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Physik · Klasse 12 · Kapitel

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Physik Oberstufe: Magnetfeld

  • 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

Die Stromrichtung in einer Spule mit 2000 Windungen wird umgekehrt. Was passiert mit ihrem Feldlinienbild?
Strom umgekehrtFeld?
Schritt für Schritt
  1. Die Richtung des Felds folgt der Stromrichtung (rechte Hand).
  2. Andersherum fließender Strom dreht jede Feldlinie um: Die Pole tauschen.
  3. Also: Gleiches Bild, aber Nord- und Südpol tauschen.
  1. Die Richtung des Felds folgt der Stromrichtung (rechte Hand).
  2. Andersherum fließender Strom dreht jede Feldlinie um: Die Pole tauschen.
  3. Also: Gleiches Bild, aber Nord- und Südpol tauschen.
Ergebnis:
Gleiches Bild, aber Nord- und Südpol tauschen.

AchtungMagnetfeld wie elektrisches Feld gedacht

So nicht
Magnetische Feldlinien beginnen am Nordpol und enden am Südpol.
So richtig
Magnetische Feldlinien sind geschlossen: außen Nord → Süd, innen Süd → Nord

Das Magnetfeld ist anders als das elektrische Feld. Seine Feldlinien sind geschlossen, und es wirkt nur auf bewegte Ladungen und Magnete.

ÜbenJetzt du

  1. ○1
    Die Stromrichtung in einer Spule mit 1200 Windungen wird umgekehrt. Was passiert mit ihrem Feldlinienbild?
    Strom umgekehrtFeld?
    So fängst du an:
    Die Richtung des Felds folgt der Stromrichtung (rechte Hand).
    Lösung zeigen
    1. Die Richtung des Felds folgt der Stromrichtung (rechte Hand).
    2. Andersherum fließender Strom dreht jede Feldlinie um: Die Pole tauschen.
    3. Also: Gleiches Bild, aber Nord- und Südpol tauschen.
    Ergebnis:
    Gleiches Bild, aber Nord- und Südpol tauschen.
  2. ●2
    Wie verlaufen die magnetischen Feldlinien um einen langen, geraden Leiter, durch den 20 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 Draht verläuft von Süden nach Norden genau über einer Kompassnadel. Jetzt wird ein Strom von 4 A eingeschaltet. Was passiert?
    IlDraht von Süd nach NordKompass darunterNadel?
    Lösung zeigen
    1. Der Strom erzeugt ein Magnetfeld, das den Draht umkreist.
    2. Unter dem Draht zeigt es quer zur Drahtrichtung. Es überlagert sich mit dem Erdfeld.
    3. 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

Ein Leiterstück der Länge l = 8 cm steht senkrecht im Magnetfeld. Bei I = 2 A wirkt die Kraft F = 3,2 mN. Berechne B in mT.
Ill = 8 cmI = 2 AF = 3,2 mNB = ?
Schritt für Schritt
  1. B = F : (I · l)
  2. F = 3,2 · 10⁻³ N, l = 0,08 m
  3. B = 0,0032 N : (2 A · 0,08 m) = 20 mT
  1. B = F : (I · l)
  2. F = 3,2 · 10⁻³ N, l = 0,08 m
  3. B = 0,0032 N : (2 A · 0,08 m) = 20 mT
Ergebnis:
20 mT

AchtungDifferenz vergessen

So nicht
v = 60 m : 8 s (ab null gerechnet)
So richtig
v = (60 m − 20 m) : (8 s − 4 s) = 10 m/s

Für die Steigung zählen die Änderungen: um wie viel der Weg in der Zeitspanne zunimmt. Rechne Endwert minus Anfangswert.

ÜbenJetzt du

  1. ○4
    Ein Leiterstück der Länge l = 5 cm steht senkrecht im Magnetfeld. Bei I = 2,5 A wirkt die Kraft F = 25 mN. Berechne B in mT.
    Ill = 5 cmI = 2,5 AF = 25 mNB = ?
    So fängst du an:
    B = F : (I · l)
    Lösung zeigen
    1. B = F : (I · l)
    2. F = 25 · 10⁻³ N, l = 0,05 m
    3. B = 0,025 N : (2,5 A · 0,05 m) = 200 mT
    Ergebnis:
    200 mT
  2. ●5
    Ein Leiterstück der Länge l = 8 cm steht senkrecht im Magnetfeld. Bei I = 2 A wirkt die Kraft F = 24 mN. Berechne B in mT.
    Ill = 8 cmI = 2 AF = 24 mNB = ?
    Lösung zeigen
    1. B = F : (I · l)
    2. F = 24 · 10⁻³ N, l = 0,08 m
    3. B = 0,024 N : (2 A · 0,08 m) = 150 mT
    Ergebnis:
    150 mT
  3. ★6
    Stromwaage mit l = 5 cm: bei I₁ = 2 A zeigt der Kraftmesser 11,5 mN, bei I₂ = 5 A 26,5 mN. Bestimme B aus der Steigung.
    Ill = 5 cmI₁ = 2 A: 11,5 mNI₂ = 5 A: 26,5 mNB = ?
    Lösung zeigen
    1. B = ΔF : (ΔI · l)
    2. ΔF = 15 mN, ΔI = 3 A, l = 0,05 m
    3. B = 15 · 10⁻³ N : (3 A · 0,05 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

Eine lange Spule ohne Kern hat N = 1200 Windungen und die Länge l = 15 cm. Es fließt I = 2 A. Berechne die Flussdichte innen in mT.
lIN = 1200l = 15 cmI = 2 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 = 2,01 · 10⁻² T = 20,1 mT
  1. B = µ₀ · N · I : l
  2. l = 0,15 m, µ₀ = 1,257 · 10⁻⁶ V·s/(A·m)
  3. B = 2,01 · 10⁻² T = 20,1 mT
Ergebnis:
20,1 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

Die Angaben passen noch nicht zusammen. Rechne zuerst in die Einheiten der Formel um, dann setz ein.

ÜbenJetzt du

  1. ○7
    Eine lange Spule ohne Kern hat N = 800 Windungen und die Länge l = 40 cm. Es fließt I = 1,5 A. Berechne die Flussdichte innen in mT.
    lIN = 800l = 40 cmI = 1,5 AB = ?
    So fängst du an:
    B = µ₀ · N · I : l
    Lösung zeigen
    1. B = µ₀ · N · I : l
    2. l = 0,4 m, µ₀ = 1,257 · 10⁻⁶ V·s/(A·m)
    3. B = 3,77 · 10⁻³ T = 3,77 mT
    Ergebnis:
    3,77 mT
  2. ●8
    Eine lange Spule ohne Kern hat N = 800 Windungen und die Länge l = 50 cm. Es fließt I = 2 A. Berechne die Flussdichte innen in mT.
    lIN = 800l = 50 cmI = 2 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 = 4,02 · 10⁻³ T = 4,02 mT
    Ergebnis:
    4,02 mT
  3. ★9
    Eine lange Spule mit N = 800 Windungen und l = 10 cm soll innen B = 10 mT erzeugen. Berechne die nötige Stromstärke.
    lIN = 800l = 10 cmB = 10 mTI = ?
    Lösung zeigen
    1. I = B · l : (µ₀ · N)
    2. B = 0,01 T, l = 0,1 m
    3. I = 0,01 T · 0,1 m : (1,257 · 10⁻⁶ V·s/(A·m) · 800) = 0,994 A
    Ergebnis:
    0,994 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 = 5 mT fliegt, wirkt die Lorentzkraft F = 4,01 · 10⁻¹⁵ N. Berechne seine Geschwindigkeit in km/s.
vein ElektronB = 5 mTF = 4,01 · 10⁻¹⁵ Nv = ?
Schritt für Schritt
  1. v = F : (e · B)
  2. B = 0,005 T, e = 1,602 · 10⁻¹⁹ C
  3. v = 5,01 · 10⁶ m/s = 5010 km/s
  1. v = F : (e · B)
  2. B = 0,005 T, e = 1,602 · 10⁻¹⁹ C
  3. v = 5,01 · 10⁶ m/s = 5010 km/s
Ergebnis:
5010 km/s

AchtungLadung des Teilchens übersehen

So nicht
Heliumkern durch 5 kV: W = 5 keV
So richtig
Heliumkern mit Q = 2e durch 5 kV: W = 2 · 5 keV = 10 keV

Nicht jedes Teilchen trägt genau eine Elementarladung. Ein Heliumkern trägt 2e, ein Tröpfchen ein Vielfaches.

ÜbenJetzt du

  1. ○10
    Auf ein Proton, das senkrecht zum Feld B = 10 mT fliegt, wirkt die Lorentzkraft F = 3,2 · 10⁻¹⁵ N. Berechne seine Geschwindigkeit in km/s.
    vein ProtonB = 10 mTF = 3,2 · 10⁻¹⁵ Nv = ?
    So fängst du an:
    v = F : (e · B)
    Lösung zeigen
    1. v = F : (e · B)
    2. B = 0,01 T, e = 1,602 · 10⁻¹⁹ C
    3. v = 2 · 10⁶ m/s = 2000 km/s
    Ergebnis:
    2000 km/s
  2. ●11
    Auf ein Proton, das senkrecht zum Feld B = 2 mT fliegt, wirkt die Lorentzkraft F = 1,6 · 10⁻¹⁶ N. Berechne seine Geschwindigkeit in km/s.
    vein ProtonB = 2 mTF = 1,6 · 10⁻¹⁶ Nv = ?
    Lösung zeigen
    1. v = F : (e · B)
    2. B = 0,002 T, e = 1,602 · 10⁻¹⁹ C
    3. v = 4,99 · 10⁵ m/s = 499 km/s
    Ergebnis:
    499 km/s
  3. ★12
    Auf einen Heliumkern mit der Ladung 2e, der senkrecht zum Feld B = 2 mT fliegt, wirkt die Lorentzkraft F = 3,2 · 10⁻¹⁶ N. Berechne seine Geschwindigkeit in km/s.
    vHeliumkernB = 2 mTF = 3,2 · 10⁻¹⁶ Nv = ?
    Lösung zeigen
    1. v = F : (2e · B)
    2. B = 0,002 T, e = 1,602 · 10⁻¹⁹ C
    3. v = 4,99 · 10⁵ m/s = 499 km/s
    Ergebnis:
    499 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

Mit Probekörpern von 4 kg, 4 nC und 4 A Strom: Wie ist die Stärke der drei Felder jeweils festgelegt?
GravitationelektrischmagnetischDefinition je Feld?
Schritt für Schritt
  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)
  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)

AchtungLorentzkraft ändere den Betrag der Geschwindigkeit

So nicht
Die Lorentzkraft macht das Elektron schneller.
So richtig
F senkrecht zu v → W = 0 J: Richtung ändert sich, Betrag bleibt

Die Lorentzkraft steht immer senkrecht zur Bewegung. Sie lenkt das Teilchen um, schneller oder langsamer wird es nicht.

ÜbenJetzt du

  1. ○13
    Mit Probekörpern von 8 kg, 8 nC und 8 A Strom: Wie ist die Stärke der drei Felder jeweils festgelegt?
    GravitationelektrischmagnetischDefinition je Feld?
    So fängst du an:
    Feldstärke ist Kraft je Eigenschaft des Probekörpers.
    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)
  2. ●14
    Ein Elektron ruht zwischen den Polen eines Hufeisenmagneten mit 50 mT. Was passiert?
    vElektron ruhtKraft?
    Lösung zeigen
    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
  3. ★15
    Ein Proton fliegt durch ein elektrisches Feld von 8 kV/m und ein Magnetfeld von 8 mT. Welches Feld kann seine Bewegungsenergie ändern?
    +−E-Feld und B-FeldEnergie ändert?
    Lösung zeigen
    1. Energie ändert sich nur, wenn die Kraft Arbeit verrichtet.
    2. Die elektrische Kraft kann längs des Wegs wirken, die Lorentzkraft nie.
    3. Also: nur das elektrische Feld
    Ergebnis:
    nur das elektrische 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 10 cm führen gegensinnige Ströme von 2 A und 4 A. Was geschieht mit den Leitern?
I₁I₂I₁ = 2 A, I₂ = 4 AgegensinnigKraft?
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 von Leiter 1 weg.
  3. Also: Die Leiter stoßen sich ab.
  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.

AchtungKräfte zwischen Strömen wie zwischen Ladungen gedacht

So nicht
gleichsinnige Ströme: stoßen sich ab wie gleiche Ladungen
So richtig
gleichsinnig → Anziehung; gegensinnig → Abstoßung

Gleichsinnige Ströme ziehen sich an, gegensinnige stoßen sich ab. Die Kraft kommt vom Magnetfeld des anderen Leiters.

ÜbenJetzt du

  1. ○16
    Zwei parallele Leiter im Abstand 3 cm führen gegensinnige Ströme von 2 A und 4 A. Was geschieht mit den Leitern?
    I₁I₂I₁ = 2 A, I₂ = 4 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 5 cm führen gegensinnige Ströme von 10 A und 4 A. Was geschieht mit den Leitern?
    I₁I₂I₁ = 10 A, I₂ = 4 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 mit 5 A und 2 A sind 5 cm voneinander entfernt. Der Abstand wird vergrößert. Was passiert mit der Kraft?
    I₁I₂I₁ = 5 A, I₂ = 2 Ad = 5 cm wird größerKraft?
    Lösung zeigen
    1. Das Feld eines geraden Leiters wird mit dem Abstand schwächer.
    2. Weiter weg ist B kleiner, also auch F = I · l · B.
    3. Also: Die Kraft wird kleiner, das Feld des anderen Leiters ist dort schwächer.
    Ergebnis:
    Die Kraft wird kleiner, das Feld des anderen Leiters ist dort schwächer.

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 = 20 µT. Die Nadel dreht sich um α = 45°. Berechne die Horizontalkomponente des Erdfelds.
lIB_Sp = 20 µT querα = 45°B_E = ?
Schritt für Schritt
  1. tan α = B_Sp : B_E
  2. B_E = B_Sp : tan α = 20 µT : tan 45°
  3. B_E = 20 µT
  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

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 der Pfeile. Gegenkathete zum Winkel durch Ankathete ist der Tangens, Gegenkathete durch Hypotenuse der Sinus.

ÜbenJetzt du

  1. ○19
    Eine Kompassnadel zeigt nach Norden. Eine Spule erzeugt dort quer dazu B_Sp = 16,8 µT. Die Nadel dreht sich um α = 40°. Berechne die Horizontalkomponente des Erdfelds.
    lIB_Sp = 16,8 µT querα = 40°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 = 16,8 µT : tan 40°
    3. B_E = 20 µT
    Ergebnis:
    20 µT
  2. ●20
    Eine Kompassnadel zeigt nach Norden. Eine Spule erzeugt dort quer dazu B_Sp = 12,6 µT. Die Nadel dreht sich um α = 35°. Berechne die Horizontalkomponente des Erdfelds.
    lIB_Sp = 12,6 µT querα = 35°B_E = ?
    Lösung zeigen
    1. tan α = B_Sp : B_E
    2. B_E = B_Sp : tan α = 12,6 µT : tan 35°
    3. B_E = 18 µT
    Ergebnis:
    18 µT
  3. ★21
    Spule mit N = 25, l = 25 cm und I = 113 mA quer zum Erdfeld: Eine Kompassnadel dreht sich um α = 40°. Bestimme die Horizontalkomponente des Erdfelds.
    lIN = 25, l = 25 cmI = 113 mAα = 40°B_E = ?
    Lösung zeigen
    1. B_Sp = µ₀ · N · I : l, dann B_E = B_Sp : tan α
    2. B_Sp = 14,2 µT
    3. B_E = 14,2 µT : tan 40° = 16,9 µT
    Ergebnis:
    16,9 µT

Vermischte Übungen

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

Üben

  1. ●22
    Durch einen langen Leiter fließt Strom aus der Zeichenebene heraus. Punkt P liegt 1 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
  2. ●23
    Ein Leiterstück der Länge l = 2 cm steht senkrecht im Magnetfeld. Bei I = 1 A wirkt die Kraft F = 0,5 mN. Berechne B in mT.
    Ill = 2 cmI = 1 AF = 0,5 mNB = ?
    Lösung zeigen
    1. B = F : (I · l)
    2. F = 0,5 · 10⁻³ N, l = 0,02 m
    3. B = 0,0005 N : (1 A · 0,02 m) = 25 mT
    Ergebnis:
    25 mT
  3. ●24
    Ein Leiter der Länge l = 2 cm führt den Strom I = 2,5 A senkrecht zum Feld B = 50 mT. Berechne die Kraft auf den Leiter in mN.
    Ill = 2 cmI = 2,5 AB = 50 mTF = ?
    Lösung zeigen
    1. F = I · l · B
    2. l = 0,02 m, B = 0,05 T
    3. F = 2,5 A · 0,02 m · 0,05 T = 2,5 mN
    Ergebnis:
    2,5 mN
  4. ●25
    Eine lange Spule ohne Kern hat N = 1000 Windungen und die Länge l = 40 cm. Es fließt I = 1 A. Berechne die Flussdichte innen in mT.
    lIN = 1000l = 40 cmI = 1 AB = ?
    Lösung zeigen
    1. B = µ₀ · N · I : l
    2. l = 0,4 m, µ₀ = 1,257 · 10⁻⁶ V·s/(A·m)
    3. B = 3,14 · 10⁻³ T = 3,14 mT
    Ergebnis:
    3,14 mT
  5. ●26
    In einer langen Spule herrscht B = 8 mT. Die Windungszahl wird verdreifacht, die Länge verdoppelt, die Stromstärke bleibt. Berechne die neue Flussdichte.
    lIB = 8 mTN verdreifachtl verdoppeltB neu = ?
    Lösung zeigen
    1. B = µ₀ · N · I : l
    2. N: mal 3, l: geteilt durch 2
    3. B = 8 mT · 3 : 2 = 12 mT
    Ergebnis:
    12 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.

AchtungRichtungsregel der rechten Hand falsch angewandt

So nicht
Strom aus der Ebene heraus: Feld im Uhrzeigersinn
So richtig
Strom heraus → Daumen zu dir → Feld gegen den Uhrzeigersinn

Rechte Hand: Daumen in Stromrichtung. Die gekrümmten Finger zeigen, wie das Feld um den Leiter läuft.

AchtungKraft im Magnetfeld längs der Feldlinien gedacht

So nicht
Lorentzkraft zeigt in Richtung der magnetischen Feldlinien
So richtig
F = Q · v · B steht senkrecht zu v und zu B

Im Magnetfeld steht die Kraft senkrecht zur Feldlinie und senkrecht zur Geschwindigkeit, nicht längs.

AchtungVorzeichen der Ladung bei der Lorentzkraft übersehen

So nicht
Elektron: Kraft wie für ein Proton bestimmt
So richtig
Elektron: Richtung für Plus bestimmen → umkehren

Die Drei-Finger-Regel der rechten Hand gilt für positive Ladungen. Bei Elektronen kehrt sich die Kraft um.

AchtungMagnetfeld wirke auf ruhende Ladung

So nicht
Ein ruhendes Elektron wird vom Nordpol angezogen.
So richtig
v = 0: F = Q · v · B = 0, keine Kraft

Ein Magnetfeld wirkt nur auf bewegte Ladungen. Ruht die Ladung, ist die Lorentzkraft 0.

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

Bei gleicher Windungszahl verteilen sich die Windungen auf mehr Länge. Das Feld innen wird schwächer: l steht im Nenner.

AchtungWinkel zwischen v und B vergessen

So nicht
r = m · v : (e · B) bei schrägem Eintritt
So richtig
r = m · v · sin α : (e · B): nur der Anteil quer zu B zählt

Nur der Anteil der Geschwindigkeit quer zu B erzeugt die Lorentzkraft. Nimm v · sin α.

AchtungFeldlinien als echte Fäden

So nicht
Zwischen den Feldlinien ist kein Magnetfeld.
So richtig
zwischen zwei Linien → der Kompass zeigt trotzdem eine Richtung, das Feld ist überall

Feldlinien sind ein Modell. Das Feld gibt es überall, auch zwischen den Linien. Dichte Linien heißen starkes Feld.

AchtungDichte der Feldlinien falsch gedeutet

So nicht
Bei B ist mehr Platz zwischen den Linien, dort ist das Feld stärker.
So richtig
Linien bei A dichter → Feldstärke E_A > E_B

Je dichter die Feldlinien liegen, desto stärker ist das Feld. Weit auseinander heißt schwach.

AchtungFeldlinie als Bahn gelesen

So nicht
Das Elektron fliegt im Kondensator auf der Feldlinie zur Platte.
So richtig
Feldlinie → Richtung der Kraft; quer hineingeflogen → gekrümmte Bahn wie beim waagerechten Wurf

Eine Feldlinie zeigt die Richtung der Kraft, nicht die Bahn. Wohin das Teilchen fliegt, hängt auch von seiner Geschwindigkeit ab.

AchtungPole verwechselt

So nicht
Nordpol und Nordpol ziehen sich an.
So richtig
Nordpol und Nordpol → Abstoßung, Nordpol und Südpol → Anziehung

Gleichnamige Pole stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an. Eisen wird von beiden Polen angezogen.

AchtungFelder ohne Richtung überlagert

So nicht
E₁ = 30 kN/C nach rechts, E₂ = 20 kN/C nach links: E = 50 kN/C
So richtig
entgegengesetzt: E = 30 kN/C − 20 kN/C = 10 kN/C nach rechts

Feldstärken sind Pfeile. Sie addieren sich mit ihrer Richtung: gleiche Richtung addieren, Gegenrichtung abziehen, senkrecht mit dem Pythagoras.

AchtungDer Größere drückt stärker

So nicht
Lastwagen und Auto stoßen zusammen: Der Lastwagen drückt stärker.
So richtig
Lastwagen auf Auto = Auto auf Lastwagen. Das leichte Auto wird stärker beschleunigt: a = F : m.

Kraft und Gegenkraft sind immer gleich groß. Verschieden ist nur die Wirkung: Der leichtere Körper wird stärker beschleunigt.

AchtungGrößen verwechselt

So nicht
Masse = 50 N
So richtig
Masse m = 5 kg, Gewichtskraft F = 50 N

Hier sind zwei Größen vertauscht. Schreib zuerst auf: Gegeben ist …, gesucht ist … – mit Formelzeichen.

AchtungUmrechnungszahl falsch

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

Die Umrechnungszahl stimmt nicht. k heißt 1000, m (milli) heißt ein Tausendstel. Bei cm² sind es 10 000 für einen m².

AchtungFormel falsch umgestellt

So nicht
V = ρ · m
So richtig
ρ = m : V   | · V   | : ρ   →   V = m : ρ

Stell die Formel wie eine Gleichung um: Auf beiden Seiten dasselbe tun, bis die gesuchte Größe allein steht.

AchtungZwischenergebnis als Antwort

So nicht
Gesamtwiderstand gesucht, Antwort: I = 0,5 A
So richtig
erst I = 0,5 A, dann weiter bis zur gesuchten Größe

Das ist ein richtiger Zwischenschritt. Lies noch einmal, was gesucht ist, und rechne weiter.

AchtungEinheit vergessen

So nicht
ρ = 54 : 20 = 2,7
So richtig
ρ = 54 g : 20 cm³ = 2,7 g/cm³

Deine Zahl stimmt – aber eine Größe ist Zahl und Einheit. Schreib die Einheit dazu.

Wörter

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

Wie es zusammenhängt

Das brauchst du vorher: Vektoren im Raum

Lösungen

  1. Gleiches Bild, aber Nord- und Südpol tauschen.
  2. als geschlossene Kreise um den Leiter
  3. Die Nadel dreht sich deutlich quer zum Draht.
  4. 200 mT
  5. 150 mT
  6. 100 mT
  7. 3,77 mT
  8. 4,02 mT
  9. 0,994 A
  10. 2000 km/s
  11. 499 km/s
  12. 499 km/s
  13. g = F : m, E = F : Q, B = F : (I · l)
  14. nichts, auf eine ruhende Ladung wirkt keine Lorentzkraft
  15. nur das elektrische Feld
  16. Die Leiter stoßen sich ab.
  17. Die Leiter stoßen sich ab.
  18. Die Kraft wird kleiner, das Feld des anderen Leiters ist dort schwächer.
  19. 20 µT
  20. 18 µT
  21. 16,9 µT
  22. nach links
  23. 25 mT
  24. 2,5 mN
  25. 3,14 mT
  26. 12 mT