Unterrichtsmaterialien in digitaler und in gedruckter Form. Auszug aus: Elektrischer Strom und Magnetfelder - stets miteinander verknüpft!

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1 Unterrichtsaterialien in digitaler und in gedruckter For Auszug aus: Elektrischer Stro und Magnetfelder - stets iteinander verknüpft! as koplette Material finden Sie hier: School-Scout.de

2 1. Statische und zeitlich veränderliche Magnetfelder 1 von 4 Übungsaufgaben zu statischen und zeitlich veränderlichen Magnetfeldern Wolfgang Vogg, Eurasburg Sartphone, Radio, Fernseher und andere Elektrogeräte sowie Lichtquellen sind nur einige Beispiele an technischen Hilfsitteln, die für uns Menschen selbstverständlich sind. och wer denkt schon daran, dass die eisten Geräte ohne die Existenz zeitlich veränderlicher Magnetfelder nicht funktionieren würden? Mit Magnetisus assoziieren wir allenfalls statische Magnetfelder, die wir beispielsweise als Erdagnetfeld oder in For kleiner Haftagnete für die Pinnwand kennen. ieser Beitrag enthält Übungsaufgaben zu statischen und zeitlich veränderlichen Magnetfeldern. Abb. 1: Ringförige Spule Elektrischer Stro und Magnetfelder stets iteinander verknüpft! er Beitrag i Überblick Klasse: 11 (G 8) auer: ca. 6 8 Stunden Ihr Plus: ü Thea relevant für die Abiturprüfung Inhalt: Gesetzäßigkeiten statischer und zeitlich veränderlicher Magnetfelder Übungsaufgaben it Erklärungen und Berechnungen 49 RAAbits Physik Noveber 017

3 von 1. Statische und zeitlich veränderliche Magnetfelder Fachliche und didaktisch-ethodische Hinweise Magnetisus war schon i Altertu bekannt, doch erst zu Beginn des 19. Jahrhunderts gelang es Physikern wie Hans Christian Ørsted ( ), André-Marie Apère ( ), Jean-Baptiste Biot ( ), Felix Savart ( ) und Michael Faraday ( ), den fundaentalen Zusaenhang zwischen Strofluss und Magnetisus zu erforschen. Mit der Aufstellung seiner ufassenden Maxwell-Gleichungen brachte Jaes Clerk Maxwell ( ) i Jahr 1864 die Zusaenhänge in eine atheatisch optial verwendbare For. Machen Sie Ihren Schülern it Aufgaben in verschiedenen Schwierigkeitsstufen die physikalischen Zusaenhänge verständlich. Lassen Sie sie einfache Beispiele bis hin zu schwierigeren Theen bearbeiten und so Sicherheit i Ugang it den Foreln gewinnen. Für interessierte und atheatisch versierte Schüler finden Sie auch einige koplexere Aufgabenstellungen it detaillierten Lösungen. Fachlicher Hintergrund Von statischen Magnetfeldern spricht an, wenn die Feldkräfte zeitlich konstant bleiben. as Erdagnetfeld kann als statisches Feld bezeichnet werden, weil sich essbare Feldstärkeänderungen nur in Zeiträuen von einigen Jahrtausenden ergeben. Ein durch elektrischen Gleichstro hervorgerufenes statisches Magnetfeld wird durch einen Elektroagneten realisiert. ieser beruht auf der von Hans Christian Ørsted i Jahr 180 entdeckten Tatsache, dass ein durch einen raht fließender elektrischer Stro ein u den raht heru laufendes kreisföriges Magnetfeld bildet. Wickelt an den raht zu einer Spule, so entsteht ein Elektroagnet it derselben Polarität aus Nord- und Südpol, die auch ein Stabagnet hat. ie Anziehungskraft des Elektroagneten hängt von der Strostärke, der Anzahl der Spulenwindungen und von der Füllung der Spule (z. B. it eine Eisenkern) ab. Zeitlich veränderliche Magnetfelder entstehen unter andere dann, wenn der elektrische Stro fortlaufend seine Richtung ändert, wie etwa bei technisch erzeugten 50 Hz-Wechselstro der Haushaltssteckdose. abei wird ein agnetisches Wechselfeld aufgebaut, das i gleichen Rhythus seine Richtung ändert wie der ihn erzeugende Strofluss. Michael Faraday entdeckte i Jahr 1831, dass veränderliche Magnetfelder elektrische Ströe hervorrufen können. Bewegt an z. B. einen aueragneten auf eine geschlossene Leiterschleife zu oder von ihr weg, so zeigt ein epfindliches Messgerät je nach Bewegungsrichtung eine positive oder negative Spannung U(t) an, die proportional zur Geschwindigkeit v(t) des Magneten, zur Anzahl der Windungen n, zur Fläche A der Leiterschleife und zu Kosinus des Winkels zwischen der Leiterschleife und de Magnetfeld ist:: U(t) = k v(t) n A cos a, k = Konstante Genauso kann an eine Leiterschleife i hoogenen Magnetfeld eines aueragneten bewegen und stellt dabei fest, dass auch hier eine Spannung erzeugt wird. er Grund liegt darin, dass durch die rehbewegung eine sich ändernde Fläche der Leiterschleife durchsetzt wird, was eine sich ändernden Magnetfeld bezüglich der Leiterschleife entspricht. Bei einer vollständigen Udrehung der Leiterschleife erhält an eine sinusförige Wechselspannung, was bis heute als Grundprinzip der technischen Stroerzeugung angewandt wird. Seine Entdecker zu Ehren wird die gefundene Gesetzäßigkeit als Faraday sches Induktionsgesetz bezeichnet. 49 RAAbits Physik Noveber 017

4 1 von 1. Statische und zeitlich veränderliche Magnetfelder e U e) Aus = r B folgt: B U = e r B = U e = 50 V C -4 = 8,9 10 T = 0,89 T kg r 11 1, ( 0,06 ) f) reht an das Fadenstrahlrohr u einen Winkel ϕ gegen die Vertikale, so ergibt sich für die Geschwindigkeit v ein Anteil v zu B und ein Anteil v zu B (Abb. 11). er Anteil bestit die Ganghöhe h : v h = v T = v sinϕ T. abei ist T die Ulauf- π r dauer der Kreisbahn und it v = wird T π r die Ganghöhe h dann zu: h = sinϕ T = π r sinϕ. T h 0,03 araus folgt: sin( ϕ )= 0,0796 4,6 π r = π 0,06 ϕ. Abb. 11: Zerlegung der Geschwindigkeit der Elektro- 4. a) Zwischen der Hallspannung U H und der riftgeschwindigkeit v nen besteht folgender Zusaenhang: UH = v B b araus folgt für v : v UH = = =, , 3 B b,5 T 0,015 s s V -4. b) Zur Erittlung der aus de Teilchenfluss resultierenden Strostärke I betrachtet an einen Abschnitt x eines Leiterstückes der Länge l, der Breite b und der icke d (Abb. ). ie Gesatzahl der Ladungsträger N pro Voluen V sei n: n = N / V. Ein einzelnes Teilchen soll in der Zeit t den Weg x zurücklegen: x = v t. Mit der Ladung q eines Teilchens, der Anzahl der Teilchen N und der Gesatladung Q = N q, die in der Zeitspanne t ein Volueneleent V = x b d durchfließt, erhält an für die Strostärke I Q n x b d q I = =. t t Mit v x I = wird der Ausdruck zu: t I = n b d q v n = b d q v 19 Mit q = e = 1,60 10 C erhält an für n: Abb. : Strodurchflossene Metallfolie 0 A 8 1 n = = 6, ,015 0,5 10 1,60 10 C,67 10 s 3 49 RAAbits Physik Noveber 017

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