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2. Das zeitlich veränderliche magnetische Feld

1.1 Magnetische Erscheinungen

Ziele und Video

Ziele

Nach dieser Lektion sollten Sie:

1. wissen, dass zwischen Magnetpolen Kräfte wirken und die Richtung der Kräfte kennen.
2. wissen, dass sich um einen stromdurchflossenen Leiter ein magnetisches Feld bildet.
3. die Feldlinien des magnetischen Feldes skizzieren können. Dabei wissen Sie welche Richtung das Feld hat und wo das Feld am dichtesten ist.

Video

Einführung in magnetische Felder

Visualisierung magnetischer Felder

Überlagerung magnetischer Felder (nur bis 04:08)

Aufgaben

Aufgabe 1

1. Mit welcher Hand lässt sich aus Strömen die Magnetfeldrichtung herleiten?

• Die rechte Hand
• Die linke Hand

2. Wie sind bei der Herleitung aus 1. die Finger zuzuordnen?

• Daumen für Stromrichtung, restliche Finger für Magnetfeldrichtung
• Daumen für Magnetfeldrichtung, restliche Finger für Stromrichtung
• beide Möglichkeiten sind richtig

3. Zwei stromdurchflossene Leiter liegen parallel und nahe beieinander. Der Strom in beiden fließt in die gleiche Richtung. Welche Kraftwirkung ist zu sehen?

• keine
• Die Leiter ziehen sich an
• Die Leiter stoßen sich ab

4. Zwei stromdurchflossene Leiter liegen rechtwinklig aufeinander. Durch beide fließt Strom. Welche Kraftwirkung ist zu sehen?

• keine
• Die Leiter ziehen sich an
• Die Leiter stoßen sich ab

5. Wie verläuft das Magnetfeld im Inneren der Erde bzw. eines Permanentmagneten?

• vom magnetischen Nordpol zum Südpol
• vom magnetischen Südpol zum Nordpol
• das Innere ist feldfrei

6. An welchem Ort einer stromdurchflossenen Spule sind die Feldlinien am dichtesten?

• am magnetischen Nordpol
• am magnetischen Südpol
• im Inneren der Spule
• an beiden Polen

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Tipp zu 1

Bei StRomfluss nutzt man welche Hand?

Tipp zu 2

• Stellen Sie sich eine Spule mit einer Wicklung bildlich vor, oder malen Sie es auf.
• Nun denken Sie sich ein erzeugtes Feld durch diese dazu. Welche Richtung muss der verursachende Strom haben? Passt dies zur Faustregel?
• Im Anschluss versuchen sie es andersherum: Wenn ein Strom gegeben ist, wo gehen dann die Feldlinien hinein und wo heraus? Welche Pole entstehen dort?

Tipp zu 3

Siehe 3. Video

• Stellen Sie sich die beiden Drähte bildlich vor, oder malen Sie es auf.
• In welche Richtung würde das äußere Feld jeweils laufen?
• Das Feld ist ein lineares Vektorfeld. Aus mehreren Einzelfeldern kann also durch Addition das Gesamtfeld erzeugt werden. Wird die Addition des Feldes dazwischen größer, oder kleiner?

Tipp zu 4

• Stellen Sie sich zunächst nochmal die parallelen Drähte vor. Was passiert bei gleich und was bei entgegen gerichteten Stromfluss? Sind die entstehenden Kräfte betragsmäßig gleich?
• Die Stromrichtungsumkehr kann man nun auch statt durch ändern des Stroms durch Drehen des Drahtes erzeugen - gerade so, dass beim Drehen zwischenzeitlich die Drähte senkrecht aufeinander liegen.
• Wenn nun bei parallelen Drähten und unterschiedlicher Stromrichtung die betragsmäßig gleiche Kraft entsteht. so ist dies auch bei jedem Winkel dazwischen (Ausführlich über Integration der Kraft über einzelne Drahtstücke).
• Dann muss es aber einen Punkt geben bei der die Kraft 0 wird.

Tipp zu 5

• Die magnetischen Feldlinien müssen geschlossen sein.
• Vergleichen Sie den Feldverlauf zwischen Spule und Permanentmagnet.

Tipp zu 6

• Im Video 1 ist der Verlauf außerhalb und innerhalb der Spule zu sehen.

1.2 Das Ampere'sche Kraftgesetz, magnetische Flussdichte, Lorentzkraft

Ziele und Video

Ziele

Nach dieser Lektion sollten Sie:

1. das Kraftgesetz für stromdurchflossene Leiter kennen.
2. die Richtung der Kräfte anhand gegebener Stromrichtungen und gegebenenfalls Flussdichte bestimmen können.
3. die wirkenden Kraftvektoren in einer Skizze darstellen können.
4. in der Lage sein, einen Kraftvektor durch Überlagerung mehrerer Kraftvektoren mit Hilfe der Vektorrechnung zu bestimmen
5. in der Lage sein, für einen Kraftvektor folgende Größen anzugeben:
   1. Kraftvektor in Koordinatendarstellung
   2. Betrag des Kraftvektors
   3. Winkel des Kraftvektors
6. in der Lage sein, bei Vorgabe mehrerer stromdurchflossener Leiter die Vektoren der magnetischen Flussdichte in einer Skizze darzustellen.
7. durch Überlagerung mehrerer Vektoren mit Hilfe der Vektorrechnung den resultierenden Vektor der magnetischen Flussdichte bestimmen können.
8. durch Anwendung des Kraftgesetzes für stromdurchflossene Leiter im magnetischen Feld die Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter in einem magnetostatischen Feld bestimmen können:
   1. Kraftvektor in Koordinatendarstellung
   2. Betrag des Kraftvektors
   3. Winkel des Kraftvektors

Video

Bitte sehen Sie sich auf der Seite des KIT-Brückenkurs >> 3.2.2 Magnetisches Feld die Inhalte (Text und Videos) an. Achten Sie darauf, dass oben „Gesamt“ ausgewählt wurde. Der letzte Teil zu „Magnetfeld mit Materie“ kann übersprungen werden.

Aufgaben

Aufgabe 1

1. Mit welcher Hand lässt sich aus Strömen die Magnetfeldrichtung herleiten?

• Die rechte Hand
• Die linke Hand

2. Wie sind bei der Herleitung aus 1. die Finger zuzuordnen?

• Daumen für Stromrichtung, restliche Finger für Magnetfeldrichtung
• Daumen für Magnetfeldrichtung, restliche Finger für Stromrichtung
• beide Möglichkeiten sind richtig

3. Zwei stromdurchflossene Leiter liegen parallel und nahe beieinander. Der Strom in beiden fließt in die gleiche Richtung. Welche Kraftwirkung ist zu sehen?

• keine
• Die Leiter ziehen sich an
• Die Leiter stoßen sich ab

4. Zwei stromdurchflossene Leiter liegen rechtwinklig aufeinander. Durch beide fließt Strom. Welche Kraftwirkung ist zu sehen?

• keine
• Die Leiter ziehen sich an
• Die Leiter stoßen sich ab

5. Wie verläuft das Magnetfeld im Inneren der Erde bzw. eines Permanentmagneten?

• vom magnetischen Nordpol zum Südpol
• vom magnetischen Südpol zum Nordpol
• das Innere ist feldfrei

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Aufgabe 2

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PHET: Charges and Fields

1.3 Magnetischer Fluss

Ziele und Video

Ziele

Nach dieser Lektion sollten Sie:

1. wissen, wie der magnetische Fluss definiert ist.
2. in der Lage sein, für eine gegebene Fläche aus der magnetischen Flussdichte den magnetischen Fluss einer Anordnung anzugeben.
3. die allgemeine Bedeutung des „Gaußschen Satzes für das Magnetfeld“ kennen.
4. in der Lage sein, eine geschlossene Hüllfläche geeignet zu wählen und den Gaußschen Satz anzuwenden.

Video

Die elektrische Ladung

Aufgaben

Aufgabe 1

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PHET: Charges and Fields

1.4 Magnetische Feldstärke

1. Erregerfeld
2. die magnetische Spannung wird auch gelegentlich als MMK (magnetomotorische Kraft) oder Durchflutung (da sie mit dem fließenden Strom in Beziehung steht) bezeichnet. Einprägsamer für die Betrachtung der Magnetischen Effekte ist aber die magnetische Spannung.

Ziele und Video

Ziele

Nach dieser Lektion sollten Sie:

1. die beiden feldbeschreibenden Größen des magnetischen Feldes kennen.
2. in der Lage sein, den Zusammenhang dieser beiden Größen zu beschreiben und anzuwenden.
3. die Definition der magnetischen Spannung kennen und diese in einem magnetischen Feld berechnen können.
4. verstanden haben, warum die Berechnung der magnetischen Spannung wegunabhängig ist.
5. das Durchflutungsgesetz kennen.
6. für eine gegebene Anordnung aus stromdurchflossenen Leitern das Durchflutungsgesetz anwenden können.

Video

Die elektrische Ladung

Aufgaben

Aufgabe 1

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PHET: Charges and Fields

1.5 Materie im Magnetischen Feld

Ziele und Video

Ziele

Nach dieser Lektion sollten Sie:

1. die beiden feldbeschreibenden Größen des magnetostatischen Feldes kennen.
2. in der Lage sein, den Zusammenhang dieser beiden Größen über das Materialgesetz zu beschreiben und anzuwenden.
3. die Einteilung der magnetischen Werkstoffe kennen.
4. in der Lage sein, aus einer Magnetisierungskennlinie die relevanten Daten abzulesen

Video

Ein lebendiger Frosch („Diamagnet“) schwebt in einem sehr starken Magnetfeld

Schöne Darstellung von Magnetisierung und Entmagnetisierung von weichmagnetischen Material

Wandernde magnetische Domänen in einem ferromagnetischen Material (von [email protected] unter CC-BY-SA 3.0)

Aufgaben

Aufgabe 1

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PHET: Charges and Fields

1.6 Der lineare magnetische Kreis

Ziele und Video

Ziele

Nach dieser Lektion sollten Sie:

1. wissen, unter welchen Annahmen die Berechnung an einem linearen magnetischen Kreis erfolgen kann.
2. in der Lage sein, das Durchflutungsgesetz auf einen magnetischen Kreis anzuwenden
3. das ohmsche Gesetz des magnetischen Kreises kennen.
4. in der Lage sein, ein Ersatzschaltbild für einen magnetischen Kreis zu erstellen.
5. die magnetischen Widerstände eines linearen magnetischen Kreises berechnen können.
6. in der Lage sein, alle relevanten Größen des linearen magnetischen Kreises zu berechnen.

Video

Die elektrische Ladung

Aufgaben

Aufgabe 1

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PHET: Charges and Fields

1.7 Der nichtlineare magnetische Kreis

Ziele und Video

Ziele

Nach dieser Lektion sollten Sie:

1. die Grenzen der linearisierten Berechnung eines magnetischen Kreises kennen.
2. in der Lage sein, einfache nichtlineare Aufgabenstellungen mit Hilfe einer Magnetisierungskennlinie zu lösen.

Video

Die elektrische Ladung

Aufgaben

Aufgabe 1

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PHET: Charges and Fields

1.8 Anwendungsbeispiele

Ziele und Video

Ziele

Nach dieser Lektion sollten Sie:

1. wissen, was eine Elementarladung ist und dass zwischen Ladungen Kräfte wirken.
2. das Coulombsche Gesetz kennen.
3. die Richtung der Kräfte anhand gegebener Ladungen bestimmen können.
4. die wirkenden Kraftvektoren in einer Skizze darstellen können.
5. in der Lage sein, einen Kraftvektor durch Überlagerung mehrerer Kraftvektoren mit Hilfe der Vektorrechnung zu bestimmen
6. in der Lage sein, für einen Kraftvektor folgende Größen anzugeben:
   1. Kraftvektor in Koordinatendarstellung
   2. Betrag des Kraftvektors
   3. Winkel des Kraftvektors

Video

Die elektrische Ladung

Aufgaben

Aufgabe 1

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PHET: Charges and Fields