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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 Stück Aluminiumfolie, ein Goldring und ein Schlüsselring aus Stahl. Welcher Gegenstand wird angezogen?
NSein Stück Aluminiumfolieein Goldringein Schlüsselring 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 der Schlüsselring.
  1. Nicht jedes Metall wird von einem Magneten angezogen.
  2. Angezogen werden Eisen, Stahl, Nickel und Kobalt.
  3. Also nur der Schlüsselring.
Ergebnis:
nur der Schlüsselring

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
    Zwei Magnete an Spielzeugwaggons werden so zusammengeschoben, dass sich ein Südpol und ein Südpol gegenüberstehen. Was spürst du?
    NSSN?
    So fängst du an:
    Schau, welche Pole sich gegenüberstehen.
    Lösung zeigen
    1. Schau, welche Pole sich gegenüberstehen.
    2. Südpol und Südpol sind gleichnamig.
    3. Gleichnamige Pole stoßen sich ab.
    Ergebnis:
    Sie stoßen sich ab.
  2. ●2
    Neben einem Magneten liegen ein Kupferdraht, eine Aluminiumdose und ein Eisennagel. Welcher Gegenstand wird angezogen?
    NSein Kupferdrahteine Aluminiumdoseein Eisennagel?
    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
  3. ★3
    Ein langer Stabmagnet wird in drei Stücke gebrochen. Was hast du danach?
    NS??
    Lösung zeigen
    1. Ein Magnet besteht innen aus vielen kleinen Elementarmagneten in einer Reihe.
    2. An jeder Bruchstelle liegen wieder ein Nordende und ein Südende frei.
    3. Also: drei Magnete, jeder mit Nordpol und Südpol.
    Ergebnis:
    Drei Magnete, jeder mit einem Nordpol und einem Südpol.

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 300 Windungen erzeugt bei 2 A innen 1,2 mT. Eine gleich lange Spule hat 900 Windungen, auch 2 A. Wie stark ist ihr Feld? Berechne mit Einheit.
N = 900I = 2 AB = ?vorher: 300 Windungen, 1,2 mT
Schritt für Schritt
  1. Das Feld wächst im gleichen Verhältnis wie die Windungszahl.
  2. 900 : 300 = 3
  3. B = 3 · 1,2 mT = 3,6 mT
  1. Das Feld wächst im gleichen Verhältnis wie die Windungszahl.
  2. 900 : 300 = 3
  3. B = 3 · 1,2 mT = 3,6 mT
Ergebnis:
3,6 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 400 Windungen fließen 0,5 A. Innen misst man 0,4 mT. Wie stark ist das Magnetfeld bei 2 A? Berechne mit Einheit.
    N = 400I = 2 AB = ?vorher: 0,5 A, 0,4 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. 2 A : 0,5 A = 4
    3. B = 4 · 0,4 mT = 1,6 mT
    Ergebnis:
    1,6 mT
  2. ●5
    In einer Spule mit 400 Windungen fließen 1 A. Innen misst man 0,5 mT. Wie stark ist das Magnetfeld bei 2 A? Berechne mit Einheit.
    N = 400I = 2 AB = ?vorher: 1 A, 0,5 mT
    Lösung zeigen
    1. Das Feld wächst im gleichen Verhältnis wie die Stromstärke.
    2. 2 A : 1 A = 2
    3. B = 2 · 0,5 mT = 1 mT
    Ergebnis:
    1 mT
  3. ★6
    Eine Spule mit 200 Windungen erzeugt bei 1 A innen 0,6 mT. Eine gleich lange Spule hat 400 Windungen und 2 A. Wie stark ist ihr Magnetfeld? Berechne mit Einheit.
    N = 400I = 2 AB = ?Vergleich: 200 Windungen, 1 A, 0,6 mT
    Lösung zeigen
    1. Das Feld wächst im gleichen Verhältnis wie die Windungszahl und wie die Stromstärke.
    2. Windungen: 400 : 200 = 2, Strom: 2 A : 1 A = 2
    3. B = 0,6 mT · 2 · 2 = 2,4 mT
    Ergebnis:
    2,4 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?

Ein Stabmagnet wird aus einer Spule herausgezogen. Die Spule hat 600 Windungen und ist an ein Messgerät angeschlossen. Zeigt es eine Spannung an? Begründe.
NSVU = ?N = 600
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 Stabmagnet wird schnell in eine Spule geschoben. Die Spule hat 1200 Windungen und ist an ein Messgerät angeschlossen. Zeigt es eine Spannung an? Begründe.
    NSVU = ?N = 1200
    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. In der ersten fließt dauernd ein Gleichstrom aus einer 12-V-Batterie. Zeigt ein Messgerät an der zweiten Spule eine Spannung? Begründe.
    primärsekundärBatterie 12 VStrom fließt dauerndU = ?
    Lösung zeigen
    1. Der Strom in der ersten Spule erzeugt ein Magnetfeld im Eisenkern.
    2. Bei konstantem Gleichstrom bleibt dieses Feld gleich.
    3. Ohne Änderung keine Spannung: Ein Transformator braucht Wechselspannung.
    Ergebnis:
    Nein, ein gleichbleibender Strom erzeugt ein gleichbleibendes Feld.

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 Windrad dreht sich im Wind und liefert Strom. Arbeitet die Maschine im Windrad als Generator oder als Elektromotor? Begründe.
Windrad??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
    Ein Ventilator am Schreibtisch dreht sich. Arbeitet die Maschine im Ventilator als Generator oder als Elektromotor? Begründe.
    Ventilator??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 elektrische Energie, heraus kommt Bewegung.
    3. Das ist ein Elektromotor.
    Ergebnis:
    als Elektromotor: aus elektrischer Energie wird Bewegung
  2. ●11
    Eine elektrische Zahnbürste putzt die Zähne. Arbeitet die Maschine in der Zahnbürste als Generator oder als Elektromotor? Begründe.
    Zahnbürste??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 1000 J elektrische Energie auf und gibt 750 J Bewegungsenergie ab. Wie viel Energie wird dabei zu Wärme? Berechne mit Einheit.
1000 J750 JWärme: ?
Schritt für Schritt
  1. Energie geht nicht verloren: zugeführt = genutzt + Wärme.
  2. Wärme = zugeführte Energie − genutzte Energie
  3. 1000 J − 750 J = 250 J
  1. Energie geht nicht verloren: zugeführt = genutzt + Wärme.
  2. Wärme = zugeführte Energie − genutzte Energie
  3. 1000 J − 750 J = 250 J
Ergebnis:
250 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 Generator nimmt 800 J Bewegungsenergie auf und gibt 480 J elektrische Energie ab. Wie viel Energie wird dabei zu Wärme? Berechne mit Einheit.
    800 J480 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. 800 J − 480 J = 320 J
    Ergebnis:
    320 J
  2. ●14
    Der Motor eines Akkuschraubers nimmt 400 J elektrische Energie auf und gibt 240 J Bewegungsenergie ab. Wie viel Energie wird dabei zu Wärme? Berechne mit Einheit.
    400 J240 JWärme: ?
    Lösung zeigen
    1. Energie geht nicht verloren: zugeführt = genutzt + Wärme.
    2. Wärme = zugeführte Energie − genutzte Energie
    3. 400 J − 240 J = 160 J
    Ergebnis:
    160 J
  3. ★15
    Ein Elektromotor nimmt 800 W auf und gibt 720 W als Bewegungsenergie ab. Wie viel Wärme in kJ entsteht in 2 Minuten? Berechne mit Einheit.
    800 W720 WWärme: ?
    Lösung zeigen
    1. Verlustleistung = aufgenommene Leistung − abgegebene Leistung
    2. 800 W − 720 W = 80 W, 2 min = 120 s
    3. E = 80 W · 120 s = 9600 J = 9,6 kJ
    Ergebnis:
    9,6 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 4600 Windungen primär und 200 Windungen sekundär. Primär liegen 230 V an. Welche Spannung liegt sekundär an? Berechne mit Einheit.
primärsekundärU₁ = 230 VN₁ = 4600U₂ = ?N₂ = 200
Schritt für Schritt
  1. U₁ : U₂ = N₁ : N₂, also U₂ = U₁ · N₂ : N₁
  2. N₂ : N₁ = 200 : 4600
  3. U₂ = 230 V · 200 : 4600 = 10 V
  1. U₁ : U₂ = N₁ : N₂, also U₂ = U₁ · N₂ : N₁
  2. N₂ : N₁ = 200 : 4600
  3. U₂ = 230 V · 200 : 4600 = 10 V
Ergebnis:
10 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
    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
    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 = 240 : 2300
    3. U₂ = 230 V · 240 : 2300 = 24 V
    Ergebnis:
    24 V
  2. ●17
    Im Schulversuch hat ein Transformator 600 Windungen primär und 1200 Windungen sekundär. Primär liegen 6 V Wechselspannung an. Welche Spannung liegt sekundär an? Berechne mit Einheit.
    primärsekundärU₁ = 6 VN₁ = 600U₂ = ?N₂ = 1200
    Lösung zeigen
    1. U₁ : U₂ = N₁ : N₂, also U₂ = U₁ · N₂ : N₁
    2. N₂ : N₁ = 1200 : 600
    3. U₂ = 6 V · 1200 : 600 = 12 V
    Ergebnis:
    12 V
  3. ★18
    Ein Transformator im Ortsnetz hat 2500 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 = 2500U₂ = ?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 : 2500 = 400 V
    Ergebnis:
    400 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 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
Schritt für Schritt
  1. Für Ströme gilt das umgekehrte Verhältnis: I₁ : I₂ = N₂ : N₁
  2. I₁ = I₂ · N₂ : N₁ = 10 A · 40 : 400
  3. I₁ = 1 A
  1. Für Ströme gilt das umgekehrte Verhältnis: I₁ : I₂ = N₂ : N₁
  2. I₁ = I₂ · N₂ : N₁ = 10 A · 40 : 400
  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 400 Windungen primär und 100 Windungen sekundär. Sekundär fließen 10 A. Wie groß ist die Stromstärke in der Primärspule? Berechne mit Einheit.
    primärsekundärN₁ = 400I₁ = ?N₂ = 100I₂ = 10 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 = 10 A · 100 : 400
    3. I₁ = 2,5 A
    Ergebnis:
    2,5 A
  2. ●20
    Ein idealer Transformator hat 200 Windungen primär und 40 Windungen sekundär. Sekundär fließen 5 A. Wie groß ist die Stromstärke in der Primärspule? Berechne mit Einheit.
    primärsekundärN₁ = 200I₁ = ?N₂ = 40I₂ = 5 A
    Lösung zeigen
    1. Für Ströme gilt das umgekehrte Verhältnis: I₁ : I₂ = N₂ : N₁
    2. I₁ = I₂ · N₂ : N₁ = 5 A · 40 : 200
    3. I₁ = 1 A
    Ergebnis:
    1 A
  3. ★21
    Ein Umspannwerk wandelt 20 kV in 220 kV um (ideal). Auf der 20-kV-Seite fließen 550 A. Wie groß ist die Stromstärke in der Hochspannungsleitung? Berechne mit Einheit.
    primärsekundärU₁ = 20 kVI₁ = 550 AU₂ = 220 kVI₂ = ?
    Lösung zeigen
    1. Ideal bleibt die Leistung gleich: U₁ · I₁ = U₂ · I₂
    2. I₂ = I₁ · U₁ : U₂ = 550 A · 20 kV : 220 kV
    3. I₂ = 50 A
    Ergebnis:
    50 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 Goldring und eine Büroklammer aus Stahl. Welcher Gegenstand wird angezogen?
    NSein Messingschlüsselein Goldringeine Büroklammer aus Stahl?
    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. ●23
    Das Bild zeigt die Feldlinien eines Magnetstabs aus der Sammlung. Wo ist das Magnetfeld schwächer: bei A oder bei B? Begründe.
    NSBA
    Lösung zeigen
    1. Die Dichte der Feldlinien zeigt die Stärke des Feldes.
    2. Bei B liegen die Linien dicht, bei A weit auseinander.
    3. Also ist das Feld bei A schwächer.
    Ergebnis:
    bei A, dort liegen die Feldlinien weiter auseinander
  3. ●24
    In einer Spule mit 300 Windungen fließen 2 A. Innen misst man 0,5 mT. Wie stark ist das Magnetfeld bei 4 A? Berechne mit Einheit.
    N = 300I = 4 AB = ?vorher: 2 A, 0,5 mT
    Lösung zeigen
    1. Das Feld wächst im gleichen Verhältnis wie die Stromstärke.
    2. 4 A : 2 A = 2
    3. B = 2 · 0,5 mT = 1 mT
    Ergebnis:
    1 mT
  4. ●25
    Rechts neben einer Spule mit 200 Windungen liegt ein Kompass. Jetzt fließt Strom durch die Spule. Wohin zeigt die Nadel?
    N = 200Strom anKompass daneben: ?
    Lösung zeigen
    1. Eine Spule ist nur dann ein Magnet, wenn Strom fließt.
    2. Hier fließt Strom: Die Spule hat einen Nordpol und einen Südpol.
    3. Die Nadel richtet sich nach dem Feld der Spule.
    Ergebnis:
    Sie dreht sich zur Spule, die Spule ist jetzt ein Magnet.
  5. ●26
    Ein Stabmagnet liegt ruhig in einer Spule. Die Spule hat 1200 Windungen und ist an ein Messgerät angeschlossen. Zeigt es eine Spannung an? Begründe.
    NSVruhtU = ?N = 1200
    Lösung zeigen
    1. Eine Spannung wird nur induziert, wenn sich das Magnetfeld in der Spule ändert.
    2. Hier bewegt sich nichts, das Feld in der Spule bleibt gleich.
    3. Also zeigt das Messgerät keine Spannung.
    Ergebnis:
    Nein, weil sich das Magnetfeld in der Spule nicht ändert.
  6. ●27
    Ein Magnet wird in eine Spule mit 500 Windungen geschoben. Das Messgerät zeigt höchstens 0,5 V. Wie viel zeigt es bei einem viermal so starken Magneten, sonst gleich? Berechne mit Einheit.
    NSVU = ?N = 500
    Lösung zeigen
    1. Die Spannung wächst im gleichen Verhältnis wie die Stärke des Magneten.
    2. viermal so stark heißt mal 4
    3. U = 4 · 0,5 V = 2 V
    Ergebnis:
    2 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 Südpol gegenüberstehen. Was spürst du?
    SNSN?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Sie ziehen sich an.

  2. Ich erkläre das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule.

    29
    In einer Spule mit 100 Windungen fließen 1 A. Innen misst man 0,8 mT. Wie stark ist das Magnetfeld bei 4 A? Berechne mit Einheit.
    N = 100I = 4 AB = ?vorher: 1 A, 0,8 mT
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    3,2 mT

  3. Ich beschreibe, wann eine Spannung induziert wird.

    30
    Ein Stabmagnet wird schnell in eine Spule geschoben. Die Spule hat 1200 Windungen und ist an ein Messgerät angeschlossen. Zeigt es eine Spannung an? Begründe.
    NSVU = ?N = 1200
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Ja, weil sich das Magnetfeld in der Spule ändert.

  4. Ich erkläre den Aufbau eines Generators.

    31
    Ein Elektroroller fährt bergauf. Arbeitet die Maschine im Roller als Generator oder als Elektromotor? Begründe.
    Roller??Wärme
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    als Elektromotor: aus elektrischer Energie wird Bewegung

  5. Ich erkläre den Aufbau eines Elektromotors.

    32
    Ein Elektromotor nimmt 200 J elektrische Energie auf und gibt 120 J Bewegungsenergie ab. Wie viel Energie wird dabei zu Wärme? Berechne mit Einheit.
    200 J120 JWärme: ?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    80 J

  6. Ich berechne Spannungen am Transformator.

    33
    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
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    8 V

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

    34
    Ein idealer Transformator hat 400 Windungen primär und 2000 Windungen sekundär. Sekundär fließen 2 A. Wie groß ist die Stromstärke in der Primärspule? Berechne mit Einheit.
    primärsekundärN₁ = 400I₁ = ?N₂ = 2000I₂ = 2 A
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    10 A

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

Lösungen

  1. Sie stoßen sich ab.
  2. nur der Eisennagel
  3. Drei Magnete, jeder mit einem Nordpol und einem Südpol.
  4. 1,6 mT
  5. 1 mT
  6. 2,4 mT
  7. Ja, weil sich das Magnetfeld in der Spule ändert.
  8. Ja, weil sich das Magnetfeld in der Spule ändert.
  9. Nein, ein gleichbleibender Strom erzeugt ein gleichbleibendes Feld.
  10. als Elektromotor: aus elektrischer Energie wird Bewegung
  11. als Elektromotor: aus elektrischer Energie wird Bewegung
  12. Beim Pumpen arbeitet sie als Elektromotor, beim Ablassen als Generator.
  13. 320 J
  14. 160 J
  15. 9,6 kJ
  16. 24 V
  17. 12 V
  18. 400 V
  19. 2,5 A
  20. 1 A
  21. 50 A
  22. nur die Büroklammer
  23. bei A, dort liegen die Feldlinien weiter auseinander
  24. 1 mT
  25. Sie dreht sich zur Spule, die Spule ist jetzt ein Magnet.
  26. Nein, weil sich das Magnetfeld in der Spule nicht ändert.
  27. 2 V
  28. Sie ziehen sich an.
  29. 3,2 mT
  30. Ja, weil sich das Magnetfeld in der Spule ändert.
  31. als Elektromotor: aus elektrischer Energie wird Bewegung
  32. 80 J
  33. 8 V
  34. 10 A