Feld als Probekörper braucht.
  2. Das Magnetfeld braucht eine bewegte Ladung, einen Strom oder einen Magneten.
  3. Also: auf bewegte Ladungen und Ströme quer zum Feld, auf Magnete
Ergebnis:
auf bewegte Ladungen und Ströme quer zum Feld, auf Magnete

ÜbenJetzt du

  1. ○13
    Feld der Erdmasse, einer Ladung von 5 nC oder eines Stroms von 5 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
    Auf welche Körper übt ein Magnetfeld von 40 mT eine Kraft aus?
    GravitationelektrischmagnetischProbekörper je Feld?
    Lösung zeigen
    1. Vergleiche, was jedes Feld als Probekörper braucht.
    2. Das Magnetfeld braucht eine bewegte Ladung, einen Strom oder einen Magneten.
    3. Also: auf bewegte Ladungen und Ströme quer zum Feld, auf Magnete
    Ergebnis:
    auf bewegte Ladungen und Ströme quer zum Feld, auf Magnete
  3. ★15
    Probekörper: eine Masse von 12 kg, eine Ladung von +12 nC, ein Strom. Bei welchen Feldern zeigt die Feldstärke in Richtung der Kraft?
    GravitationelektrischmagnetischFeldstärke parallel zur Kraft?
    Lösung zeigen
    1. Vergleiche die Richtungen von Feldstärke und Kraft.
    2. g und E zeigen wie die Kraft, B steht senkrecht dazu.
    3. Also: beim Gravitationsfeld und beim elektrischen Feld
    Ergebnis:
    beim Gravitationsfeld und beim elektrischen Feld

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 5 cm führen gleichsinnige Ströme von 10 A und 4 A. Was geschieht mit den Leitern?
I₁I₂I₁ = 10 A, I₂ = 4 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 gleichsinnige Ströme von 4 A und 2 A. Was geschieht mit den Leitern?
    I₁I₂I₁ = 4 A, I₂ = 2 AgleichsinnigKraft?
    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 zu Leiter 1 hin.
    3. Also: Die Leiter ziehen sich an.
    Ergebnis:
    Die Leiter ziehen sich an.
  2. ●17
    Zwei parallele Leiter im Abstand 10 cm führen gleichsinnige Ströme von 4 A und 10 A. Was geschieht mit den Leitern?
    I₁I₂I₁ = 4 A, I₂ = 10 AgleichsinnigKraft?
    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 zu Leiter 1 hin.
    3. Also: Die Leiter ziehen sich an.
    Ergebnis:
    Die Leiter ziehen sich an.
  3. ★18
    Zwei parallele Leiter führen 5 A und 20 A. Der Strom in Leiter 1 wird verdoppelt. Wie ändern sich die Kräfte auf beide Leiter?
    I₁I₂I₁ = 5 A wird verdoppeltI₂ = 20 AKräfte?
    Lösung zeigen
    1. Die Kraft auf Leiter 2 hängt vom Feld des Stroms I₁ ab.
    2. Doppeltes I₁ heißt doppeltes Feld und doppelte Kraft. Die Gegenkraft ist gleich groß.
    3. 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

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 = ?
Schritt für Schritt
  1. tan α = B_Sp : B_E
  2. B_E = B_Sp : tan α = 17 µT : tan 45°
  3. B_E = 17 µT
  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

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 = 20 µT. Die Nadel dreht sich um α = 45°. Berechne die Horizontalkomponente des Erdfelds.
    lIB_Sp = 20 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 = 20 µT : tan 45°
    3. B_E = 20 µT
    Ergebnis:
    20 µT
  2. ●20
    Eine Kompassnadel zeigt nach Norden. Eine Spule erzeugt dort quer dazu B_Sp = 21,5 µT. Die Nadel dreht sich um α = 50°. Berechne die Horizontalkomponente des Erdfelds.
    lIB_Sp = 21,5 µT querα = 50°B_E = ?
    Lösung zeigen
    1. tan α = B_Sp : B_E
    2. B_E = B_Sp : tan α = 21,5 µT : tan 50°
    3. B_E = 18 µT
    Ergebnis:
    18 µT
  3. ★21
    Spule mit N = 20, l = 25 cm und I = 142 mA quer zum Erdfeld: Eine Kompassnadel dreht sich um α = 40°. Bestimme die Horizontalkomponente des Erdfelds.
    lIN = 20, l = 25 cmI = 142 mAα = 40°B_E = ?
    Lösung zeigen
    1. B_Sp = µ₀ · N · I : l, dann B_E = B_Sp : tan α
    2. B_Sp = 14,3 µT
    3. B_E = 14,3 µT : tan 40° = 17 µT
    Ergebnis:
    17 µT

Vermischte Übungen

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

Üben

  1. ●22
    Bei einem 6 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 aus der Zeichenebene heraus. Punkt P liegt 3 cm über dem Leiter. Wohin zeigt dort das Magnetfeld?
    Strom herausP über dem LeiterB bei P?
    Lösung zeigen
    1. Rechte Hand: Daumen in Stromrichtung, die Finger zeigen den Umlaufsinn.
    2. Strom heraus: gegen den Uhrzeigersinn. Bei P zeigt der Kreis nach links.
    3. Also: nach links
    Ergebnis:
    nach links
  3. ●24
    Ein Leiterstück der Länge l = 5 cm steht senkrecht im Magnetfeld. Bei I = 5 A wirkt die Kraft F = 10 mN. Berechne B in mT.
    Ill = 5 cmI = 5 AF = 10 mNB = ?
    Lösung zeigen
    1. B = F : (I · l)
    2. F = 10 · 10⁻³ N, l = 0,05 m
    3. B = 0,01 N : (5 A · 0,05 m) = 40 mT
    Ergebnis:
    40 mT
  4. ●25
    Ein Leiter der Länge l = 2 cm führt den Strom I = 5 A senkrecht zum Feld B = 50 mT. Berechne die Kraft auf den Leiter in mN.
    Ill = 2 cmI = 5 AB = 50 mTF = ?
    Lösung zeigen
    1. F = I · l · B
    2. l = 0,02 m, B = 0,05 T
    3. F = 5 A · 0,02 m · 0,05 T = 5 mN
    Ergebnis:
    5 mN
  5. ●26
    Eine lange Spule ohne Kern hat N = 200 Windungen und die Länge l = 20 cm. Es fließt I = 2 A. Berechne die Flussdichte innen in mT.
    lIN = 200l = 20 cmI = 2 AB = ?
    Lösung zeigen
    1. B = µ₀ · N · I : l
    2. l = 0,2 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 = 10 mT. Die Windungszahl wird verdreifacht, die Länge halbiert, die Stromstärke bleibt. Berechne die neue Flussdichte.
    lIB = 10 mTN verdreifachtl halbiertB neu = ?
    Lösung zeigen
    1. B = µ₀ · N · I : l
    2. N: mal 3, l: geteilt durch 0,5
    3. B = 10 mT · 3 : 0,5 = 60 mT
    Ergebnis:
    60 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
    Bei einem 30 cm langen Stabmagneten liegen die Feldlinien an den Polen am dichtesten. Was heißt das?
    NSLinien an den Polen dichtFolgerung?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    An den Polen ist die Flussdichte am größten.

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

    29
    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
    Ergebnis:
    20 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 = 200 Windungen und die Länge l = 25 cm. Es fließt I = 3 A. Berechne die Flussdichte innen in mT.
    lIN = 200l = 25 cmI = 3 AB = ?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    3,02 mT

  4. Ich kann Gravitationsfeld, elektrisches und magnetisches Feld vergleichen.

    31
    Probekörper sind eine Masse von 20 kg, eine Ladung von 20 nC und ein Magnet. Welches Feld kann nur anziehen, nie abstoßen?
    Gravitationelektrischmagnetischnur Anziehung?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    das Gravitationsfeld

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

    32
    Zwei parallele Leiter im Abstand 1 cm führen gleichsinnige Ströme von 2 A und 8 A. Was geschieht mit den Leitern?
    I₁I₂I₁ = 2 A, I₂ = 8 AgleichsinnigKraft?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Die Leiter ziehen sich an.

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

    33
    Eine Kompassnadel zeigt nach Norden. Eine Spule erzeugt dort quer dazu B_Sp = 15,9 µT. Die Nadel dreht sich um α = 40°. Berechne die Horizontalkomponente des Erdfelds.
    lIB_Sp = 15,9 µT querα = 40°B_E = ?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    18,9 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. als geschlossene Kreise um den Leiter
  2. als geschlossene Kreise um den Leiter
  3. sehr schwach, die beiden Felder heben sich fast auf
  4. 10 mT
  5. 10 mT
  6. 40 mT
  7. 0,754 mT
  8. 45,3 mT
  9. 2,39 A
  10. 10.000 km/s
  11. 4000 km/s
  12. 2000 km/s
  13. beim magnetischen Feld
  14. auf bewegte Ladungen und Ströme quer zum Feld, auf Magnete
  15. beim Gravitationsfeld und beim elektrischen Feld
  16. Die Leiter ziehen sich an.
  17. Die Leiter ziehen sich an.
  18. Beide verdoppeln sich und bleiben gleich groß.
  19. 20 µT
  20. 18 µT
  21. 17 µT
  22. An den Polen ist die Flussdichte am größten.
  23. nach links
  24. 40 mT
  25. 5 mN
  26. 2,51 mT
  27. 60 mT
  28. An den Polen ist die Flussdichte am größten.
  29. 20 mT
  30. 3,02 mT
  31. das Gravitationsfeld
  32. Die Leiter ziehen sich an.
  33. 18,9 µT