Elektromagnetismus - Felder, Physikübungen

Magnetfelder von Permanentmagneten, stromdurchflossenen Leitern bzw. Spulen, Erdmagnetfeld - Lehrplan

Hilfe
  • Hilfe speziell zu dieser Aufgabe
    Auf allen Bildern sieht man einen stromdurchflossenen Leiterquerschnitt, dessen Strom aus dem Bild heraus kommt (Kreis mit Punkt in der Mitte).
  • Kreis mit Punkt: Strom fließt aus dem Leiterquerschnitt heraus. Kreis mit Kreuz: Strom fließt in den Leiterquerschnitt hinein. Denk an die Rechte-Faust-Regel.
  • Magnetfeld eines geraden, stromdurchflossenen Leiters
    Die Magnetfeldstärke sinkt mit zunehmendem Abstand zum Leiter sowie mit sinkender Stromstärke. Betrachtet man Ebenen senkrecht zum Leiter, kann man die Magnetfeldlinien darauf als geschlossene, konzentrische Kreise mit dem Leiter als Mittelpunkt zeichnen. Der Abstand der Kreise voneinander nimmt von innen nach außen zu.
    Rechte-Faust-Regel 1: Umschließt man gedanklich mit der rechten Hand einen geraden, stromdurchflossenen Leiter so, dass der abgespreizte Daumen in Stromrichtung zeigt, dann zeigen die gekrümmten Finger die Richtung der Magnetfeldlinien an.

    Querschnitte des Leiters mit Magnetfeldlinie:

    • Kreis mit Punkt: Strom fließt aus der Zeichenebene heraus.
      (Sieht aus wie eine Dartpfeilspitze, die auf einen zukommt.)
    • Kreis mit Kreuz: Strom fließt in die Zeichenebene hinein.
      (Sieht aus wie ein Dartpfeil, der von einem wegfliegt.)
TIPP Beispiel-Aufgabe: Zu diesem Aufgabentyp gibt es eine passende Beispiel-Aufgabe. Klicke dazu auf "Hilfe zu dieser Aufgabe" unterhalb der Aufgabe.

Die 10b hat stromdurchflossene Leiter(querschnitte) mit Magnetfeld gezeichnet. Wähle die richtige(n) Darstellung(en) aus.

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  • Permanentmagnet (Dauermagnet): Hat einen Nordpol (N) und Südpol (S). Den Nordpol zeichnet man rot, den Südpol grün. Gleichnamige Pole zweier Magnete stoßen sich ab, ungleichnamige Pole ziehen sich an.
  • Ferromagnetische Stoffe: Z.B. Eisen, Kobalt und Nickel. Die Materialien sind zunächst nicht magnetisch. Ein Magnet kann sie aber kurzzeitig magnetisieren, also selbst zum Magneten machen.
  • Magnetfeld: Unsichtbares, dreidimensionales Kraftfeld z.B. eines Magneten oder stromdurchflossenen Leiters. Hat eine Kraftwirkung auf andere Magnete, ferromagnetische Stoffe und bewegte Ladungen. Wird mit zunehmendem Abstand schwächer. In Bereichen mit gleich starker und gleich gerichteter Kraftwirkung nennt man das Magnetfeld homogen.
  • Magnetfeldlinien: Verlaufen gerade oder kurvenförmig außerhalb des Magneten von seinem Nord- zum Südpol und schneiden sich nie. Die Richtung der Kraft ist entlang (tangential) der Magnetfeldlinien. Probekörper (z.B. Eisenfeilspäne, Magnetnadeln) richten sich entlang der Feldlinien aus.
  • Magnetfeldskizzen:
    Stabmagnet


    Hufeisenmagnet
Magnetfeld eines geraden, stromdurchflossenen Leiters
Die Magnetfeldstärke sinkt mit zunehmendem Abstand zum Leiter sowie mit sinkender Stromstärke. Betrachtet man Ebenen senkrecht zum Leiter, kann man die Magnetfeldlinien darauf als geschlossene, konzentrische Kreise mit dem Leiter als Mittelpunkt zeichnen. Der Abstand der Kreise voneinander nimmt von innen nach außen zu.
Rechte-Faust-Regel 1: Umschließt man gedanklich mit der rechten Hand einen geraden, stromdurchflossenen Leiter so, dass der abgespreizte Daumen in Stromrichtung zeigt, dann zeigen die gekrümmten Finger die Richtung der Magnetfeldlinien an.

Querschnitte des Leiters mit Magnetfeldlinie:

  • Kreis mit Punkt: Strom fließt aus der Zeichenebene heraus.
    (Sieht aus wie eine Dartpfeilspitze, die auf einen zukommt.)
  • Kreis mit Kreuz: Strom fließt in die Zeichenebene hinein.
    (Sieht aus wie ein Dartpfeil, der von einem wegfliegt.)
Beispiel
Die Jugendlichen der 10b haben stromdurchflossene Leiter(querschnitte) mit Magnetfeld gezeichnet. Wähle die richtige(n) Darstellung(en) aus.
 
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Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule
Außerhalb der Spule ähnelt das Magnetfeld dem eines Stabmagneten. Die Magnetfeldlinien verlaufen dort vom Nord- zum Südpol. Innerhalb der Spule entsteht ein annähernd homogenes Magnetfeld. Dort verlaufen die Magnetfeldlinien vom Süd- zum Nordpol. Ferromagnetische Stoffe im Innenraum der Spule (z.B. ein Eisenstab) verstärken das Magnetfeld.
Rechte-Faust-Regel 2: Umschließt man gedanklich mit der rechten Hand eine Spule so, dass die Finger in Stromrichtung zeigen, dann zeigt der abgespreizte Daumen zum Nordpol des Magnetfelds.
Magnetfeld der Erde
Entstehung: Der feste Erdkern ist aus Eisen-Nickel. Er ist hauptsächlich von flüssigem Eisen und Nickel umgeben, das aufgrund der Temperaturunterschiede ständig auf- und absteigt (Konvektion). Die Erdrotation bzw. die Corioliskraft versetzt das bewegte Metall auf Spiralbahnen, die elektrische Ströme und damit das Magnetfeld erzeugen (Geodynamo).
Form: Das Erdmagnetfeld ähnelt grob dem Magnetfeld eines Stabmagneten, ist aber unregelmäßiger. Es wird z.B. von Sonnenwinden (geladene Teilchen) und lokalen Magnetfeldern beeinflusst. Die magnetischen Pole sind in der Nähe der geografischen Pole (blau), allerdings genau anders herum.
Vereinfachte Skizze:

Geografie: Kompassnadeln richten sich entlang der Feldlinien aus. Den (kleineren) Winkel zwischen der Kompassnadelrichtung und der geografischen Nordrichtung nennt man Deklination oder auch Missweisung.
Wirkung und Nutzung: Das Erdmagnetfeld schirmt z.B. kosmische Strahlung ab, kann Gestein magnetisieren und lässt Polarlichter entstehen. Menschen, sowie Tierarten mit Magnetsinn, verwenden das Erdmagnetfeld zur Navigation.