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Magnetfeld eines geraden Leiters
Grundwissen
- Das Magnetfeld um einen geraden Leiter verläuft in konzentrischen Kreisen um den Leiter.
- Richtung und Stärke des Magnetfeldes werden u.a. von Stromstärke und Stromrichtung im Leiter bestimmt.
- Die Richtung und die Orientierung des Magnetfeldes kannst du mit der Rechten-Faust-Regel ermitteln.
Grundwissen
- Das Magnetfeld um einen geraden Leiter verläuft in konzentrischen Kreisen um den Leiter.
- Richtung und Stärke des Magnetfeldes werden u.a. von Stromstärke und Stromrichtung im Leiter bestimmt.
- Die Richtung und die Orientierung des Magnetfeldes kannst du mit der Rechten-Faust-Regel ermitteln.
Magnetfeld einer Zylinderspule
Grundwissen
- Das Magnetfeld im Innenraum einer langgestreckten Spule ist annähernd homogen.
- Für die magnetische Feldstärke (magnetische Flussdichte) in einer luftgefüllten Spule gilt \(B = {\mu _0} \cdot \frac{{I \cdot N}}{l}\).
- Die magnetische Feldstärke kann mithilfe ferromagnetischer Stoffe im Innenraum um den materialabhängigen Faktor \(\mu_r\) verstärkt werden.
Grundwissen
- Das Magnetfeld im Innenraum einer langgestreckten Spule ist annähernd homogen.
- Für die magnetische Feldstärke (magnetische Flussdichte) in einer luftgefüllten Spule gilt \(B = {\mu _0} \cdot \frac{{I \cdot N}}{l}\).
- Die magnetische Feldstärke kann mithilfe ferromagnetischer Stoffe im Innenraum um den materialabhängigen Faktor \(\mu_r\) verstärkt werden.
Magnetfeld und Feldlinien
Grundwissen
- Das Magnetfeld ist der Wirkungsbereich eines Magneten. Es beschreibt seine Kraftwirkung auf einen anderen Magneten.
- Magnetfelder können mit Feldlinienbildern dargestellt werden.
- Magnetische Feldlinien verlaufen außerhalb des Magneten vom Nord- zum Südpol und schneiden sich nicht.
- Die Erde ist von einem Magnetfeld umgeben. Am geografischen Nordpol ist der magnetische Südpol.
Grundwissen
- Das Magnetfeld ist der Wirkungsbereich eines Magneten. Es beschreibt seine Kraftwirkung auf einen anderen Magneten.
- Magnetfelder können mit Feldlinienbildern dargestellt werden.
- Magnetische Feldlinien verlaufen außerhalb des Magneten vom Nord- zum Südpol und schneiden sich nicht.
- Die Erde ist von einem Magnetfeld umgeben. Am geografischen Nordpol ist der magnetische Südpol.
Fadenpendel
Grundwissen
- Ein Fadenpendel mit einem Faden der Länge \(l\) schwingt bei kleinen Auslenkungen harmonisch mit der Zeit-Ort-Funktion \(x(t) = \hat{x} \cdot \cos \left( \omega \cdot t \right)\) mit \(\omega=\sqrt {\frac{g}{l}}\)
- Die Schwingungsdauer berechnet sich durch \(T = 2\pi \cdot \sqrt {\frac{l}{{g}}} \); sie ist insbesondere unabhängig von der Amplitude \(\hat{x} \) der Schwingung und der Masse \(m\) des Pendelkörpers.
Grundwissen
- Ein Fadenpendel mit einem Faden der Länge \(l\) schwingt bei kleinen Auslenkungen harmonisch mit der Zeit-Ort-Funktion \(x(t) = \hat{x} \cdot \cos \left( \omega \cdot t \right)\) mit \(\omega=\sqrt {\frac{g}{l}}\)
- Die Schwingungsdauer berechnet sich durch \(T = 2\pi \cdot \sqrt {\frac{l}{{g}}} \); sie ist insbesondere unabhängig von der Amplitude \(\hat{x} \) der Schwingung und der Masse \(m\) des Pendelkörpers.
Federpendel gedämpft
Grundwissen
- Beim gedämpften Pendel wirkt zusätzlich zur Federkraft auch eine Reibungskraft auf den Pendelkörper.
- Für verschiedene Werte von Pendelmasse \(m\), Federkonstante \(D\) und Dämpfungskonstante \(k\) hat die Bewegungsgleichung unterschiedliche Lösungen
- Man unterscheidet drei Fälle: Schwingfall, aperiodischer Grenzfall und Kriechfall
Grundwissen
- Beim gedämpften Pendel wirkt zusätzlich zur Federkraft auch eine Reibungskraft auf den Pendelkörper.
- Für verschiedene Werte von Pendelmasse \(m\), Federkonstante \(D\) und Dämpfungskonstante \(k\) hat die Bewegungsgleichung unterschiedliche Lösungen
- Man unterscheidet drei Fälle: Schwingfall, aperiodischer Grenzfall und Kriechfall
Stromrichtige und Spannungsrichtige Messung
Grundwissen
- Messgeräte können die genaue Messung von Größen beeinflussen.
- Je nachdem, ob die die Stromstärke \(I\) oder die Spannung \(U\) besonders genau messen möchtest, musst du deine Messgeräte schalten.
Grundwissen
- Messgeräte können die genaue Messung von Größen beeinflussen.
- Je nachdem, ob die die Stromstärke \(I\) oder die Spannung \(U\) besonders genau messen möchtest, musst du deine Messgeräte schalten.
p-n-Übergang - Halbleiterdiode
Grundwissen
Joachim Herz Stiftung
- Halbleiterdioden bestehen aus zwei Schichten: einem p-Halbleiter und einem n-Halbleiter
- Dioden besitzen eine Durchlassrichtung und eine Sperrrichtung
- Liegt der Pluspol an der p-Schicht, so ist die Diode in Durchlassrichtung geschaltet
Grundwissen
Joachim Herz Stiftung
- Halbleiterdioden bestehen aus zwei Schichten: einem p-Halbleiter und einem n-Halbleiter
- Dioden besitzen eine Durchlassrichtung und eine Sperrrichtung
- Liegt der Pluspol an der p-Schicht, so ist die Diode in Durchlassrichtung geschaltet
Größen zur Beschreibung von Induktionsvorgängen
Grundwissen
- Bei unseren Versuchen und Aufgaben zur Induktion ist das magnetische Feld stets homogen und kann durch einen einzigen Feldvektor \(\vec B\) beschrieben werden.
- Bei unseren Versuchen und Aufgaben zur Induktion ist die Leiterschleife stets eben und kann durch einen einzigen Flächenvektor \(\vec A\) beschrieben werden. \(\vec A\) beschreibt dabei die (Teil-)Fläche der Leiterschleife, die sich im magnetischen Feld befindet.
- Bei Induktionsvorgängen ist \(\varphi\) die Weite des Winkels zwischen dem Feldvektor \(\vec B\) und dem Flächenvektor \(\vec A\).
Grundwissen
- Bei unseren Versuchen und Aufgaben zur Induktion ist das magnetische Feld stets homogen und kann durch einen einzigen Feldvektor \(\vec B\) beschrieben werden.
- Bei unseren Versuchen und Aufgaben zur Induktion ist die Leiterschleife stets eben und kann durch einen einzigen Flächenvektor \(\vec A\) beschrieben werden. \(\vec A\) beschreibt dabei die (Teil-)Fläche der Leiterschleife, die sich im magnetischen Feld befindet.
- Bei Induktionsvorgängen ist \(\varphi\) die Weite des Winkels zwischen dem Feldvektor \(\vec B\) und dem Flächenvektor \(\vec A\).
Gleichgewicht von Kräften (Fortführung)
Grundwissen
- Auch drei oder mehr Kräfte können im Gleichgewicht sein.
- Mehrere Kräfte sind im Gleichgewicht, wenn die schrittweise ermittelte Ersatzkraft aller Kräfte Null ist.
Grundwissen
- Auch drei oder mehr Kräfte können im Gleichgewicht sein.
- Mehrere Kräfte sind im Gleichgewicht, wenn die schrittweise ermittelte Ersatzkraft aller Kräfte Null ist.
Elektromagnetischer Schwingkreis ungedämpft
Grundwissen
- Ein Schwingkreis besteht zentral aus einem Kondensator mit Kapazität \(C\), der zu Beginn mittels elektrischer Quelle auf \(U_0\) aufgeladen wird, und einer Spule der Induktivität \(L\).
- Im ungedämpften Fall schwingt der Kreis harmonisch mit der Schwingungsdauer \(T = 2 \cdot \pi \cdot \sqrt {L \cdot C}\)
- Die Spannung über dem Kondensator wird beschrieben durch \(U_C(t) = \left| {{U_0}} \right| \cdot \cos \left( {{\omega _0} \cdot t} \right)\quad {\rm{mit}}\quad{\omega _0} = \sqrt {\frac{1}{L \cdot C}}\)
Grundwissen
- Ein Schwingkreis besteht zentral aus einem Kondensator mit Kapazität \(C\), der zu Beginn mittels elektrischer Quelle auf \(U_0\) aufgeladen wird, und einer Spule der Induktivität \(L\).
- Im ungedämpften Fall schwingt der Kreis harmonisch mit der Schwingungsdauer \(T = 2 \cdot \pi \cdot \sqrt {L \cdot C}\)
- Die Spannung über dem Kondensator wird beschrieben durch \(U_C(t) = \left| {{U_0}} \right| \cdot \cos \left( {{\omega _0} \cdot t} \right)\quad {\rm{mit}}\quad{\omega _0} = \sqrt {\frac{1}{L \cdot C}}\)
Elektromagnetischer Schwingkreis gedämpft
Grundwissen
- Der Widerstand der Bauteile in einem Schwingkreis führt zur Dämpfung der Schwingung.
- Die Differentialgleichung der gedämpften elektromagnetischen Schwingung ist \(L \cdot \ddot Q + \frac{Q}{C} + R \cdot \dot Q = 0\).
Grundwissen
- Der Widerstand der Bauteile in einem Schwingkreis führt zur Dämpfung der Schwingung.
- Die Differentialgleichung der gedämpften elektromagnetischen Schwingung ist \(L \cdot \ddot Q + \frac{Q}{C} + R \cdot \dot Q = 0\).
Elektromagnetischer Schwingkreis angeregt
Grundwissen
- Einem angeregten elektromagnetischen Schwingkreis wird eine äußere Spannung \(U(t)\) aufgeprägt.
- Die Differentialgleichung lautet \(U(t) = L \cdot \ddot Q + \frac{Q}{C} + R \cdot \dot Q\)
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- Einem angeregten elektromagnetischen Schwingkreis wird eine äußere Spannung \(U(t)\) aufgeprägt.
- Die Differentialgleichung lautet \(U(t) = L \cdot \ddot Q + \frac{Q}{C} + R \cdot \dot Q\)
Leuchtdioden (LED) - Einführung
Grundwissen
- Leuchtdioden sind Halbleiterdioden, die Licht , Infrarotstrahlung oder Ultraviolettstrahlung aussenden.
- LEDs müssen in Durchlassrichtung geschaltet werden, damit sie leuchten.
- LEDs sind effiziente Lichtquellen mit geringem Energiebedarf.
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- Leuchtdioden sind Halbleiterdioden, die Licht , Infrarotstrahlung oder Ultraviolettstrahlung aussenden.
- LEDs müssen in Durchlassrichtung geschaltet werden, damit sie leuchten.
- LEDs sind effiziente Lichtquellen mit geringem Energiebedarf.
Gravitation - Ursache der Gewichtskraft
Grundwissen
- Physikalische Ursache für die Gewichtskraft ist die Massenanziehung, auch Gravitation genannt.
- Die Größe der Gravitationskraft wird vom Abstand \(r\) der sich anziehenden Körper und ihren Massen \(m_1, m_2\) beeinflusst.
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- Physikalische Ursache für die Gewichtskraft ist die Massenanziehung, auch Gravitation genannt.
- Die Größe der Gravitationskraft wird vom Abstand \(r\) der sich anziehenden Körper und ihren Massen \(m_1, m_2\) beeinflusst.
Stehende Wellen - Analyse mit Wellenfunktion
Grundwissen
- Mathematisch kannst du eine stehende Welle durch Addition der Wellenfunktionen der sich überlagernden Wellen beschreiben.
- Die sich ergebende Wellenfunktion zeigt, dass die Schwingung in allen Punkten phasengleich, aber die Amplitude ortsabhängig ist.
Grundwissen
- Mathematisch kannst du eine stehende Welle durch Addition der Wellenfunktionen der sich überlagernden Wellen beschreiben.
- Die sich ergebende Wellenfunktion zeigt, dass die Schwingung in allen Punkten phasengleich, aber die Amplitude ortsabhängig ist.
Kombination von Federn oder Gummis
Grundwissen
- Sind mehrere Federn nebeneinander platziert, also parallel "geschaltet", so addieren sie die einzelnen Federkonstanten zu einer höheren Gesamtfederkonstanten auf.
- Sind mehrere Federn aneinandergehängt, so ergibt sich eine Gesamtfederkonstante, die kleiner ist als die kleinste Federkonstante einer einzelnen Feder.
Grundwissen
- Sind mehrere Federn nebeneinander platziert, also parallel "geschaltet", so addieren sie die einzelnen Federkonstanten zu einer höheren Gesamtfederkonstanten auf.
- Sind mehrere Federn aneinandergehängt, so ergibt sich eine Gesamtfederkonstante, die kleiner ist als die kleinste Federkonstante einer einzelnen Feder.
Einfache Stromkreise
Grundwissen
- Es gibt viele verschieden Arten Stromkreise zu schalten.
- Bei UND-Schaltungen müssen für einen Stromfluss alle Schalter geschlossen sein.
- Bei ODER-Schaltungen muss für einen Stromfluss nur ein Schalter geschlossen sein.
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- Es gibt viele verschieden Arten Stromkreise zu schalten.
- Bei UND-Schaltungen müssen für einen Stromfluss alle Schalter geschlossen sein.
- Bei ODER-Schaltungen muss für einen Stromfluss nur ein Schalter geschlossen sein.
Kinetische Energie
Grundwissen
- Die kinetische Energie \(E_{\rm{kin}}\) eines Körpers ist proportional zu seiner Masse \(m\) und proportional zum Quadrat \(v^2\) seiner Geschwindigkeit.
- Für die kinetische Energie eines Körpers gilt \(E_{\rm{kin}}=\frac{1}{2}\cdot m\cdot v^2\).
- Die Einheit der kinetischen Energie ist das Joule: \(\left[ E_{\rm{kin}} \right] =1\,\rm{J}\).
Grundwissen
- Die kinetische Energie \(E_{\rm{kin}}\) eines Körpers ist proportional zu seiner Masse \(m\) und proportional zum Quadrat \(v^2\) seiner Geschwindigkeit.
- Für die kinetische Energie eines Körpers gilt \(E_{\rm{kin}}=\frac{1}{2}\cdot m\cdot v^2\).
- Die Einheit der kinetischen Energie ist das Joule: \(\left[ E_{\rm{kin}} \right] =1\,\rm{J}\).
Potentielle Energie
Grundwissen
- Die potentielle Energie \(E_{\rm{pot}}\) "eines Körpers" ist proportional zu seiner Masse \(m\), dem Ortsfaktor \(g\) und zur Höhe \(h\) des Körpers über einem definierten Nullniveau (meist dem Erdboden).
- Für die potentielle Energie gilt \(E_{\rm{pot}} = m \cdot g \cdot h\).
- Die Einheit der potentiellen Energie ist das Joule: \(\left[ E_{\rm{pot}} \right] =1\,\rm{J}\).
Grundwissen
- Die potentielle Energie \(E_{\rm{pot}}\) "eines Körpers" ist proportional zu seiner Masse \(m\), dem Ortsfaktor \(g\) und zur Höhe \(h\) des Körpers über einem definierten Nullniveau (meist dem Erdboden).
- Für die potentielle Energie gilt \(E_{\rm{pot}} = m \cdot g \cdot h\).
- Die Einheit der potentiellen Energie ist das Joule: \(\left[ E_{\rm{pot}} \right] =1\,\rm{J}\).
Spannenergie
Grundwissen
- Die Spannenergie \(E_{\rm{Spann}}\) einer gedehnten Feder ist proportional zu ihrer Federkonstante \(D\) und proportional zum Quadrat \(s^2\) ihrer Längenänderung.
- Für die Spannenergie einer Feder gilt \(E_{\rm{Spann}}=\frac{1}{2}\cdot D\cdot s^2\).
- Die Einheit der Spannenergie ist das Joule: \(\left[ E_{\rm{Spann}} \right] =1\,\rm{J}\).
Grundwissen
- Die Spannenergie \(E_{\rm{Spann}}\) einer gedehnten Feder ist proportional zu ihrer Federkonstante \(D\) und proportional zum Quadrat \(s^2\) ihrer Längenänderung.
- Für die Spannenergie einer Feder gilt \(E_{\rm{Spann}}=\frac{1}{2}\cdot D\cdot s^2\).
- Die Einheit der Spannenergie ist das Joule: \(\left[ E_{\rm{Spann}} \right] =1\,\rm{J}\).
Kraft zwischen Magnetpolen
Grundwissen
- Gleichartige Pole stoßen sich ab, verschiedenartige Pole ziehen sich an.
- Der Betrag der (anziehenden oder abstoßenden) Kraft wächst mit der "Stärke" der Magnetpole.
- Der Betrag der (anziehenden oder abstoßenden) Kraft sinkt mit der Vergrößerung des Abstands zwischen den Magnetpolen.
Grundwissen
- Gleichartige Pole stoßen sich ab, verschiedenartige Pole ziehen sich an.
- Der Betrag der (anziehenden oder abstoßenden) Kraft wächst mit der "Stärke" der Magnetpole.
- Der Betrag der (anziehenden oder abstoßenden) Kraft sinkt mit der Vergrößerung des Abstands zwischen den Magnetpolen.
Kraft zwischen elektrischen Ladungen
Grundwissen
- Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab, ungleichnamige Ladungen ziehen sich an.
- Der Betrag der (anziehenden oder abstoßenden) Kraft wächst mit der "Größe" der Ladungen.
- Der Betrag der (anziehenden oder abstoßenden) Kraft sinkt mit der Vergrößerung des Abstands zwischen den Ladungen.
Grundwissen
- Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab, ungleichnamige Ladungen ziehen sich an.
- Der Betrag der (anziehenden oder abstoßenden) Kraft wächst mit der "Größe" der Ladungen.
- Der Betrag der (anziehenden oder abstoßenden) Kraft sinkt mit der Vergrößerung des Abstands zwischen den Ladungen.
HALL-Effekt
Grundwissen
- Befindet sich ein stromdurchflossener Leiter in einem homogenen Magnetfeld, dann baut sich senkrecht sowohl zur Stromfluss- als auch zur Magnetfeldrichtung über dem Leiter eine Spannung, die sogenannte HALL-Spannung \(U_{\rm{H}}\) auf.
- Ist \(I\) die Stärke des Stroms durch den Leiter, \(B\) die magnetische Feldstärke und \(d\) die Dicke des Leiters parallel zu \(\vec B\), dann berechnet sich die HALL-Spannung durch \({U_{\rm{H}}} = {R_{\rm{H}}} \cdot \frac{{I \cdot B}}{d}\) mit der vom Material des Leiters abhängigen HALL-Konstanten \({R_{\rm{H}}}\).
Grundwissen
- Befindet sich ein stromdurchflossener Leiter in einem homogenen Magnetfeld, dann baut sich senkrecht sowohl zur Stromfluss- als auch zur Magnetfeldrichtung über dem Leiter eine Spannung, die sogenannte HALL-Spannung \(U_{\rm{H}}\) auf.
- Ist \(I\) die Stärke des Stroms durch den Leiter, \(B\) die magnetische Feldstärke und \(d\) die Dicke des Leiters parallel zu \(\vec B\), dann berechnet sich die HALL-Spannung durch \({U_{\rm{H}}} = {R_{\rm{H}}} \cdot \frac{{I \cdot B}}{d}\) mit der vom Material des Leiters abhängigen HALL-Konstanten \({R_{\rm{H}}}\).
Geladene Teilchen in elektrischen und magnetischen Feldern
Grundwissen
- Hier findest du vermischte Aufgaben zu allen Themen aus diesem Themenbereich
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Luftdruck
Grundwissen
- Der Luftdruck ist der Druck, der aufgrund der Gewichtskraft der Luftsäule überhalb eines Körpers auf diesen Körper wirkt.
- Luftdruck wird häufig in der Einheit \(\rm{bar}\) angegeben, wobei \(1\,\rm{bar}=10^5\,\rm{Pa}\) entspricht.
- Der mittlere Luftdruck der Atmosphäre auf Meereshöhe beträgt mit \(101\,325\,\rm{Pa}\) etwa \(1\,\rm{bar}\).
Grundwissen
- Der Luftdruck ist der Druck, der aufgrund der Gewichtskraft der Luftsäule überhalb eines Körpers auf diesen Körper wirkt.
- Luftdruck wird häufig in der Einheit \(\rm{bar}\) angegeben, wobei \(1\,\rm{bar}=10^5\,\rm{Pa}\) entspricht.
- Der mittlere Luftdruck der Atmosphäre auf Meereshöhe beträgt mit \(101\,325\,\rm{Pa}\) etwa \(1\,\rm{bar}\).
Elektromotor
Grundwissen
- Ein Elektromotor wandelt elektrische in mechanische Energie um.
- Meist besteht eine Elektromotor aus einem äußeren, von den Statoren verursachten Magnetfeld, in dem sich ein Elektromagnet (Rotor) dreht.
- Die Abstoßung gleichnamiger bzw. die Anziehung ungleichnamiger Magnetpole sorgt für die Bewegung des Rotors.
- Der Kommutator sorgt für eine Umpolung des Rotors. Nur so bewegt sich der Motor kontinuierlich.
Grundwissen
- Ein Elektromotor wandelt elektrische in mechanische Energie um.
- Meist besteht eine Elektromotor aus einem äußeren, von den Statoren verursachten Magnetfeld, in dem sich ein Elektromagnet (Rotor) dreht.
- Die Abstoßung gleichnamiger bzw. die Anziehung ungleichnamiger Magnetpole sorgt für die Bewegung des Rotors.
- Der Kommutator sorgt für eine Umpolung des Rotors. Nur so bewegt sich der Motor kontinuierlich.
Beugung und Interferenz von Elektronen an Kristallgittern
Grundwissen
- De BROGLIEs theoretische Überlegungen zur Wellennatur von Materie konnten 1927 von den amerikanischen Physikern Clinton Joseph DAVISSON und Lester Halbert GERMER sowie unabhängig davon vom englischen Physiker George Paget THOMSON durch die Elektronenbeugung an Kristallen bestätigt werden.
Grundwissen
- De BROGLIEs theoretische Überlegungen zur Wellennatur von Materie konnten 1927 von den amerikanischen Physikern Clinton Joseph DAVISSON und Lester Halbert GERMER sowie unabhängig davon vom englischen Physiker George Paget THOMSON durch die Elektronenbeugung an Kristallen bestätigt werden.
Beugung und Interferenz von Elektronen außerhalb von Materie
Grundwissen
- Die Wellennatur von Materie konnte zwischen 1955 und 1957 von MÖLLENSTEDT und seinen Schülern DÜKER und JÖNSSON auch beim Durchgang von Elektronen durch ein elektrisches Biprisma und sogar durch einen materiellen Doppelspalt bestätigt werden.
Grundwissen
- Die Wellennatur von Materie konnte zwischen 1955 und 1957 von MÖLLENSTEDT und seinen Schülern DÜKER und JÖNSSON auch beim Durchgang von Elektronen durch ein elektrisches Biprisma und sogar durch einen materiellen Doppelspalt bestätigt werden.
Gekoppelte Pendel
Grundwissen
- Bei zwei schwach gekoppelten Pendeln wird die Schwingungsenergie zwischen den beiden Teilsystemen hin und her übertragen.
Grundwissen
- Bei zwei schwach gekoppelten Pendeln wird die Schwingungsenergie zwischen den beiden Teilsystemen hin und her übertragen.
Ferromagnetismus
Grundwissen
- In ferromagnetischen Stoffen gibt es sog. WEISSsche Bezirke.
- Ist das Material unmagnetisiert, so sind die WEISSschen Bezirke regellos ausgerichtet.
- In einem äußeren Magnetfeld richten sich die WEISSschen Bezirke parallel zum äußeren Feld aus und verstärken dieses.
Grundwissen
- In ferromagnetischen Stoffen gibt es sog. WEISSsche Bezirke.
- Ist das Material unmagnetisiert, so sind die WEISSschen Bezirke regellos ausgerichtet.
- In einem äußeren Magnetfeld richten sich die WEISSschen Bezirke parallel zum äußeren Feld aus und verstärken dieses.