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Aufgabe

Elektromagnetische Kräfte auf eine bewegte Kugel

Schwierigkeitsgrad: schwere Aufgabe

Joachim Herz Stiftung
Abb. 1 Skizze zur Aufgabe

a)Eine Holzkugel ist an einem isolierten Faden aufgehängt und wird aus der Ruhelage ausgelenkt. Sie schwingt am Nordpol eines Stabmagneten vorbei. Skizziere eine mögliche Bahn der Kugel und begründe das Versuchsergebnis.

b)Eine Eisenkugel ist an einem isolierten Faden aufgehängt und wird aus der Ruhelage ausgelenkt. Sie schwingt am Nordpol eines Stabmagneten vorbei. Skizziere eine mögliche Bahn der Kugel und begründe das Versuchsergebnis detailliert.

c)Die ausgelenkte Eisenkugel schwingt nun am Südpol eines Stabmagneten vorbei. Was kann man jetzt über die Bahn der Kugel sagen?

d)Die ausgelenkte Eisenkugel am Isolierfaden sei nun elektrisch positiv aufgeladen. Sie schwingt an einem elektrisch positiv aufgeladenen Kunststoffblock vorbei. Wie verhält sich die Kugel? Begründung!

e)Die ausgelenkte Eisenkugel am Isolierfaden sei nun elektrisch negativ aufgeladen. Sie schwingt an einem elektrisch positiv aufgeladenen Kunststoffblock vorbei. Wie verhält sich die Kugel? Begründung!

f)Die ausgelenkte Eisenkugel am Isolierfaden sei nun elektrisch ungeladen. Sie schwingt an einem elektrisch negativ aufgeladenen Kunststoffblock vorbei. Wie verhält sich die Kugel? Begründung!

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Abb. 2 Schwingung einer Holz- und einer Eisenkugel in der Nähe eines Permanentmagneten

a)Die Holzkugel erfährt durch den Magneten keine Kraft, sie schwingt unabgelenkt am Magneten vorbei (vgl. Animation).

b)Die Eisenkugel erfährt durch den Nordpol des Magneten eine anziehende Kraft, sie wird abgelenkt (vgl. Animation).

In der Eisenkugel werden die zunächst ungeordneten Elementarmagnete so ausgerichtet, dass ihre Südpole zum Nordpol des Stabmagneten zeigen (magnetische Influenz). Dadurch kommt es zur Anziehung.

c)Schwingt die Eisenkugel am Südpol des Magneten vorbei kommt es zur gleichen Ablenkung wie bei Teilaufgabe b). Hier zeigen die Nordpole der ausgerichteten Elementarmagnete in der Kugel zum Südpol des Stabmagneten.

d)Kugel und Kunststoffblock sind elektrisch gleichartig geladen, es kommt zur Abstoßung. Die Kugel schwingt vom Kunststoffblock weg.

e)Kugel und Kunststoffblock sind elektrisch verschiedenartig geladen, es kommt zur Anziehung. Die Kugel verhält sich ähnlich wie in Teilaufgabe b.

Joachim Herz Stiftung
Abb. 3 Skizze zur Lösung

f)In der Kugel tritt elektrische Influenz auf. An der dem Kunststoffblock zugewandten Seite der Kugel häufen sich die positiven, auf der dem Block abgewandten Seite die negativen Ladungen der Kugel an. Da die positiven Ladungen der Kugel näher am negativen Kunststoffblock sind als die negativen Ladungen der Kugel, kommt es zur Anziehung. Diese ist jedoch schwächer als bei Teilaufgabe e.

Grundwissen zu dieser Aufgabe

Elektrizitätslehre

Ladungen & Felder - Mittelstufe