Aufgabenblock — AFB II
Jetzt wird es mehrschrittig. In diesen 10 Aufgaben der Stufe AFB II (Zusammenhänge herstellen) musst du Formeln umstellen, mehrere Schritte hintereinanderschalten und Zwischenergebnisse weiterverwenden — genau das macht in der Klausur den Unterschied zwischen 8 und 12 Punkten. Zu jeder Aufgabe gibt es drei gestufte Hilfen: erst die Formel, dann der Weg, zuletzt ein Zwischenwert.
Das Erdmagnetfeld hat etwa BE = 50 µT. Durch einen langen geraden Leiter fließt I = 20 A.
a) In welchem Abstand r erzeugt der Leiter genau die Flussdichte des Erdfeldes? b) Wie groß ist B in nur 1,0 cm Abstand?
Lösung anzeigen
b) B = 2·10−7·20 / 0,010 = 4,0·10−4 T = 400 µT
Acht Zentimeter neben dem Draht ist sein Feld also genauso stark wie das Erdfeld — dicht am Draht das Achtfache.
Eine 40 cm lange Spule mit N = 800 Windungen wird von I = 1,5 A durchflossen. In die Spule wird ein Eisenkern mit der Permeabilitätszahl µr = 200 geschoben.
Berechne die Windungsdichte n und die Flussdichte B im Inneren.
Lösung anzeigen
B = 4π·10−7 · 200 · 2000 · 1,5 ≈ 0,75 T
Der Eisenkern verstärkt das Feld um den Faktor µr = 200 — aus Millitesla wird fast ein Tesla.
Ein Leiterstück von l = 15 cm liegt senkrecht in einem Feld mit B = 0,30 T. Gemessen wird die Kraft F = 0,45 N.
a) Wie groß ist die Stromstärke? b) Welche Länge müsste im Feld liegen, damit bei gleichem Strom F = 0,60 N wirkt?
Lösung anzeigen
b) l = F / (B·I) = 0,60 / (0,30 · 10) = 0,20 m = 20 cm
F wächst proportional zu l: für die 1,33-fache Kraft braucht man die 1,33-fache Länge.
Ein Leiter erfährt senkrecht zum Feld (α = 90°) die Kraft F90 = 0,10 N. Nun wird er gedreht, Strom und Feld bleiben gleich.
Berechne die Kraft für α = 45° und für α = 0°.
Lösung anzeigen
F(0°) = 0,10 · sin 0° = 0 N
Schon bei 45° bleiben nur rund 71 % der Kraft übrig; parallel zum Feld verschwindet sie ganz.
Eine Stromwaage mit l = 4,0 cm zeigt bei I = 2,0 A die ausgleichende Masse Δm = 3,0 g (g = 9,81 m/s²).
a) Bestimme B. b) Welche Masse zeigt dieselbe Waage bei I = 5,0 A?
Lösung anzeigen
b) Δm = B·I·l / g = 0,368 · 5,0 · 0,040 / 9,81 ≈ 7,5 g
Das berechnete B bleibt gleich, egal welchen Messstrom man wählt — genau das macht die Stromwaage zum Messgerät.
Ein Elektron (me = 9,11·10−31 kg, e = 1,6·10−19 C) fliegt mit v = 5,0·106 m/s senkrecht in ein Feld mit B = 2,0 mT.
Berechne den Bahnradius (in mm) und die Umlaufzeit (in Nanosekunden).
Lösung anzeigen
T = 2π·9,11·10−31 / (1,6·10−19 · 2,0·10−3) ≈ 1,79·10−8 s = 17,9 ns
In T kommt v nicht vor: ein schnelleres Elektron zieht einen größeren Kreis, braucht dafür aber genauso lange.
Im Fadenstrahlrohr misst man für Elektronen bei v = 2,0·107 m/s und B = 0,010 T den Bahnradius r = 1,14 cm.
Bestimme daraus die spezifische Ladung q/m (als Vielfaches von 1011 C/kg).
Lösung anzeigen
Aus drei messbaren Größen — r, v und B — bekommt man das Verhältnis von Ladung zu Masse, ohne beide einzeln zu kennen.
Ein Elektron fliegt mit v0 = 2,0·107 m/s waagerecht in einen Plattenkondensator: U = 200 V, Plattenabstand d = 2,5 cm, Plattenlänge l = 5,0 cm.
Berechne die Feldstärke E (als Vielfaches von 103 V/m) und die Ablenkung y am Plattenende (in mm).
Lösung anzeigen
a = e·E / me ≈ 1,4·1015 m/s²; t = l / v0 = 2,5·10−9 s
y = ½·a·t² ≈ 4,4·10−3 m = 4,4 mm
Die Ablenkung bleibt kleiner als der halbe Plattenabstand (12,5 mm) — das Elektron kommt also durch.
Ein Wien-Filter soll genau Teilchen mit v = 4,0·106 m/s durchlassen. Die magnetische Flussdichte beträgt B = 5,0 mT, der Plattenabstand d = 1,5 cm.
Welche Feldstärke E (als Vielfaches von 104 V/m) und welche Spannung U musst du einstellen?
Lösung anzeigen
U = E·d = 2,0·104 · 0,015 = 300 V
Weder Ladung noch Masse tauchen auf — der Filter sortiert allein nach Geschwindigkeit.
Ein Halbleiterplättchen (n = 2,5·1022 m−3, d = 0,50 mm) wird von I = 0,10 A durchflossen und steht senkrecht in einem Feld mit B = 0,30 T (q = e = 1,6·10−19 C).
a) Berechne die Hallspannung (in mV). b) Wie groß ist sie, wenn dieselbe Sonde in ein Feld mit B = 0,45 T gebracht wird?
Lösung anzeigen
b) UH ∼ B, also 15 mV · 1,5 = 22,5 mV
Weil UH proportional zu B ist, kann man die Sonde einmal eichen und danach jedes Feld direkt ablesen.
Wie war es?
Wie gut bist du mit den mehrschrittigen Aufgaben zurechtgekommen?
