1. Was versteht man unter der Lorentz-Kraft?
2. Beschreiben Sie die 3-Finger-Regel der linken Hand. Wenden Sie diese Regel auf folgende Anordnungen an, um die Richtung der Kraft zu bestimmen.
3. Wie muss in der Zeichnung ein homogenes Magnetfeld angebracht werden, um den Elektronenstrahl nach unten bzw. nach links abzulenken?
4. Was geschieht in den beiden folgenden Anordnungen paralleler, stromdurchflossener Leiter?
5. Skizzieren Sie die Bahn eines Elektrons,
das mit der Anfangsgeschwindigkeit v0 senkrecht zu den
Feldlinien in ein homogenes Magnetfeld eingeschossen wird. Das Feld weist
senkrecht in die Zeichenebene hinein. (Der umrahmte Bereich ist vom Magnetfeld
durchsetzt.)
Wird das Elektron dabei schneller? Begründen
Sie.
6. Beschreiben Sie einen einfachen Versuchsaufbau, mit dem die Kraft auf ein gerades, stromdurchflossenes Leiterstück in einem homogenen Magnetfeld untersucht werden kann.
7. Welche Zusammenhänge zwischen Stromstärke I, Leiterlänge s und Kraft F ergibt ein Versuch nach 6.?
8. Wie ist die magnetische Flussdichte definiert?
9. Zeigen Sie:
.
Übungen
empfohlene Übungen aus dem Lehrbuch:
S.209, A1 - A4
(Ergänzungen zu S.208/209)
Die Formel für die Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter
gilt unter der Voraussetzung, dass der Strom senkrecht
zur Richtung des Magnetfeldes fließt. Die Richtung des Magnetfeldes
ist dabei durch den Vektor
der
magnetischen Flussdichte gegeben. Unter „Stromrichtung“ soll hier stets
die technische Stromrichtung von + nach - verstanden werden. Wenn
die Bewegung der Elektronen gemeint ist, soll hier immer von der „Bewegungsrichtung
der Elektronen“ gesprochen werden. Diese ist in einem Leiter immer entgegengesetzt
zur technischen Stromrichtung.
Wenn Stromrichtung und Magnetfeldrichtung keinen rechten Winkel bilden, dann kann der Strom in zwei Komponenten zerlegt werden:
Die zur Magnetfeldrichtung parallele (oder anti-parallele) Komponente IP erfährt keine ablenkende Kraft im Magnetfeld, sondern nur die senkrechte Komponente IS. Für die Kraft auf den stromdurchflossenen Leiter gilt also allgemeiner:
.
Weitere Übungen
1. Ein gerader Leiter befindet sich in einem homogenen Magnetfeld. Der Leiter wird von einem Strom der Stärke I = 4,52 A durchflossen, die Richtung des Stromes und die Richtung des Magnetfeldes schließen einen Winkel von 45° ein. Die magnetische Flussdichte hat den Betrag B = 2,33 mT. Welchen Betrag hat die auf ein s = 5 cm langes Stück dieses Leiters wirkende magnetische Kraft F?
2. Ein gerader Leiter hat die Länge
s = 0,1 m; er wird von einem Strom der Stärke I = 2,5
A durchflossen. Der Leiter befindet sich in einem homogenen Magnetfeld
der Flussdichte
;
es wirkt auf ihn die Kraft
.
Berechnen Sie den Winkel, den Leiter und Feldrichtung einschließen.
3. Das Magnetfeld eines für ein Drehspulmessinstrument
verwendeten Magneten hat die magnetische Flussdichte B = 0,0012
T. Welche Stärke hat der durch den Kupferdraht der Drehspule fließende
Strom, wenn auf ein s = 15 mm langes Leiterstück die Kraft
wirkt?
4. Ein gerades Leiterstück befindet sich
in einem homogenen Magnetfeld mit der Flussdichte
.
Der Leiter wird von einem Strom der Stärke I = 4,4 A durchflossen;
er schließt mit den Feldlinien den Winkel
ein.
Welche Länge hat das Leiterstück, wenn es die magnetische Kraft
erfährt?
5. Ein waagerechter Draht von 15 cm Länge
wird von einem Strom von 5 A durchflossen. Geben Sie Betrag und Richtung
der magnetischen Flussdichte des Magnetfeldes an, das den Draht mit der
Masse 4 g gerade in der Schwebe hält.
Lösungen
1.
2.
3. I = 25 mA
4. s = 9,75 cm
5.