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Aufgabe

Magnetische Flussdichte in der Umgebung von geraden Leitern - Formelumstellung

Schwierigkeitsgrad: leichte Aufgabe

Um Aufgaben rund um die Berechnung der magnetischen Flussdichte in der Umgebung von geraden Leitern zu lösen musst du häufig die Gleichung nach einer Größe, die unbekannt ist, auflösen. Wie du das machen kannst zeigen wir dir in der folgenden Animation.

Die Gleichung\[{\color{Red}{{B}}} = {{\mu_0}} \cdot \frac{{{1}}}{2 \, \pi \cdot {{r}}} \cdot {{I}}\]ist bereits nach \({\color{Red}{{B}}}\) aufgelöst. Du brauchst also keine Umformungen durchzuführen.
Um die Gleichung\[{{B}} = {{\mu_0}} \cdot \frac{{{1}}}{2 \, \pi \cdot {\color{Red}{{r}}}} \cdot {{I}}\]nach \({\color{Red}{{r}}}\) aufzulösen, musst du zwei Umformungen durchführen:


Multipliziere beide Seiten der Gleichung mit \({\color{Red}{{r}}}\).\[{{B}} \cdot {\color{Red}{{r}}} = {{\mu_0}} \cdot \frac{{{1}}}{2 \, \pi} \cdot {{I}}\]
Dividiere beide Seiten der Gleichung durch \({{B}}\).\[{\color{Red}{{r}}} = \frac{{{\mu_0}} \cdot {{I}}}{2 \, \pi \cdot {{B}}}\]Die Gleichung ist nach \({\color{Red}{{r}}}\) aufgelöst.
Um die Gleichung\[{{B}} = {{\mu_0}} \cdot \frac{{{1}}}{2 \, \pi \cdot {{r}}} \cdot {\color{Red}{{I}}}\]nach \({\color{Red}{{I}}}\) aufzulösen, musst du drei Umformungen durchführen:


Vertausche die beiden Seiten der Gleichung.\[{{\mu_0}} \cdot \frac{{{1}}}{2 \, \pi \cdot {{r}}} \cdot {\color{Red}{{I}}}={{B}}\]
Multipliziere beide Seiten der Gleichung mit \(2 \, \pi \cdot {{r}}\).\[{{\mu_0}} \cdot {\color{Red}{{I}}} = 2 \, \pi \cdot {{r}} \cdot {{B}} \]
Dividiere beide Seiten der Gleichung durch \({{\mu_0}}\).\[{\color{Red}{{I}}} = \frac{2 \, \pi \cdot {{r}} \cdot {{B}}}{{{\mu_0}}}\]Die Gleichung ist nach \({\color{Red}{{I}}}\) aufgelöst.
Abb. 1 Schrittweises Auflösen der Formel zur Berechnung der magnetischen Flussdichte in der Umgebung eines geraden Leiters nach den drei in der Formel auftretenden Größen
a)

Ein unendlich langer gerader Leiter wird von einem Strom der Stärke \(5{,}0\,\rm{A}\) durchflossen.

Berechne den Betrag der magnetischen Flussdichte in einem Punkt, der \(3{,}0\,\rm{cm}\) vom Leiter entfernt ist.

b)

Im Abstand von \(15{,}0\,\rm{cm}\) von einem sehr langen stromdurchflossenen geraden Leiter misst man eine magnetische Flussdichte von \(2{,}35\,\rm{\mu T}\).

Berechne die Stärke des Stroms, der durch den Leiter fließt.

c)

Misst man in der Nähe eines geraden, sehr langen Leiters, durch den ein Strom der Stärke \(16\,\rm{A}\) fließt, die magnetische Flussdichte, so ergibt sich ein Wert von \(24\,\rm{\mu T}\).

Berechne, in welchem Abstand vom Leiter die magnetische Flussdichte gemessen wurde.

Lösung einblendenLösung verstecken Lösung einblendenLösung verstecken
a)

Mit \(I=5{,}0\,\rm{A}\) und \(r=3{,}0\,\rm{cm}=3{,}0 \cdot 10^{-2}\,\rm{m}\) nutzt man die Formel für die magnetische Flussdichte in der Umgebung eines geraden Leiters\[B = \mu _0 \cdot \frac{1}{2 \cdot \pi  \cdot r} \cdot I\]Einsetzen der gegebenen Werte liefert\[B = 1{,}26 \cdot 10^{-6}\,\frac{\rm{N}}{\rm{A}^2} \cdot \frac{1}{2 \cdot \pi  \cdot 3{,}0 \cdot 10^{-2}\,\rm{m}} \cdot 5{,}0\,\rm{A} = 3{,}3 \cdot 10^{-5}\,\rm{T}\]

b)

Mit \(r=15{,}0\,\rm{cm}=15{,}0 \cdot 10^{-2}\,\rm{m}\) und \(B=2{,}35\,\rm{\mu T}=2{,}35 \cdot 10^{-6}\,\rm{T}\) ergibt sich mit der Formel für die magnetische Flussdichte in der Umgebung eines geraden Leiters\[B = {\mu _0} \cdot \frac{1}{{2 \cdot \pi  \cdot r}} \cdot I\Leftrightarrow I = \frac{{B \cdot 2 \cdot \pi  \cdot r}}{{{\mu _0}}}\]Einsetzen der gegebenen Werte liefert\[I = \frac{{2{,}35 \cdot {{10}^{ - 6}}\,{\rm{T}} \cdot 2 \cdot \pi  \cdot 15{,}0 \cdot {{10}^{ - 2}}\,{\rm{m}}}}{{1{,}26 \cdot {{10}^{ - 6}}\,\frac{{\rm{N}}}{{{{\rm{A}}^{\rm{2}}}}}}} = 1{,}76\,{\rm{A}}\]

c)

Mit \(I=16\,\rm{A}\) und \(B=24\,\rm{\mu T}=24 \cdot 10^{-6}\,\rm{T}\) ergibt sich mit der Formel für die magnetische Flussdichte in der Umgebung eines geraden Leiters\[B = {\mu _0} \cdot \frac{1}{{2 \cdot \pi  \cdot r}} \cdot I \Leftrightarrow r = {\mu _0} \cdot \frac{I}{{2 \cdot \pi  \cdot B}}\]Einsetzen der gegebenen Werte liefert\[r = 1{,}26 \cdot {10^{ - 6}}\,\frac{{\rm{N}}}{{{{\rm{A}}^{\rm{2}}}}} \cdot \frac{{16\,{\rm{A}}}}{{2 \cdot \pi  \cdot 24 \cdot {{10}^{ - 6}}\,{\rm{T}}}} = 0{,}13\,{\rm{m}} = 13\,{\rm{cm}}\]

Grundwissen zu dieser Aufgabe

Elektrizitätslehre

Ströme & magnetisches Feld