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| − | ==Leere Seite==
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| − | __NOTOC__
| + | ==Das Potential im elektrischen Stromkreis== |
| − | ==Magnetfelder um Ströme (Ampèrsches Gesetz)== | + | |
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| − | =====Magnetfeld von Kabel und Spule===== | + | ====Übertragung des Drucks im Wasserstromkreis auf den elektrischen Stromkreis==== |
| − | Zeichnen Sie jeweils einige Feldlinien und Flächen ein.
| + | Der Druck im Wasserstromkreis entspricht dem elektrischen Potential <math>\varphi</math>. Es wird in Volt (nach [https://de.wikipedia.org/wiki/Alessandro_Volta Alessandro Volta] 1745-1827) gemessen. |
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| − | <gallery widths=320px heights=240px perrow=2>
| + | {|class="wikitable" style="border-style: solid; border-width: 4px " |
| − | Bild:Magnetfeld Kabel rein ohneFeld.png|a) Ein stromdurchflossenes Kabel.
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| − | Bild:Spule weit 4Windungen nur Kabel.png|b) Eine stromdurchflossene Spule.
| + | *Die Batterie erzeugt hinter sich ein hohes Potential und vor sich ein geringes Potential. |
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| + | *Dieser Potentialunterschied treibt den elektrischen Strom an. Die Elektrizität fließt vom hohen Potential zum niedrigen Potential. |
| | + | *Bei einer Verzweigung ändert sich das Potential nie! |
| | + | *Bei einem Lämpchen (oder einem anderem Widerstand) kann das Potential abfallen. |
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| − | =====Magnetische Feldstärke===== | + | ====Messen des Potentialunterschiedes: die Spannung <math>U</math>==== |
| − | :a) Wie wurde die schwere, elektrische und magnetische Feldstärke bereits mit Hilfe einer Probeladung definiert?
| + | Wie misst man das Potential an einer Stelle eines Stromkreises? Verbindet man mit einem Kabel ein sogenanntes Voltmeter mit der Stelle, so passiert nichts! Man benötigt auch noch ein zweites Kabel. Das Voltmeter kann nämlich nur Potential''unterschiede'' zwischen zwei Stellen messen! |
| − | :b) Warum ist diese Festlegung im elektrischen und schweren Fall praktikabel, aber im magnetischen Fall nicht?
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| − | :c) Wie wird daher die magnetische Feldstärke definiert?
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| − | =====Feldstärken berechnen=====
| + | Deswegen legt man das Potential einer beliebigen Stelle als neutral, also <math>0\,\rm V</math> , fest. An diese Stelle wird eines der beiden Kabel gesteckt. Steckt man das andere Kabel an eine andere Stelle, so zeigt das Voltmeter den Unterschied zu <math>0\,\rm V</math> , also das dortige Potential, an. |
| − | :a) Eine Spule ist 60cm lang, hat einen Durchmesser von 15cm und 2000 Windungen. Es fließt ein Strom der Stärke 300mA durch das Kabel.
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| − | :Berechnen Sie die magnetische Feldstärke innerhalb der Spule.
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| − | :b) Ist es egal, ob die Spule einen Durchmesser von 15cm oder von 30cm hat?
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| − | :c) Durch ein Kabel fließt ein Strom mit der Stärke von 20 Ampère.
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| − | :Berechnen Sie die magnetische Feldstärke in einem Abstand von 1cm, 2cm und 3cm vom Kabel.
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| − | =====Horizontalkomponente des Erdmagnetfeldes=====
| + | [[Datei:Stromkreis Spannungsmessung Voltmeter.png|465px]] |
| − | [[Datei:Erdmagnetfeld_Feldlinien.png|thumb|100px]] | + | |
| − | [[Datei:Inklinationsbussole_Komponentenpfeile.png|thumb|100px|Ein Inklinationskompass mit eingezeichneten Komponenten des Erdmagnetfeldes.]]
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| − | Die Feldlinien des Erdmagnetfeldes verlaufen nur am Äquator parallel zur Erdoberfläche und in geographischer Süd-Nord-Richtung. In Deutschland bilden die Feldlinien mit dem Erdboden einen sogenannten [https://de.wikipedia.org/wiki/Inklination_(Magnetismus) Inklinationswinkel] von ungefähr 64°. Die horizontale Komponente ist also in Deutschland kleiner als die senkrecht in den Boden weisende, vertikale Komponente.
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| − | Mit Hilfe einer Spule und eines Kompasses kann man relativ einfach die horizontale Komponente des Erdmagnetfeldes messen. Dazu legt man die Spule in West-Ost-Richtung auf einen Tisch und stellt einen Kompass in die Spule, der sich dann nach Norden ausrichtet. Jetzt läßt man genau soviel Strom durch die Spule fließen, bis die Kompassnadel entweder nach Nord-Ost oder nach Nord-West zeigt. (Wovon hängt das ab?)
| + | {|class="wikitable" style="border-style: solid; border-width: 4px " |
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| − | :a) Die Spule ist 30cm lang und hat 100 Windungen. Bei einer Stromstärke von 48mA zeigt die Nadel genau nach Nord-Ost. Berechnen Sie daraus die Horizontalkomponente. | + | *Ein Voltmeter kann nur den Potentialunterschied <math>\Delta \varphi</math> messen. Er heißt "Spannung" (<math>U</math>) und wird auch in Volt gemessen. |
| − | :b) Berechnen Sie mit Hilfe des Inklinationswinkels von 64° auch die vertikale Komponente und die gesamte Feldstärke des Erdmagnetfeldes. | + | *Das Potential <math>0\,\rm V</math> kann man an eine beliebige Stelle legen. Meistens ist es der Minuspol ("Masse" oder "Erde"). |
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| − | ==Kraftwirkung auf elektrische Stöme im Magnetfeld==
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| − | ===Lorentzkraft auf Probeströme im Feld===
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| − | =====Richtung der Lorentzkraft=====
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| − | Ein stromdurchflossenes Kabel befindet sich in einem homogenen Magnetfeld. Die (technische) Stromrichtung ist mit einem gelben Pfeil gekennzeichnet, die Feldlinienrichtung mit einem roten und die Richtung der Kraft mit einem blauen Pfeil. | + | |
| − | *Ergänzen Sie in den Zeichnungen die fehlende Kraft-, Strom oder Feldlinienrichtung in der entsprechenden Farbe.
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| − | <gallery widths=180px heights=180px perrow=4 > | + | |
| − | Bild:Aufgabe_Drei-Finger-Regel_a.png
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| − | Bild:Aufgabe_Drei-Finger-Regel_b.png
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| − | Bild:Aufgabe_Drei-Finger-Regel_c.png
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| − | Bild:Aufgabe_Drei-Finger-Regel_d.png
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| − | Bild:Aufgabe_Drei-Finger-Regel_e.png
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| − | Bild:Aufgabe_Drei-Finger-Regel_f.png
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| − | =====Kraft zwischen (anti-)parallelen Strömen II=====
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| − | [[Datei:Magnetfeld_zwei_Kabel_rein.png|thumb|right|320px]]
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| − | Dargestellt ist der senkrechte Schnitt durch zwei parallele Kabel und die Stromrichtungen.
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| − | Die Kabel sind 3cm voneinander entfernt und einen halben Meter lang. (Die Dicke der Kabel wird vernachlässigt.) Durch das linke Kabel fließt ein Strom der Stärke von 20 Ampère, durch das rechte ein Strom der Stärke von 3 Ampère.
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| − | <br/>Um die Kraftwirkung auf das rechte Kabel zu berechnen, betrachtet man den rechten Strom als Probestrom im Feld des linken Kabels. | + | |
| − | :a) Zeichen Sie einige Feldlinien des Magnetfeldes des ''linken'' Kabels ein.
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| − | :b) Bestimmen Sie mit der Drei-Finger-Regel die Richtung der Lorentzkraft auf den rechten Strom und zeichnen Sie die Kraftrichtung ein.
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| − | :c) Berechnen Sie die Feldstärke des linken Magnetfeldes an der Stelle, an der sich das rechte Kabel befindet.
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| − | :d) Berechnen Sie nun die Lorentzkraft auf den rechten Leiter.
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| − | :e) Berechnen Sie nach der gleichen Methode die Lorentzkraft auf den linken Leiter. Überrascht Sie das Ergebnis?
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| − | <br style="clear: both" /> | + | |
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| − | =====Definition des Ampères=====
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| − | Die Einheit der elektrischen Stromstärke, das Ampère, ist eine der sieben Basiseinheiten des [https://de.wikipedia.org/wiki/Internationales_Einheitensystem internationalen Einheitensystems (SI)]. Alle weiteren Einheiten lassen sich auf diese sieben Basiseinheiten zurückführen. Mit Hilfe von sieben mehr oder weniger praktikablen Messvorschriften wird jeweils eine Einheit festgelegt. Die [https://www.ptb.de/cms/ptb/fachabteilungen/abt2/fb-26/ag-261/diestromstrkeeinheitampere.html Definition des Ampères] lautet (noch bis ca. 2018):
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| − | [[Datei:Definition_Ampere.png|thumb]]
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| − | :{|
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| − | Das Ampere ist die Stärke eines konstanten elektrischen Stromes, der, durch zwei parallele, geradlinige, unendlich lange und im Vakuum im Abstand von einem Meter voneinander angeordnete Leiter von vernachlässigbar kleinem, kreisförmigem Querschnitt fließend, zwischen diesen Leitern je einem Meter Leiterlänge die Kraft <math>2 \!\cdot\! 10^{–7}</math> Newton hervorrufen würde. | + | |
| | |} | | |} |
| − | Die Festlegung des Ampères gehört offensichtlich zu den nicht praktikablen Festlegungen. Aber wieso diese scheinbar willkürliche Kraft von <math>2 \!\cdot\! 10^{–7}</math> Newton pro Meter?
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| − | :Berechnen Sie dazu die Kraft, die auf ein ein Meter langes Teilstück dieser "unendlich" langen Leiter ausgeübt wird. (Vergleiche dazu die Aufgabe "Kraft zwischen (anti-)parallelen Strömen II"!)
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| − | =====Feldstärkemessung mit Probestrom=====
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| − | [[Datei:Elektro_Magnet_mit_Polen_Linien_Flächen.jpg|thumb||Ein schon älteres Modell eines Elektromagneten mit eingezeichneten Polen, Feldlinien und Flächen.]]
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| − | Um die magnetische Feldstärke eines Elektromagneten zu messen, hängt man ein 2cm langes Leiterstück senkrecht zu den Feldlinien in das Magnetfeld und misst die darauf wirkende Lorentzkraft. Bei einer Stromstärke von 20A bestimmt man die Kraftwirkung zu 35mN.
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| − | :Berechnen Sie die Feldstärke des Magnetfeldes.
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| − | <br style="clear: both" />
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| − | =====Kabel im Erdmagnetfeld=====
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| − | Das Erdmagnetfeld hat in Deutschland eine Stärke von ca. 40A/m. (Das entspricht ca. 50 mikroTesla.)
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| − | :a) Welche Kraft erfährt ein Stromkabel, dass von 20A durchflossen wird und 1m lang ist maximal?
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| − | :b) Wie muss man das Kabel ausrichten, um die wirkende Kraft möglichst groß oder möglichst klein zu haben?
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| − | ===Lorentzkraft auf bewegte Ladungen im Magnetfeld===
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| − | =====Flugbahnen=====
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| − | Die geladenen Teilchen bewegen sich auf ein begrenztes und homogenes Magnetfeld zu.
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| − | :a) in welche Richtung wirkt beim Eintauchen in das Magnetfeld die Lorentzkraft?
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| − | :b) Beschreiben Sie die Bahnkurve der Teilchen nach dem Eintauchen und skizzieren Sie eine mögliche in der Zeichnung.
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| − | =====Sonnenwind trifft auf das Erdmagnetfeld=====
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| − | [[Datei:Erdmagnetfeld_mit_Sonnenwind.jpg|thumb|Eine künstlerische Darstellung des Erdmagnetfeldes und des Sonnenwindes.]]
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| − | Der sogenannte "Sonnenwind" besteht aus schnellen, elektrisch positiv oder negativ geladenen Teilchen, die von der Sonne ausgesendet werden. In der Zeichnung sind vier Teilchen und deren Bewegungsrichtung eingezeichnet.
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| − | :Kennzeichnen Sie die Kraftrichtung auf die Teilchen mit einem Pfeil.
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| − | :Erklären Sie wie sich die Bahn der Teilchen durch das Erdmagnetfeld ändert.
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| − | =====Hall-Sonde=====
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| − | *Erklären Sie die prinzipielle Funktionsweise einer Hall-Sonde.
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| − | ==[[Aufgaben zum Elektro-Magnetismus (Lösungen)|Lösungen]]==
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