HILFE! Leiter im Magnetfeld!

Wissenschaft Physik
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Hallo!!

Ich habe folgendes Problem: 1. Ein rechteckiger Drahtrahmen wird von links nach rechts mit einer konstanten Kraft durch ein zur Rahmenebene senkrecht stehendes homogenes Magnetfeld bewegt. Er ist nicht Stromdurchflossen.
2. Das selbe mit Stromdurchflossenem Rahmen

Frage:Welche Bewegung führt der Rahmen unter 1. und unter 2. aus?

Vermutung: Auf bewegte Ladungen im Magnetfeld wirk eine Kraft, da bei 1. die Elektronen sich nicht alleine, sondern „mit“ dem Rahmen bewegen, müsste auf sie eine Kraft wirken, d.h. der Rahmen würde nach unten abgelenkt (B ist nach hinten/ in die Ebene orientiert).
Bei 2. bewegen sich die Elektronen weil der Leiter Stromdurchflossen ist, also wirkt wieder eine Kraft auf ihn, d.h. Ablenkung.
Was ist aber der Unterschied zwischen 1. und 2. Bewegung? Wird der Rahmen stärker abgelenkt? Oder ist alles ganz anders?

Bitte helft mir, ich hab morgen mündliche ABI- Prüfung!!!

Grüße Britta

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Hallo!!

Ich habe folgendes Problem: 1. Ein rechteckiger Drahtrahmen
wird von links nach rechts mit einer konstanten Kraft durch
ein zur Rahmenebene senkrecht stehendes homogenes Magnetfeld
bewegt. Er ist nicht Stromdurchflossen.

Solange das Feld senkrecht auf der Rahmenfläche steht, kann sich der eingeschlossene magn. Fluß im homogenen Magnetfeld nicht ändern. D.h. es kann keine Spannung induziert werden und kein Strom fließen. Das Magnetfeld ist dann für den bewegten Rahmen wirkungslos.

  1. Das selbe mit Stromdurchflossenem Rahmen

wenn die Rahmenfläche genau senkrecht in dem Magnetfeld steht, heben sich die durch den Strom verursachten Kräfte an den vier Rahmenseiten genau auf. Auch hier wäre das Magnetfeld wieder Wirkungslos.

Frage:Welche Bewegung führt der Rahmen unter 1. und unter 2.
aus?

In beiden Fällen würde es sich dann um eine einfache, durch die konstante Kraft verursachte beschleunigte Bewegung handeln ( reine Mechanik )

Vermutung: Auf bewegte Ladungen im Magnetfeld wirk eine Kraft,
da bei 1. die Elektronen sich nicht alleine, sondern „mit“ dem
Rahmen bewegen, müsste auf sie eine Kraft wirken, d.h. der
Rahmen würde nach unten abgelenkt (B ist nach hinten/ in die
Ebene orientiert).

So einfach ist das nicht. Zwar wirkt eine Kraft auf die Ladungen, aber es befinden sich außer den Elektronen ja gleichviele positive Ladungen im Leiter, auf die genau die entgegengesetzte Kraft wirkt. Es entsteht lediglich eine Ladungsverschiebung, die so groß ist, daß die Lorenzkraft mit der elektrostatischen Kraft im Gleichgewicht ist. Das ergibt dann eine elektrische Spannung entlang des Leiters aber noch keinen Strom und keine äußere Kraft

Bei 2. bewegen sich die Elektronen weil der Leiter
Stromdurchflossen ist, also wirkt wieder eine Kraft auf ihn,
d.h. Ablenkung.

Wie bereits oben erwähnt, heben sich die durch den Strom verursachten äußeren Kräfte auf. Bei dieser Anordnung passiert also garnichts, genau wie bei 1.

Was ist aber der Unterschied zwischen 1. und 2. Bewegung? Wird
der Rahmen stärker abgelenkt? Oder ist alles ganz anders?

Es ist offensichtlich ganz anders, zumindest wenn ich den Versuchsaufbau richtig verstanden habe. Oder ist die Aufgabenstellung fehlerhaft ? Das kommt mir etwas komisch vor.

Bitte helft mir, ich hab morgen mündliche ABI- Prüfung!!!

Grüße Britta

Na dann viel Glück

Jörg

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Hi Britta :wink:))

Ich habe folgendes Problem: 1. Ein rechteckiger Drahtrahmen
wird von links nach rechts mit einer konstanten Kraft durch
ein zur Rahmenebene senkrecht stehendes homogenes Magnetfeld
bewegt. Er ist nicht Stromdurchflossen.
2. Das selbe mit Stromdurchflossenem Rahmen

Frage:Welche Bewegung führt der Rahmen unter 1. und unter 2.
aus?

  1. Der Rahmen bewegt sich nur unter dem Einfluss der mechanischen Kraft, das Magnetfeld übt keinerlei Kraft auf den Rahmen aus. Die Elektronen haben zwar, wie du richtig sagst, eine Geschwindigkeit, aber die positiven Ionenrümpfe im Metall haben die selbe Geschwindigkeit. Die Lorentz-Kraft der Elektronen F_e= -evB und die der Protonen F_e=+evB heben sich also gegenseitig auf!

  2. Wenn durch den Rahmen ein Strom fließt, wird’s interessant. Nun gibt es nämlich eine Differenz zwischen der Geschwindigkeit der positiv geladenen Ionenrümpfe (mechanischen Ziehen des Rahmens) und der Geschwindigkeit der Elektronen. Der Stromfluss wird ja in einem Metall alleine durch die Leitungselektronen realisiert.

Stell dir vor, das Magnetfeld zeigt in den Bildschirm rein. Der Rahmen des Monitors sei dein Drahtrahmen. Der Strom fließe im Uhrzeigersinn, so dass die Elektronen im Gegenuhrzeigersinn fließen (technische Stromrichtung ist von + nach -, die Elektronen laufen aber von - nach +). So, jetzt musst du die Rechte-Hand-Regel für die Lorentz-Kraft verwenden. Daumen, Zeigefinger und Mittelfinger stehen alle senkrecht aufeinander. Der Daumen zeigt in die Bewegungsrichtung der Ladungsträger, der Zeigefinger in die Richtung des Magnetfeldes (auf den Monitor) und der Mittelfinger zeigt dann in die Richtung, in die die Lorentz-Kraft wirkt. Für die Oberkante des Monitors gilt also: Daumen nach links, Zeigefinger auf den Monitor, Mittelfinger nach unten. Aber aufgepasst! Die Rechte-Hand-Regel geht von positiven Ladungen q aus, F= q*v*B! Weil Elektronen negativ geladen sind (q=-e) musst du die Kraftrichtung umdrehen. Die Lorentz-Kraft für die Oberkante wirkt also nach oben! Ich nehme für negative Ladungen immer die linke Hand und für positive Ladungen die rechte Hand. So, wenn du das jetzt für alle 4 Kanten machst, bekommst du:

Obere Kante: Lorentz-Kraft nach oben
Linke Kante: Lorentz-Kraft nach links
Untere Kante: Lorentz-Kraft nach unten
Rechte Kante: Lorentz-Kraft nach rechts

Du siehst, die Lorentz-Kräfte von gegenüberliegenden Seiten kompensieren sich vollständig. Die Bewegung ist wie im ersten Fall.

Interessant wird es erst, wenn der Drahtrahmen nicht senkrecht zum Magnetfeld steht. Im ersten Fall bleibt alles wie gehabt. Aber im zweiten Fall wird sich der Drahtrahmen genau senkrecht zum Magnetfeld orientieren! (An der Oberkante der Leiterschleife wird ja nach oben gezogen und an der Unterkante nach unten)

So, ich hoffe, das hilft dir.

Viel Erfolg morgen beim Abi …

cu Stefan.

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danke!!!
Vielen dank für eure Hilfe, die Frage kam aber Gott sei Dank nicht dran aber ich weiß jetzt das ich richtig überlegt habe… Grüße Britta

P.S. Hab bestanden!!!

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Hi Britta :wink:))

P.S. Hab bestanden!!!

Na, dann feiere mal schön …

cu Stefan.