Physik III Übung 1

Physik III
Übung 1
Stefan Reutter WiSe 2012
Moritz Kütt
Franz Fujara
Für alle Vorrechenübugnen gilt: Alle Übungen vorher rechnen. Für alle Präsenzübungen gilt:
Hausaufgaben vorher! rechnen, Präsenzaufgaben werden in der Übungsstunde diskutiert. Hausaufgaben
sind mit [H] markiert, Präsenzaufgaben mit [P].
Aufgabe 1 [P] ermanentmagnete (Diskussion)
Benötigt man, um ein Magnetfeld zu erhalten, immer einen elektrischen Strom? Wie sieht es
mit Permanentmagneten aus?
Aufgabe 2 [P] Diskussion: Unterschiedliche Felder!?
Diskutiert Unterschiede und Gemeinsamkeiten von magnetischen und elektrischen Feldern!
Aufgabe 3 [P] Diskussion: Das Magnetfeld der Erde
Sicherlich allen bekannt: Die Erde hat ein Magnetfeld. Beschreibt kurz wichtige Eigenschaften.
Welche Effekte gibt es, wenn die Erde plötzlich kein Magnetfeld mehr hätte?
Aufgabe 4 [P] Lange Leitung
Durch einen Leiter der Länge L fließt ein Strom der Stärke I. Bestimmt das Magnetfeld für einen
beliebigen Punkt P der zum Leiter einen Abstand x 0 hat, und zu einem Leiterende den Abstand
y 0. Der Leiter selbst kann dabei als unendlich dünn angenommen werden.
Hinweise: Substituiere so, dass das Integral über einen Winkel geht.
1
cos (arctan (x)) =
1 + x 2
1

Aufgabe 5 [H] Energie, Energie, Dipol, Dipol, Magnet, Magnet
Ein Magnetischer Dipol mit dem Dipolmoment µ = (0, 0, m) ⊤ befindet sich in einem homogenen
Magnetfeld B = (0, 0, B) ⊤ . Er ist entlang des Magnetfeldes ausgerichtet.
a) Welche Energie ist nötig, um den Dipol senkrecht zum Feld auszurichten?
b) Welche Energie ist nötig, um den Dipol entgegengesetzt zum Feld auszurichten?
Aufgabe 6 [H] Zyklotron
In einem Zyklotron zur Beschleunigung von Protonen, das einen Radius von 0.7 m habe, herrsche
ein Magnetfeld von 1.4 T.
a) Berechne die Zyklotronfrequenz
b) Welche maximale kinetische Energie haben die Protonen beim Austritt aus dem Beschleuniger?
c) Wie ändern sich die Ergebnisse, wenn statt Protonen Deuteriumkerne (mit gleicher Ladung
aber doppelter Masse) verwendet werden?
Aufgabe 7 [H] Geschwindigkeitsfilter
Ein Protonenstrahl bewege sich auf der x-Achse in positiver Richtung. Er passiere unabgelenkt
mit einer Geschwindigkeit von 12.5 km/s einen Bereich gekreuzter magnetischer und elektrischer
Felder (Geschwindigkeitsfilter).
a) Das Magnetfeld habe den Betrag 0.8 T und verlaufe in positiver y-Richtung. Welche Stärke
und Richtung muss dann das elektrische Feld haben?
b) Würden Elektronen, die sich mit der gleichen Geschwindigkeit bewegen, in derselben Feldanordnung
abgelenkt? Wenn ja, in welche Richtung?
Aufgabe 8 [H] Flugstab
Ein starrer, gerader, waagerecht angebrachter Metalldraht der Länge 1m und der Masse 100 g
sei an seinen Enden durch elektrische Kontakte unterstützt, kann sich jedoch frei nach oben
bewegen. Ein homogenes, horizontales Magnetfeld von 0.5 T stehe senkrecht auf dem Draht.
Jetzt werde ein Schalter geschlossen, der die Kontakte mit einer Spannungsquelle verbindet.
Der Draht schnellt nun bis zur maximalen Höhe h nach oben. In der kurzen Zeitspanne, in der
die Spannungsquelle mit dem Draht verbunden ist, gelange die Ladungsmenge 2 C in den Draht.
Bestimmen Sie die Höhe h.
2