Physik 9/10: Magnetfelder, Induktion und Transformator
Das lernst du
- Ich kann Magnetfelder mit Polen und Feldlinien beschreiben.
- Ich kann erklären, wovon das Magnetfeld einer Spule abhängt.
- Ich kann entscheiden, wann eine Spannung induziert wird.
- Ich kann Generator und Elektromotor als Energiewandler unterscheiden.
- Ich kann Spannungen und Windungszahlen am Transformator berechnen.
- Ich kann begründen, warum Strom mit Hochspannung übertragen wird.
Merksätze
Gleichnamige Pole stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an.
Feldlinien laufen außen vom Nordpol zum Südpol, dicht heißt starkes Feld. Sie sind ein Modell, keine Fäden.
Fließt Strom durch eine Spule, wird sie zum Magneten.
Mehr Windungen und mehr Strom machen das Feld stärker, ein Eisenkern sehr viel stärker. Ohne Strom kein Feld.
Eine Spannung wird nur induziert, wenn sich das Magnetfeld in der Spule ändert.
Ein ruhender Magnet induziert nichts. Schneller, mehr Windungen und ein stärkerer Magnet ergeben mehr Spannung.
Ein Generator macht aus Bewegung elektrische Energie, ein Elektromotor umgekehrt.
Keiner erzeugt Energie: Was hineingeht, kommt als Nutzen und als Wärme heraus.
Ein Transformator braucht Wechselspannung.
Es gilt U₁ : U₂ = N₁ : N₂. Die Seite mit mehr Windungen hat die höhere Spannung.
Beim idealen Transformator gilt I₁ : I₂ = N₂ : N₁: Höhere Spannung heißt kleinerer Strom.
Die Leitung verliert P_V = I² · R. Halber Strom heißt nur ein Viertel Verlust.
Selbst abfragen
Tippen dreht um, Wischen blättert.Leertaste dreht um, Pfeiltasten blättern.
So geht es – ein Beispiel je Aufgabenart
Zwei Stabmagnete werden so zusammengeschoben, dass sich ein Südpol und ein Südpol gegenüberstehen. Was spürst du?
- Schau, welche Pole sich gegenüberstehen.
- Südpol und Südpol sind gleichnamig.
- Gleichnamige Pole stoßen sich ab.
Ergebnis: Sie stoßen sich ab.
Das Bild zeigt die Feldlinien eines Magnetstabs aus der Sammlung. Wo ist das Magnetfeld stärker: bei A oder bei B? Begründe.
- Die Dichte der Feldlinien zeigt die Stärke des Feldes.
- Bei B liegen die Linien dicht, bei A weit auseinander.
- Also ist das Feld bei B stärker.
Ergebnis: bei B, dort liegen die Feldlinien dichter
Eine Spule mit 100 Windungen erzeugt bei 2 A innen 0,4 mT. Eine gleich lange Spule hat 400 Windungen, auch 2 A. Wie stark ist ihr Feld? Berechne mit Einheit.
- Das Feld wächst im gleichen Verhältnis wie die Windungszahl.
- 400 : 100 = 4
- B = 4 · 0,4 mT = 1,6 mT
Ergebnis: 1,6 mT
Ein Kran im Hafen hebt Stahlrohre mit einem Elektromagneten an. Wie lässt er sie am Ziel wieder los?
- Ein Elektromagnet ist eine Spule mit Eisenkern.
- Nur solange Strom fließt, hat er ein Magnetfeld.
- Strom aus: Das Feld verschwindet, die Last fällt ab.
Ergebnis: Er schaltet den Strom in der Spule ab.
Wörter
- Gleichnamig
- gleicher Nenner – gleich große Teile
Typische Fehler – so sieht es falsch aus, so richtig
Magnet liegt ruhig in der Spule → Spannung
Magnet ruht → Feld in der Spule gleich → keine Spannung; nur beim Bewegen
Eine Spannung entsteht nur, wenn sich das Magnetfeld in der Spule ändert. Ein ruhender Magnet induziert nichts.
12 V Gleichspannung, 200 und 100 Windungen: U₂ = 6 V dauernd
12 V Gleichspannung, 200 und 100 Windungen: Feld bleibt gleich → U₂ = 0 V
Ein gleichbleibender Strom erzeugt ein gleichbleibendes Feld. Ohne Änderung wird nichts induziert: Ein Transformator braucht Wechselspannung.
N₁ = 1000, N₂ = 50, U₁ = 230 V: U₂ = 230 V · 1000 : 50
U₂ = 230 V · 50 : 1000 = 11,5 V
Prüf die Richtung: Mehr Windungen heißt mehr Spannung, mehr Strom heißt mehr Feld. Schätz zuerst, ob das Ergebnis größer oder kleiner wird.
10 kV → 110 kV: der Strom wird elfmal größer
10 kV → 110 kV: die Leistung bleibt, der Strom wird elfmal kleiner
Höhere Spannung heißt bei gleicher Leistung kleinerer Strom. Genau das spart Verluste in der Leitung.
Zwischen den Feldlinien ist kein Magnetfeld.
zwischen zwei Linien → der Kompass zeigt trotzdem eine Richtung, das Feld ist überall
Feldlinien sind ein Modell. Das Feld gibt es überall, auch zwischen den Linien. Dichte Linien heißen starkes Feld.
Nordpol und Nordpol ziehen sich an.
Nordpol und Nordpol → Abstoßung, Nordpol und Südpol → Anziehung
Gleichnamige Pole stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an. Eisen wird von beiden Polen angezogen.
Magnet zieht Aluminium, Kupfer und Eisen an.
Eisen, Nickel, Stahl → angezogen; Aluminium, Kupfer → nicht angezogen
Nur Eisen, Nickel, Kobalt und Stahl werden von einem Magneten angezogen. Aluminium, Kupfer und Messing nicht.
Strom aus: Der Elektromagnet hält weiter.
Strom aus → kein Feld → die Last fällt ab
Ein Elektromagnet ist nur ein Magnet, solange Strom durch die Spule fließt. Ohne Strom ist das Feld weg.
Fahrraddynamo: elektrische Energie → Bewegung
Fahrraddynamo: Bewegungsenergie → elektrische Energie (Generator)
Ein Generator macht aus Bewegung elektrische Energie, ein Elektromotor aus elektrischer Energie Bewegung. Frag, was hineingeht.
Generator: 500 J hinein, 600 J heraus
500 J hinein = 400 J elektrisch + 100 J Wärme
Energie entsteht nicht und verschwindet nicht. Ein Wandler macht aus einer Energieart eine andere, ein Teil wird Wärme.
Masse = 50 N
Masse m = 5 kg, Gewichtskraft F = 50 N
Hier sind zwei Größen vertauscht. Schreib zuerst auf: Gegeben ist …, gesucht ist … – mit Formelzeichen.
Gesamtwiderstand gesucht, Antwort: I = 0,5 A
erst I = 0,5 A, dann weiter bis zur gesuchten Größe
Das ist ein richtiger Zwischenschritt. Lies noch einmal, was gesucht ist, und rechne weiter.
p = 200 N : 50 cm² = 4 Pa
50 cm² = 0,005 m², p = 200 N : 0,005 m² = 40 000 Pa
Die Angaben passen noch nicht zusammen. Rechne zuerst in die Einheiten der Formel um, dann setz ein.
ρ = 54 : 20 = 2,7
ρ = 54 g : 20 cm³ = 2,7 g/cm³
Deine Zahl stimmt – aber eine Größe ist Zahl und Einheit. Schreib die Einheit dazu.
Weiter lesen und ausprobieren – auf fremden Seiten
- PhET-Simulation (University of Colorado Boulder): Wellen auf einer Schnur (CC BY-NC 4.0 – nur verlinkt)
Zum Ausdrucken: Drucken-Befehl des Browsers – die Seite ist dafür gebaut. Üben geht am Handy über den Code deiner Klasse, nicht hier.