Kräfte im Magnetfeld

Kräfte im Magnetfeld Übung

• Nenne eine Definition des Magnetfeldes.

  Tipps

  Das Magnetfeld ist ein Raum, in dem eine magnetische Kraft wirken kann.

  Kräfte verursachen eine Bewegungsänderung oder Formänderung an Körpern oder geladenen Teilchen.

  Lösung

  Der Raum um den Magneten, in dem seine magnetische Kraft wirkt, nennt man magnetisches Feld. Die magnetische Kraft in dem Feld übt eine magnetisierbare Kraft auf magnetische Stoffe und bewegte Ladungen aus.

  
  

  • Das Magnetfeld ist ein physikalisches Feld, das magnetische Kräfte auf magnetisierbare Körper und bewegte elektrische Ladungen ausübt.

  $\implies$ Diese Antwort ist richtig.

  
  

  • Das Magnetfeld ist ein physikalisches Feld, das magnetische Kräfte auf nicht magnetisierbare Körper ausübt.

  $\implies$ Diese Antwort ist falsch.

  
  

  • Das Magnetfeld ist ein physikalisches Feld, in dem das Licht gebündelt wird.

  $\implies$ Diese Antwort ist falsch.

  
  

  • Das Magnetfeld ist ein physikalisches Feld, in dem die Lufttemperatur sinkt.

  $\implies$ Diese Antwort ist falsch.

• Beschreibe die Lorentzkraft.

  Tipps

  Die Lorentzkraft ist eine Kraft im magnetischen Feld, die eine Bewegungsänderung auf geladene Teilchen bewirkt.

  Die Richtung der Lorentzkraft ist abhängig von der Richtung des Magnetfeldes und der Bewegungsrichtung der geladenen Teilchen.

  Lösung

  Die Lorentzkraft ist eine Kraft, die auf ein elektrisch geladenes Teilchen wirkt, wenn es sich in einem magnetischen Feld bewegt.

  Die Richtung der Lorentzkraft steht senkrecht sowohl zur Bewegungsrichtung des Teilchens als auch zum Magnetfeld und kann durch die sogenannte Linke-/Rechte-Hand-Regel bestimmt werden.

• Bestimme die Richtung der Lorentzkraft.

  Tipps

  Die Magnetfeldlinien verlaufen vom Nordpol zum Südpol. Hier in unserem Beispiel ist der Nordpol rot und der Südpol grün dargestellt.

  Die Richtung der Lorentzkraft kannst du mithilfe der Linken-Hand-Regel oder Rechten-Hand-Regel bestimmen.

  Die Linke-Hand-Regel beschreibt die physikalische Stromrichtung und die Rechte-Hand-Regel die technische Stromrichtung.

  Lösung

  Die Lorentzkraft ist die Kraft, die auf eine bewegte Ladung in einem Magnetfeld wirkt. Sie ist senkrecht zur Bewegungsrichtung der Ladung und zum Magnetfeld. Die Richtung kann durch die Linke-Hand-Regel oder Rechte-Hand-Regel bestimmt werden.

  
  

  Hier ist eine kurze Erklärung, wie die Richtung der Lorentzkraft mit der Linken-Hand-Regel bestimmt wird:

  1. Daumen: Strecke deinen Daumen in die Richtung des Stromflusses im Leiter aus. Die Linke-Hand-Regel wird bei der physikalischen Stromrichtung verwendet, also in Richtung vom Minuspol zum Pluspol (von $–$ nach $+$).

  2. Zeigefinger: Strecke deinen Zeigefinger in die Richtung des Magnetfeldes. Dieses verläuft vom Nordpol zum Südpol. Der Nordpol wird in dem Beispiel rot dargestellt und der Südpol grün.

  3. Mittelfinger: Der Mittelfinger zeigt dann die Richtung der Lorentzkraft.

  Ist der Daumen in die Richtung des Stromflusses im Leiter, der Zeigefinger in die Richtung des Magnetfeldes und der Mittelfinger senkrecht zu beiden, zeigt der Mittelfinger die Richtung der Lorentzkraft.

• Berechne die wirkende Lorentzkraft.

  Tipps

  Wenn auf einen von einem Strom der Stärke $I$ durchflossenen Leiter, der mit der Länge $l$ in einem Magnetfeld ist, die Kraft $F$ wirkt, dann ist die Stärke $B$ des Magnetfeldes definiert durch:

  $B=\dfrac{F}{I \cdot l}$

  Passe die Einheiten an: Rechne $\pu{\mu T}$ in $\pu{T}$ um und $\pu{cm}$ in $\pu{m}$ um.

  Um die Lorentzkraft $F$ zu berechnen, muss die Formel nach $F$ umgestellt werden.

  Lösung

  Um die Lorentzkraft berechnen zu können, benötigen wir die magnetische Flussdichte $B$, die Stromstärke $I$ und die Länge des Leiters $l$.

  Folgende Informationen sind gegeben:

  • magnetische Flussdichte: $B=\pu{60 \mu T}=\pu{6\cdot 10^{-5} T}$
  • Stromstärke: $I=\pu{5A}$
  • Länge des Leiters: $l=\pu{20cm}=\pu{0,2m}$

  Zunächst gilt für die magnetische Flussdichte:

  $B=\dfrac{F}{l\cdot I}$

  Für die Berechnung der Lorentzkraft $F$ stellen wir die Formel durch Multiplizieren von $l$ und $I$ nach $F$ um:

  $B=\dfrac{F}{l\cdot I}~\Leftrightarrow~F=B\cdot l\cdot I$

  Jetzt können wir die gegebenen Werte einsetzen und die Lorentzkraft $F$ berechnen:

  $F=B\cdot l\cdot I=\pu{6\cdot 10^{-5} T}\cdot \pu{0,2m}\cdot \pu{5A}= 0{,}00006~\text{N}$

  Die Lorentzkraft in einem stromdurchflossenen Leiter im magnetischen Feld beträgt somit:

  $F= 0{,}00006~\text{N} = \pu{60 \mu N}$

• Nenne einen Grund, warum es keine magnetischen Monopole gibt.

  Tipps

  Wenn man einen Magneten in zwei Teile schneidet, dann erhält man zwei neue Magnete.

  Das magnetische Feld lässt sich vereinfacht durch Feldlinien darstellen: Denke an den Verlauf der Feldlinien.

  Magnete können nur zwei Pole haben. Im Feldlinienmodell kann das so dargestellt werden, dass die Feldlinien in geschlossenen Kurven verlaufen.

  Lösung

  Magnete können nur zwei Pole haben: Wenn man einen Magneten in zwei Teile schneidet, dann erhält man zwei neue Magnete, jeweils mit einem Nordpol und einem Südpol. Es gibt keine Möglichkeit, einen Magneten mit nur einem Pol zu erzeugen.
  Im Feldlinienmodell kann das so dargestellt werden, dass die Feldlinien in geschlossenen Kurven verlaufen.

  
  

  • Magneten werden nur in Laboratorien hergestellt.

  $\implies$ Diese Antwort ist falsch.

  
  

  • Magnetische Monopole sind zu klein, um sie nachzuweisen.

  $\implies$ Diese Antwort ist falsch.

  
  

  • Magnetische Feldlinien verlaufen immer in geschlossenen Kurven.

  $\implies$ Diese Antwort ist richtig.

  
  

  • Magnetische Monopole sind instabil und zerfallen sofort.

  $\implies$ Diese Antwort ist falsch.

• Beschreibe die Anwendung der Lorentzkraft bei Teilchenbeschleunigern.

  Tipps

  Die Lorentzkraft bewirkt eine Richtungsänderung der geladenen Teilchen.

  Die Lorentzkraft ist eine physikalische Kraft, die auf geladene Teilchen wirkt, wenn sie sich in einem Magnetfeld bewegen.

  In Teilchenbeschleunigern werden geladene Teilchen auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt.

  Magnetische Felder wirken senkrecht zur Bewegungsrichtung der geladenen Teilchen und halten sie auf einer gebogenen Bahn.

  Lösung

  Die Lorentzkraft bewirkt eine Änderung der Bewegung. Das Magnetfeld wird entsprechend eingestellt, um die geladenen Teilchen auf ihrer Bahn in der Röhre zu halten, ohne dass sie gegen die Wand prallen.

  In einem Teilchenbeschleuniger wird die Lorentzkraft verwendet, um geladene Teilchen wie Elektronen, Protonen oder Ionen mit sehr hohen Geschwindigkeiten auf einer definierten Bahn zu halten.
  Die Teilchen werden zunächst in einen Beschleuniger eingebracht, wo sie durch elektrische Felder beschleunigt werden.
  Sobald sie eine bestimmte Geschwindigkeit erreicht haben, werden sie in einen Bereich mit starken magnetischen Feldern geleitet.
  Diese Magnetfelder wirken senkrecht zur Bewegungsrichtung der Teilchen und erzeugen eine Lorentzkraft, die die Teilchen auf einer gebogenen Bahn hält.
  Die Stärke und die Richtung der Magnetfelder werden variiert, sodass die Teilchen auf der Bahn bleiben.