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Physik · Klasse 10 · Kapitel

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Magnetfelder und Induktion

  • Entdecken Frage, Vorstellung, Bild
  • Merken kommt ins Heft
  • Beispiel vorgerechnet, Schritt für Schritt
  • Üben selbst rechnen
  • Achtung typischer Fehler
  • Weiterdenken zum Knobeln und Vernetzen

○ mit Starthilfe, ● für alle, ★ zum Weiterdenken. Du wählst mindestens eine ★-Aufgabe. Du rechnest ins Heft.

1Ich beschreibe Magnetfelder mit Feldlinien.

MerkenFeldlinien

Feldlinien laufen außerhalb des Magneten vom Nord- zum Südpol.

Sie schneiden sich nie – wo sie dicht liegen, ist das Feld stark.

BeispielMagnetpole und Kompass

Neben einem Magneten liegen ein Messingschlüssel, ein Goldring und eine Büroklammer aus Stahl. Welcher Gegenstand wird angezogen?
NSein Messingschlüsselein Goldringeine Büroklammer aus Stahl?
Schritt für Schritt
  1. Nicht jedes Metall wird von einem Magneten angezogen.
  2. Angezogen werden Eisen, Stahl, Nickel und Kobalt.
  3. Also nur die Büroklammer.
  1. Nicht jedes Metall wird von einem Magneten angezogen.
  2. Angezogen werden Eisen, Stahl, Nickel und Kobalt.
  3. Also nur die Büroklammer.
Ergebnis:
nur die Büroklammer

AchtungAlle Metalle sind magnetisch

So nicht
Magnet zieht Aluminium, Kupfer und Eisen an.
So richtig
Eisen, Nickel, Stahl → angezogen; Aluminium, Kupfer → nicht angezogen

Frag, woraus der Gegenstand ist. Nur Eisen, Stahl, Nickel und Kobalt werden angezogen.

ÜbenJetzt du

  1. ○1
    Neben einem Magneten liegen ein Messingschlüssel, ein Stück Aluminiumfolie und eine Büroklammer aus Stahl. Welcher Gegenstand wird angezogen?
    NSein Messingschlüsselein Stück Aluminiumfolieeine Büroklammer aus Stahl?
    So fängst du an:
    Nicht jedes Metall wird von einem Magneten angezogen.
    Lösung zeigen
    1. Nicht jedes Metall wird von einem Magneten angezogen.
    2. Angezogen werden Eisen, Stahl, Nickel und Kobalt.
    3. Also nur die Büroklammer.
    Ergebnis:
    nur die Büroklammer
  2. ●2
    Zwei Magnete an Spielzeugwaggons werden so zusammengeschoben, dass sich ein Nordpol und ein Nordpol gegenüberstehen. Was spürst du?
    SNNS?
    Lösung zeigen
    1. Schau, welche Pole sich gegenüberstehen.
    2. Nordpol und Nordpol sind gleichnamig.
    3. Gleichnamige Pole stoßen sich ab.
    Ergebnis:
    Sie stoßen sich ab.
  3. ★3
    Ein Kompass liegt rechts neben dem Nordpol eines Stabmagneten. Wohin zeigt der Nordpol der Kompassnadel? Begründe.
    SN?Kompass
    Lösung zeigen
    1. Die Kompassnadel ist selbst ein kleiner Magnet mit Nordpol und Südpol.
    2. Ihr Nordpol trifft auf den Nordpol des Magneten: gleichnamig.
    3. Vom Magneten weg, gleichnamige Pole stoßen sich ab.
    Ergebnis:
    Vom Magneten weg, gleichnamige Pole stoßen sich ab.

2Ich erkläre das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule.

MerkenSpule

Eine stromdurchflossene Spule hat ein Magnetfeld wie ein Stabmagnet.

Mehr Windungen und mehr Strom bedeuten ein stärkeres Feld.

BeispielMagnetfeld einer Spule

Eine Spule mit 200 Windungen erzeugt bei 1 A innen 0,8 mT. Eine gleich lange Spule hat 400 Windungen, auch 1 A. Wie stark ist ihr Feld? Berechne mit Einheit.
N = 400I = 1 AB = ?vorher: 200 Windungen, 0,8 mT
Schritt für Schritt
  1. Das Feld wächst im gleichen Verhältnis wie die Windungszahl.
  2. 400 : 200 = 2
  3. B = 2 · 0,8 mT = 1,6 mT
  1. Das Feld wächst im gleichen Verhältnis wie die Windungszahl.
  2. 400 : 200 = 2
  3. B = 2 · 0,8 mT = 1,6 mT
Ergebnis:
1,6 mT

AchtungVerhältnis umgekehrt angesetzt

So nicht
N₁ = 1000, N₂ = 50, U₁ = 230 V: U₂ = 230 V · 1000 : 50
So richtig
U₂ = 230 V · 50 : 1000 = 11,5 V

Schätz zuerst: Muss das Ergebnis größer oder kleiner werden? Dann wähle die Richtung des Verhältnisses.

ÜbenJetzt du

  1. ○4
    In einer Spule mit 300 Windungen fließen 2 A. Innen misst man 0,6 mT. Wie stark ist das Magnetfeld bei 4 A? Berechne mit Einheit.
    N = 300I = 4 AB = ?vorher: 2 A, 0,6 mT
    So fängst du an:
    Das Feld wächst im gleichen Verhältnis wie die Stromstärke.
    Lösung zeigen
    1. Das Feld wächst im gleichen Verhältnis wie die Stromstärke.
    2. 4 A : 2 A = 2
    3. B = 2 · 0,6 mT = 1,2 mT
    Ergebnis:
    1,2 mT
  2. ●5
    In einer Spule mit 400 Windungen fließen 0,5 A. Innen misst man 0,6 mT. Wie stark ist das Magnetfeld bei 1 A? Berechne mit Einheit.
    N = 400I = 1 AB = ?vorher: 0,5 A, 0,6 mT
    Lösung zeigen
    1. Das Feld wächst im gleichen Verhältnis wie die Stromstärke.
    2. 1 A : 0,5 A = 2
    3. B = 2 · 0,6 mT = 1,2 mT
    Ergebnis:
    1,2 mT
  3. ★6
    Eine Spule mit 400 Windungen erzeugt bei 0,5 A innen 0,8 mT. Eine gleich lange Spule hat 1200 Windungen und 1,5 A. Wie stark ist ihr Magnetfeld? Berechne mit Einheit.
    N = 1200I = 1,5 AB = ?Vergleich: 400 Windungen, 0,5 A, 0,8 mT
    Lösung zeigen
    1. Das Feld wächst im gleichen Verhältnis wie die Windungszahl und wie die Stromstärke.
    2. Windungen: 1200 : 400 = 3, Strom: 1,5 A : 0,5 A = 3
    3. B = 0,8 mT · 3 · 3 = 7,2 mT
    Ergebnis:
    7,2 mT

3Ich beschreibe, wann eine Spannung induziert wird.

MerkenInduktion

Eine Spannung wird nur induziert, wenn sich das Magnetfeld durch die Spule ÄNDERT.

Ein ruhender Magnet induziert nichts.

BeispielWann wird eine Spannung induziert?

Eine Spule wird über einen ruhenden Magneten geschoben. Die Spule hat 300 Windungen und ist an ein Messgerät angeschlossen. Zeigt es eine Spannung an? Begründe.
NSVU = ?N = 300
Schritt für Schritt
  1. Eine Spannung wird nur induziert, wenn sich das Magnetfeld in der Spule ändert.
  2. Hier ändert sich das Feld in der Spule, weil sich Magnet oder Spule bewegen.
  3. Also zeigt das Messgerät eine Spannung.
  1. Eine Spannung wird nur induziert, wenn sich das Magnetfeld in der Spule ändert.
  2. Hier ändert sich das Feld in der Spule, weil sich Magnet oder Spule bewegen.
  3. Also zeigt das Messgerät eine Spannung.
Ergebnis:
Ja, weil sich das Magnetfeld in der Spule ändert.

AchtungInduktion ohne Änderung des Feldes

So nicht
Magnet liegt ruhig in der Spule → Spannung
So richtig
Magnet ruht → Feld in der Spule gleich → keine Spannung; nur beim Bewegen

Frag nur eins: Ändert sich das Magnetfeld in der Spule gerade? Ohne Änderung keine Spannung.

ÜbenJetzt du

  1. ○7
    Ein Magnet dreht sich vor einer Spule. Die Spule hat 300 Windungen und ist an ein Messgerät angeschlossen. Zeigt es eine Spannung an? Begründe.
    NSVU = ?N = 300
    So fängst du an:
    Eine Spannung wird nur induziert, wenn sich das Magnetfeld in der Spule ändert.
    Lösung zeigen
    1. Eine Spannung wird nur induziert, wenn sich das Magnetfeld in der Spule ändert.
    2. Hier ändert sich das Feld in der Spule, weil sich Magnet oder Spule bewegen.
    3. Also zeigt das Messgerät eine Spannung.
    Ergebnis:
    Ja, weil sich das Magnetfeld in der Spule ändert.
  2. ●8
    Ein Stabmagnet wird schnell in eine Spule geschoben. Die Spule hat 600 Windungen und ist an ein Messgerät angeschlossen. Zeigt es eine Spannung an? Begründe.
    NSVU = ?N = 600
    Lösung zeigen
    1. Eine Spannung wird nur induziert, wenn sich das Magnetfeld in der Spule ändert.
    2. Hier ändert sich das Feld in der Spule, weil sich Magnet oder Spule bewegen.
    3. Also zeigt das Messgerät eine Spannung.
    Ergebnis:
    Ja, weil sich das Magnetfeld in der Spule ändert.
  3. ★9
    Zwei Spulen sitzen auf einem Eisenkern. Der Stromkreis der ersten mit einer 4-V-Batterie wird ausgeschaltet. Zeigt ein Messgerät an der zweiten Spule eine Spannung? Begründe.
    primärsekundärBatterie 4 Vwird ausgeschaltetU = ?
    Lösung zeigen
    1. Der Strom in der ersten Spule erzeugt ein Magnetfeld im Eisenkern.
    2. Beim Ausschalten bricht das Feld zusammen.
    3. Nur während sich das Feld ändert, wird eine Spannung induziert.
    Ergebnis:
    Ja, kurz beim Ausschalten, weil sich das Feld ändert.

4Ich erkläre den Aufbau eines Generators.

MerkenGenerator

Im Generator dreht sich eine Spule im Magnetfeld.

Bewegungsenergie wird zu elektrischer Energie – der Motor ist derselbe Aufbau rückwärts.

BeispielGenerator oder Elektromotor?

Ein Fahrraddynamo wird vom Vorderrad gedreht, die Lampe leuchtet. Arbeitet der Dynamo als Generator oder als Elektromotor? Begründe.
Der Dynamo??Wärme
Schritt für Schritt
  1. Frag, welche Energie hineingeht und welche herauskommt.
  2. Hinein geht Bewegung, heraus kommt elektrische Energie.
  3. Das ist ein Generator.
  1. Frag, welche Energie hineingeht und welche herauskommt.
  2. Hinein geht Bewegung, heraus kommt elektrische Energie.
  3. Das ist ein Generator.
Ergebnis:
als Generator: aus Bewegung wird elektrische Energie

AchtungGenerator und Motor verwechselt

So nicht
Fahrraddynamo: elektrische Energie → Bewegung
So richtig
Fahrraddynamo: Bewegungsenergie → elektrische Energie (Generator)

Frag, was hineingeht: Bewegung hinein heißt Generator, elektrische Energie hinein heißt Motor.

ÜbenJetzt du

  1. ○10
    Im Wasserkraftwerk dreht fließendes Wasser eine Turbine, die Strom liefert. Arbeitet die Maschine an der Turbine als Generator oder als Elektromotor? Begründe.
    Turbine??Wärme
    So fängst du an:
    Frag, welche Energie hineingeht und welche herauskommt.
    Lösung zeigen
    1. Frag, welche Energie hineingeht und welche herauskommt.
    2. Hinein geht Bewegung, heraus kommt elektrische Energie.
    3. Das ist ein Generator.
    Ergebnis:
    als Generator: aus Bewegung wird elektrische Energie
  2. ●11
    Ein Aufzug fährt nach oben. Arbeitet die Maschine am Aufzug als Generator oder als Elektromotor? Begründe.
    Aufzug??Wärme
    Lösung zeigen
    1. Frag, welche Energie hineingeht und welche herauskommt.
    2. Hinein geht elektrische Energie, heraus kommt Bewegung.
    3. Das ist ein Elektromotor.
    Ergebnis:
    als Elektromotor: aus elektrischer Energie wird Bewegung
  3. ★12
    Ein Pumpspeicherwerk in den Bergen pumpt mit Überschussstrom Wasser nach oben. Später fließt es hinunter und liefert Strom. Was macht die Maschine?
    Pumpe und Turbine??Wärme
    Lösung zeigen
    1. Beim Pumpen wird elektrische Energie zu Lageenergie des Wassers.
    2. Beim Ablassen wird Lageenergie wieder zu elektrischer Energie.
    3. Dieselbe Maschine ist erst Motor, dann Generator.
    Ergebnis:
    Beim Pumpen arbeitet sie als Elektromotor, beim Ablassen als Generator.

5Ich erkläre den Aufbau eines Elektromotors.

MerkenMotor

Im Motor wird ein stromdurchflossener Leiter im Magnetfeld abgelenkt.

Elektrische Energie wird zu Bewegung – der Generator ist derselbe Aufbau vorwärts.

BeispielEnergiebilanz eines Wandlers

Der Motor eines Akkuschraubers nimmt 500 J elektrische Energie auf und gibt 450 J Bewegungsenergie ab. Wie viel Energie wird dabei zu Wärme? Berechne mit Einheit.
500 J450 JWärme: ?
Schritt für Schritt
  1. Energie geht nicht verloren: zugeführt = genutzt + Wärme.
  2. Wärme = zugeführte Energie − genutzte Energie
  3. 500 J − 450 J = 50 J
  1. Energie geht nicht verloren: zugeführt = genutzt + Wärme.
  2. Wärme = zugeführte Energie − genutzte Energie
  3. 500 J − 450 J = 50 J
Ergebnis:
50 J

AchtungEnergie wird erzeugt

So nicht
Generator: 500 J hinein, 600 J heraus
So richtig
500 J hinein = 400 J elektrisch + 100 J Wärme

Zeichne den Energiepfeil: Was herauskommt, muss vorher hineingegangen sein, ein Teil wird Wärme.

ÜbenJetzt du

  1. ○13
    Ein Elektromotor nimmt 200 J elektrische Energie auf und gibt 150 J Bewegungsenergie ab. Wie viel Energie wird dabei zu Wärme? Berechne mit Einheit.
    200 J150 JWärme: ?
    So fängst du an:
    Energie geht nicht verloren: zugeführt = genutzt + Wärme.
    Lösung zeigen
    1. Energie geht nicht verloren: zugeführt = genutzt + Wärme.
    2. Wärme = zugeführte Energie − genutzte Energie
    3. 200 J − 150 J = 50 J
    Ergebnis:
    50 J
  2. ●14
    Der Motor eines Akkuschraubers nimmt 800 J elektrische Energie auf und gibt 720 J Bewegungsenergie ab. Wie viel Energie wird dabei zu Wärme? Berechne mit Einheit.
    800 J720 JWärme: ?
    Lösung zeigen
    1. Energie geht nicht verloren: zugeführt = genutzt + Wärme.
    2. Wärme = zugeführte Energie − genutzte Energie
    3. 800 J − 720 J = 80 J
    Ergebnis:
    80 J
  3. ★15
    Ein Elektromotor nimmt 1000 W auf und gibt 800 W als Bewegungsenergie ab. Wie viel Wärme in kJ entsteht in 2 Minuten? Berechne mit Einheit.
    1000 W800 WWärme: ?
    Lösung zeigen
    1. Verlustleistung = aufgenommene Leistung − abgegebene Leistung
    2. 1000 W − 800 W = 200 W, 2 min = 120 s
    3. E = 200 W · 120 s = 24.000 J = 24 kJ
    Ergebnis:
    24 kJ

6Ich berechne Spannungen am Transformator.

MerkenTransformator

U₁ : U₂ = n₁ : n₂. Mehr Windungen bedeuten mehr Spannung – aber die Leistung wird dabei nicht größer.

BeispielTransformator: Spannung

Ein Ladegerät enthält einen Transformator mit 2300 Windungen primär und 240 Windungen sekundär. Primär liegen 230 V an. Welche Spannung liegt sekundär an? Berechne mit Einheit.
primärsekundärU₁ = 230 VN₁ = 2300U₂ = ?N₂ = 240
Schritt für Schritt
  1. U₁ : U₂ = N₁ : N₂, also U₂ = U₁ · N₂ : N₁
  2. N₂ : N₁ = 240 : 2300
  3. U₂ = 230 V · 240 : 2300 = 24 V
  1. U₁ : U₂ = N₁ : N₂, also U₂ = U₁ · N₂ : N₁
  2. N₂ : N₁ = 240 : 2300
  3. U₂ = 230 V · 240 : 2300 = 24 V
Ergebnis:
24 V

AchtungGrößen verwechselt

So nicht
Masse = 50 N
So richtig
Masse m = 5 kg, Gewichtskraft F = 50 N

Schreib zuerst auf: gegeben und gesucht, jeweils mit Formelzeichen und Einheit.

ÜbenJetzt du

  1. ○16
    Im Schulversuch hat ein Transformator 300 Windungen primär und 600 Windungen sekundär. Primär liegen 4 V Wechselspannung an. Welche Spannung liegt sekundär an? Berechne mit Einheit.
    primärsekundärU₁ = 4 VN₁ = 300U₂ = ?N₂ = 600
    So fängst du an:
    U₁ : U₂ = N₁ : N₂, also U₂ = U₁ · N₂ : N₁
    Lösung zeigen
    1. U₁ : U₂ = N₁ : N₂, also U₂ = U₁ · N₂ : N₁
    2. N₂ : N₁ = 600 : 300
    3. U₂ = 4 V · 600 : 300 = 8 V
    Ergebnis:
    8 V
  2. ●17
    Ein Ladegerät enthält einen Transformator mit 1150 Windungen primär und 60 Windungen sekundär. Primär liegen 230 V an. Welche Spannung liegt sekundär an? Berechne mit Einheit.
    primärsekundärU₁ = 230 VN₁ = 1150U₂ = ?N₂ = 60
    Lösung zeigen
    1. U₁ : U₂ = N₁ : N₂, also U₂ = U₁ · N₂ : N₁
    2. N₂ : N₁ = 60 : 1150
    3. U₂ = 230 V · 60 : 1150 = 12 V
    Ergebnis:
    12 V
  3. ★18
    Ein Transformator im Ortsnetz hat 5000 Windungen auf der Seite mit 10 kV und 100 Windungen auf der anderen. Wie viel Volt liefert er an die Häuser? Berechne mit Einheit.
    primärsekundärU₁ = 10 kVN₁ = 5000U₂ = ?N₂ = 100
    Lösung zeigen
    1. U₂ = U₁ · N₂ : N₁, dabei U₁ zuerst in Volt
    2. 10 kV = 10.000 V
    3. U₂ = 10.000 V · 100 : 5000 = 200 V
    Ergebnis:
    200 V

7Ich erkläre, warum Strom mit Hochspannung transportiert wird.

MerkenHochspannung

Bei gleicher Leistung fließt bei hoher Spannung wenig Strom.

Weil die Verlustwärme mit I² wächst, spart Hochspannung Energie im Netz.

BeispielTransformator: Stromstärke

Ein idealer Transformator hat 100 Windungen primär und 20 Windungen sekundär. Sekundär fließen 5 A. Wie groß ist die Stromstärke in der Primärspule? Berechne mit Einheit.
primärsekundärN₁ = 100I₁ = ?N₂ = 20I₂ = 5 A
Schritt für Schritt
  1. Für Ströme gilt das umgekehrte Verhältnis: I₁ : I₂ = N₂ : N₁
  2. I₁ = I₂ · N₂ : N₁ = 5 A · 20 : 100
  3. I₁ = 1 A
  1. Für Ströme gilt das umgekehrte Verhältnis: I₁ : I₂ = N₂ : N₁
  2. I₁ = I₂ · N₂ : N₁ = 5 A · 20 : 100
  3. I₁ = 1 A
Ergebnis:
1 A

AchtungHochspannung transportiert mehr Strom

So nicht
10 kV → 110 kV: der Strom wird elfmal größer
So richtig
10 kV → 110 kV: die Leistung bleibt, der Strom wird elfmal kleiner

Halte die Leistung fest: U · I bleibt gleich. Wird U größer, muss I kleiner werden.

ÜbenJetzt du

  1. ○19
    Ein idealer Transformator hat 200 Windungen primär und 20 Windungen sekundär. Sekundär fließen 6 A. Wie groß ist die Stromstärke in der Primärspule? Berechne mit Einheit.
    primärsekundärN₁ = 200I₁ = ?N₂ = 20I₂ = 6 A
    So fängst du an:
    Für Ströme gilt das umgekehrte Verhältnis: I₁ : I₂ = N₂ : N₁
    Lösung zeigen
    1. Für Ströme gilt das umgekehrte Verhältnis: I₁ : I₂ = N₂ : N₁
    2. I₁ = I₂ · N₂ : N₁ = 6 A · 20 : 200
    3. I₁ = 0,6 A
    Ergebnis:
    0,6 A
  2. ●20
    Ein idealer Transformator hat 400 Windungen primär und 100 Windungen sekundär. Sekundär fließen 2 A. Wie groß ist die Stromstärke in der Primärspule? Berechne mit Einheit.
    primärsekundärN₁ = 400I₁ = ?N₂ = 100I₂ = 2 A
    Lösung zeigen
    1. Für Ströme gilt das umgekehrte Verhältnis: I₁ : I₂ = N₂ : N₁
    2. I₁ = I₂ · N₂ : N₁ = 2 A · 100 : 400
    3. I₁ = 0,5 A
    Ergebnis:
    0,5 A
  3. ★21
    Ein Umspannwerk wandelt 10 kV in 380 kV um (ideal). Auf der 10-kV-Seite fließen 3800 A. Wie groß ist die Stromstärke in der Hochspannungsleitung? Berechne mit Einheit.
    primärsekundärU₁ = 10 kVI₁ = 3800 AU₂ = 380 kVI₂ = ?
    Lösung zeigen
    1. Ideal bleibt die Leistung gleich: U₁ · I₁ = U₂ · I₂
    2. I₂ = I₁ · U₁ : U₂ = 3800 A · 10 kV : 380 kV
    3. I₂ = 100 A
    Ergebnis:
    100 A

Vermischte Übungen

Alles durcheinander – wie in der Arbeit. Überleg bei jeder Aufgabe zuerst: Welches Ziel ist das?

Üben

  1. ●22
    Neben einem Magneten liegen ein Messingschlüssel, ein Eisennagel und ein Kupferdraht. Welcher Gegenstand wird angezogen?
    NSein Messingschlüsselein Eisennagelein Kupferdraht?
    Lösung zeigen
    1. Nicht jedes Metall wird von einem Magneten angezogen.
    2. Angezogen werden Eisen, Stahl, Nickel und Kobalt.
    3. Also nur der Eisennagel.
    Ergebnis:
    nur der Eisennagel
  2. ●23
    Das Bild zeigt die Feldlinien eines Magnetstabs aus der Sammlung. Wohin zeigt der Nordpol einer kleinen Kompassnadel, die außen auf einer Feldlinie liegt?
    SNP
    Lösung zeigen
    1. Feldlinien geben die Richtung an, in die der Nordpol einer Kompassnadel zeigt.
    2. Der Nordpol der Nadel wird vom Südpol des Magneten angezogen.
    3. Außen laufen die Feldlinien deshalb vom Nordpol zum Südpol.
    Ergebnis:
    entlang der Linie in Richtung Südpol
  3. ●24
    In einer Spule mit 300 Windungen fließen 0,5 A. Innen misst man 0,6 mT. Wie stark ist das Magnetfeld bei 2 A? Berechne mit Einheit.
    N = 300I = 2 AB = ?vorher: 0,5 A, 0,6 mT
    Lösung zeigen
    1. Das Feld wächst im gleichen Verhältnis wie die Stromstärke.
    2. 2 A : 0,5 A = 4
    3. B = 4 · 0,6 mT = 2,4 mT
    Ergebnis:
    2,4 mT
  4. ●25
    Ein Hallenkran hebt Eisenträger mit einem Elektromagneten an. Wie lässt er sie am Ziel wieder los?
    EisenkernN = 200I
    Lösung zeigen
    1. Ein Elektromagnet ist eine Spule mit Eisenkern.
    2. Nur solange Strom fließt, hat er ein Magnetfeld.
    3. Strom aus: Das Feld verschwindet, die Last fällt ab.
    Ergebnis:
    Er schaltet den Strom in der Spule ab.
  5. ●26
    Ein Stabmagnet wird aus einer Spule herausgezogen. Die Spule hat 1200 Windungen und ist an ein Messgerät angeschlossen. Zeigt es eine Spannung an? Begründe.
    NSVU = ?N = 1200
    Lösung zeigen
    1. Eine Spannung wird nur induziert, wenn sich das Magnetfeld in der Spule ändert.
    2. Hier ändert sich das Feld in der Spule, weil sich Magnet oder Spule bewegen.
    3. Also zeigt das Messgerät eine Spannung.
    Ergebnis:
    Ja, weil sich das Magnetfeld in der Spule ändert.
  6. ●27
    Ein Magnet wird in eine Spule mit 400 Windungen geschoben. Das Messgerät zeigt höchstens 0,5 V. Wie viel zeigt es bei doppelt so schneller Bewegung, sonst gleich? Berechne mit Einheit.
    NSVU = ?N = 400
    Lösung zeigen
    1. Die Spannung wächst im gleichen Verhältnis wie das Tempo der Bewegung.
    2. doppelt so schnell heißt mal 2
    3. U = 2 · 0,5 V = 1 V
    Ergebnis:
    1 V

Auf einen Blick

MerkenDas Wichtigste

Feldlinien
Feldlinien laufen außerhalb des Magneten vom Nord- zum Südpol.
Spule
Eine stromdurchflossene Spule hat ein Magnetfeld wie ein Stabmagnet.
Induktion
Eine Spannung wird nur induziert, wenn sich das Magnetfeld durch die Spule ÄNDERT.
Generator
Im Generator dreht sich eine Spule im Magnetfeld.
Motor
Im Motor wird ein stromdurchflossener Leiter im Magnetfeld abgelenkt.
Transformator
U₁ : U₂ = n₁ : n₂. Mehr Windungen bedeuten mehr Spannung – aber die Leistung wird dabei nicht größer.
Hochspannung
Bei gleicher Leistung fließt bei hoher Spannung wenig Strom.

AchtungInduktion ohne Änderung erwartet

So nicht
Magnet liegt in der Spule → U = 2 V werden induziert
So richtig
Magnet liegt still → U = 0 V. Erst die Änderung induziert.

Ein ruhender Magnet in einer Spule induziert nichts. Erst die Änderung erzeugt Spannung.

AchtungWindungsverhältnis umgekehrt angesetzt

So nicht
n₁ = 1000, n₂ = 200, U₁ = 230 V → U₂ = 230 · 1000 : 200 = 1150 V
So richtig
U₂ = U₁ · n₂ : n₁ = 230 · 200 : 1000 = 46 V

Mehr Windungen, mehr Spannung. Wer das Verhältnis dreht, bekommt das Ergebnis um den Faktor n² daneben.

Kannst du das?

Je Ziel eine Aufgabe. Rechne sie ins Heft, dann kreuz ehrlich an. Keine Punkte, keine Note – der Test ist für dich.

ÜbenSelbsttest

  1. Ich beschreibe Magnetfelder mit Feldlinien.

    28
    Zwei Stabmagnete werden so zusammengeschoben, dass sich ein Nordpol und ein Nordpol gegenüberstehen. Was spürst du?
    SNNS?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Sie stoßen sich ab.

  2. Ich erkläre das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule.

    29
    Eine Spule mit 200 Windungen erzeugt bei 0,5 A innen 0,4 mT. Eine gleich lange Spule hat 400 Windungen, auch 0,5 A. Wie stark ist ihr Feld? Berechne mit Einheit.
    N = 400I = 0,5 AB = ?vorher: 200 Windungen, 0,4 mT
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    0,8 mT

  3. Ich beschreibe, wann eine Spannung induziert wird.

    30
    Ein Stabmagnet wird aus einer Spule herausgezogen. Die Spule hat 300 Windungen und ist an ein Messgerät angeschlossen. Zeigt es eine Spannung an? Begründe.
    NSVU = ?N = 300
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Ja, weil sich das Magnetfeld in der Spule ändert.

  4. Ich erkläre den Aufbau eines Generators.

    31
    Ein Windrad dreht sich im Wind und liefert Strom. Arbeitet die Maschine im Windrad als Generator oder als Elektromotor? Begründe.
    Windrad??Wärme
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    als Generator: aus Bewegung wird elektrische Energie

  5. Ich erkläre den Aufbau eines Elektromotors.

    32
    Ein Elektromotor nimmt 1000 J elektrische Energie auf und gibt 600 J Bewegungsenergie ab. Wie viel Energie wird dabei zu Wärme? Berechne mit Einheit.
    1000 J600 JWärme: ?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    400 J

  6. Ich berechne Spannungen am Transformator.

    33
    Im Schulversuch hat ein Transformator 600 Windungen primär und 300 Windungen sekundär. Primär liegen 2 V Wechselspannung an. Welche Spannung liegt sekundär an? Berechne mit Einheit.
    primärsekundärU₁ = 2 VN₁ = 600U₂ = ?N₂ = 300
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    1 V

  7. Ich erkläre, warum Strom mit Hochspannung transportiert wird.

    34
    Ein idealer Transformator hat 400 Windungen primär und 40 Windungen sekundär. Sekundär fließen 10 A. Wie groß ist die Stromstärke in der Primärspule? Berechne mit Einheit.
    primärsekundärN₁ = 400I₁ = ?N₂ = 40I₂ = 10 A
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    1 A

Bei „unsicher“ oder „noch nicht“: Lies den Abschnitt zum Ziel noch einmal und rechne seine drei Aufgaben.

Lösungen

  1. nur die Büroklammer
  2. Sie stoßen sich ab.
  3. Vom Magneten weg, gleichnamige Pole stoßen sich ab.
  4. 1,2 mT
  5. 1,2 mT
  6. 7,2 mT
  7. Ja, weil sich das Magnetfeld in der Spule ändert.
  8. Ja, weil sich das Magnetfeld in der Spule ändert.
  9. Ja, kurz beim Ausschalten, weil sich das Feld ändert.
  10. als Generator: aus Bewegung wird elektrische Energie
  11. als Elektromotor: aus elektrischer Energie wird Bewegung
  12. Beim Pumpen arbeitet sie als Elektromotor, beim Ablassen als Generator.
  13. 50 J
  14. 80 J
  15. 24 kJ
  16. 8 V
  17. 12 V
  18. 200 V
  19. 0,6 A
  20. 0,5 A
  21. 100 A
  22. nur der Eisennagel
  23. entlang der Linie in Richtung Südpol
  24. 2,4 mT
  25. Er schaltet den Strom in der Spule ab.
  26. Ja, weil sich das Magnetfeld in der Spule ändert.
  27. 1 V
  28. Sie stoßen sich ab.
  29. 0,8 mT
  30. Ja, weil sich das Magnetfeld in der Spule ändert.
  31. als Generator: aus Bewegung wird elektrische Energie
  32. 400 J
  33. 1 V
  34. 1 A